Transactions on Computer Science and Technology June 2014, Volume 3, Issue 2, PP.86-91
Comprehensive Application of Satellite Digital Verification Environment Yongle Zhang#, Xinhong Li, Xi Zhai Department of Space Equipment, the Academy of Equipment, Beijing 101416, China #
Email: 13366159269@189.cn
Abstract This paper analyzes the problems faced by integrated application of satellite, pointing out that the satellite application will shift "Manufacture-focused" to "Client-focused ". In order to meet the Client-focused model, the article discusses the application of digital satellite integrated verification environment construction. Keywords: Satellite Application; Digital Validation; ORS
卫星综合应用的数字化验证环境
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张永乐，李新洪，翟西 装备学院，北京 101416 摘
要：文章分析了现阶段卫星综合应用所面临的问题,指出卫星综合应用将从“设计制造为核心”向“客户应用为核心”
的模式转变。为了适应客户为核心的应用模式，文章从满足卫星应用全寿命的角度出发，论述了卫星综合应用数字化验 证环境建设的基本思路。 关键词：卫星应用；数字化验证；快速响应卫星
引言 随着我国综合国力的快速提升和航天技术的飞速发展，我国在轨卫星的数目大大增加。如何用好卫星， 有效发挥好卫星的作用，已经成为卫星应用领域迫切需要解决的问题。
1 卫星综合应用面临的新问题 1.1 战术应用要求航天系统的应用具备更强的适应能力 按照应用方式，可以将卫星分为战略型卫星和战术型卫星两类。战略型卫星用于收集战略情报，支持战 略决策，满足战略通信的需要。战术型卫星直接支持战术应用，既可以用于空间对抗领域，也可以用于战术 侦察、战术通信、战场气象支援和打击效果评估等战场支援领域。目前的卫星应用方式集中在战略应用，卫 星制造完成后就被发射到预先设计好的轨道，投入使用。但是，因为现代战争存在很大的突发性，其作战对 象、作战区域、作战时间很难在战前提前确定，传统的战略应用方式以确定的轨道、确定的能力来应对不确 定的战争，实际上是用昨天的装备打今天的战争，必然产生能力的不匹配。战争开始阶段，对航天装备的需 求呈爆炸式增长。因此必须具备短时间范围内发射多颗卫星快速进入空间的能力。每颗卫星的载荷能力和运 行轨道都应该与作战的需要紧密结合。此外，战争进行过程中，空间目标也可能受到敌方的攻击，在此情况 下，同样需要快速地弥补空间系统受到的损失。这一些都依赖于一套集卫星快速设计、快速集成、快速发射。 通过“按需定制”的空间军事能力，可以有效地解决作战对象、区域、时间不确定的问题。 *
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1.2 卫星应用的技术复杂度和经济风险正逐渐增加 随着航天技术的不断进步，卫星组网和多种卫星综合应用越来越普遍，越来越多的任务涉及卫星之间互 联、互通、互操作，各种战技指标越来越复杂。因为航天任务的技术复杂高、决定了航天任务高风险、高投 资的特点。速度高、失重、真空、大温差、高辐射的空间环境在地面不易获得，对关键技术的验证如果进行 飞行演示验证，其成本非常高。同时，卫星综合应用是复杂的系统工程，涉及的部门多，周期长，涵盖了需 求论证、技术攻关、工程设计、生产制造、集成测试、发射入轨、运控管理、地面应用等卫星全寿命周期的 各个环节。在研究卫星应用问题时，传统条块分割方式的研究方法越来越表现出其内在的局限性，无法适应 航天技术和信息化技术突飞猛进的发展。因此采用高可信度的数字化综合验证环境已经成为各国所广泛采用 的手段。
2 国外在相关领域的最新进展 近年来，在快响卫星、卫星星座和空间操作任务的驱动下，传统航天任务的各阶段逐渐走向融合，航天 器的应用逐渐从“设计制造为核心”向“客户应用为核心”的模式转变。卫星综合应用的数字化验证环境的 建设思路也发生了巨大的转变。 “客户应用为核心”的理念类似于“宜家家居”的模式。在宜家模式中，宜家不是提供固化且定型的产 品，而是提供一种未成熟状态的产品，将产品的最后一个组装环节交给消费者完成。宜家的所有产品都是标 准构件，这种标准化的平板构件，在运输的过程中可以整体打包，到家之后，用户仅凭一把螺丝刀就能像搭 积木一样完成全部的产品的安装。 在“客户应用为核心”的卫星应用理念中，卫星设计制造部门的核心任务是设计和制造模块化的卫星组 件。模块化的卫星组件采用标准化的星上电子系统和结构设计，可以快速的完成卫星的快速集成和测试。这 种“客户应用为核心”的卫星应用模式与传统的卫星应用存在较大的差别。 1）生产研制阶段。该阶段的任务是根据应用需求，考虑运载工具和各类技术条件的限制，按照标准研 制生产出模块化的卫星平台组件和有效载荷组件，满足后期快速组装卫星的需要。 2）仓储化保存阶段。该阶段的任务是将生产的各类卫星平台组件和有效载荷组件进行仓储化保存，通 常这些组件的保存时间可达 3 年左右。一旦有发射需要，可以在几天内出库进行快速响应卫星集成。 3）设计、集成和测试阶段。该阶段的任务是根据任务需求，进行快速响的任务分析，选定载荷、设计 出卫星轨道，依据相关约束条件，设计出满足任务要求的快速响应卫星。在此基础上依据选定的卫星平台组 件和有效载荷组件进行快速集成和组装，并对组装好的卫星进行快速测试。 4）快速发射交付使用阶段。在短时间内发射入轨、定姿、定轨，完成载荷的标校，交付使用。
图 1 快速响应卫星的数字化验证环境 - 87 http://www.ivypub.org/cst
这种应用流程的核心是在短时间内根据任务从仓储的卫星平台和载荷组件中进行选型、集成、测试和安 装。将“半成品”的组件组装成贴合任务需要的卫星。该能力的实现需要有一套综合的数字化验证环境进行 支撑。图 1 显示了美国为快速响应卫星所搭建的数字化验证环境。
3 卫星综合应用的数字化验证环境 面向卫星全寿命应用的建设理念可以给我们很多有益的启示。在这种理念的指导下，数字化验证环境被 分为 3 个部分，如下图 2 所示：第一部分主要用于任务需求分析、设计与评估，包括任务分析、模块和组件 的数字化管理、卫星的数字化设计与分析；第二部分用于验证卫星设计的合理性，实现模块和卫星的集成、 测试和存储；第三部分用于卫星结构的测试、控制系统测试等，在环境中包括震动测试平台、气浮台、三轴 气浮转台、吊架等地面支持设备。
图 2 数字化验证环境的布局图
针对一项典型的卫星应用任务，在数字化验证环境中将按以下步骤依次实施。 1）任务分析与设计 任务确定之后，首先是根据任务需求确定卫星的轨道参数、载荷能力等基本信息，并进行星下点轨迹、 重访周期、链路可见性进行分析。在确保满足任务需求的基础上，需要进一步的明确卫星载荷，确定卫星平 台及其各子系统的基本能力。以此为基础，确定出卫星的组成方案。卫星的设计工作需要对应软件的支撑。 由于卫星采用了模块化、标准化的设计，可以利用计算辅助设计软件，直接选取合适模块组件，验证设计方 案，分析技术指标，大大地减少设计和集成测试时间。 利用软件进行任务的分析和设计，首先要建立卫星平台和载荷的组件数据库，数据库中的组件与实体仓 储库中的组件对应。 ①卫星组件数据库的建立 卫星平台和载荷组件分为结构组件、功能设备组件两类。结构组件是卫星机械结构的基本组成单元，如 箱体、接口装置、展开机构等。功能设备组件是模块内部安装的功能设备，如星敏感器、太阳敏感器等。 数据库存储单元的内容包含三维 CAD 模型及其装配示意图，见图 3，从质量、质心、转动惯量和成本等 多个方面描述结构零件特性。如果零件其它特性得到鉴定，可以在现有数据库表的基础上继续添加。用户在 数据库内搜索结构单元时，展现给用户的信息除了最基本的三维 CAD 模型和基本信息外，还包括成套的结 构组件示意图、装配图和整体效果图，方便用户对结构进行集成。 功能组件数据库是基于设备功能划分的。存储单元除了三维模型及基本质量特性参数外，要明确标注每 个设备的工作能力、操作精度、功能范围、功率大小等基本技术参数。图 4 是部分敏感器和执行机构的基本 存储数据结构。 - 88 http://www.ivypub.org/cst
图 3 结构组件的数据库存储模式
图 4 功能组件的数据库存储模式
集成和设计人员只需要在数据库内搜索需要的组件名称/类型，即可快速锁定任务组件，察看和检验其装 配方案。 ②全任务过程分析与模块状态显示 任务分析与设计主要任务是确定任务过程中卫星的轨道参数、载荷能力等基本信息。能够全态势显示任 务过程，并进行星下点轨迹、重访周期、链路可见性分析等任务的设计与分析工作。 在模块组件数据库的基础上，依据用户需求，设计人员确定模块的任务功能及所需要组件的种类、数量、 大小、功率等基本信息。并依据数据库内每个组件的装配图，确定模块/航天器集成测试方案。在此基础上， 模块的组合方案、轨道参数、姿态控制等基本信息。制定全过程三维动态视景仿真图像，全态势显示任务更 换过程以及各功能模块的基本情况。进而分析各航天器星下点轨迹、重访周期、可见性分析、运控管理等基 本信息，确定任务方案的合理性。
图 5 数字化模块组合方案分析
基于任务的分析需要从两个层面进行。第一个层面对全任务的过程进行分析显示；第二个层面对卫星各关 - 89 http://www.ivypub.org/cst
键子系统状态进行分析和显示。该系统显示内容主要包括卫星从集成、测试到发射、入轨、组装全任务过程的 分析和三维视景仿真。同时，系统还要分析和显示航天器平台及其载荷各模块基本情况、工作状态等信息。 完成全任务过程分析之后，任务分析人员将模块集成方案发送给模块组件数据库。数据库管理人员基于集 成方案从数据库中选定模块结构和功能组件及其装配方案，进而从仓库中提取模块组件，为模块集成做准备。 2）多功能卫星模块的集成与测试 在完成了模块集成方案设计和选取集成组件后，下一步将进行多功能卫星模块的集成、测试工作。集成 测试工作室内主要包括集成工作台、测试工作台、显示器、工具箱等设备。模块集成整体环境由集成工作台 和装配显示器组成，如下图 6(a)所示。显示器上展示模块整体的集成方案，以及结构和功能设备组件的三维 CAD 装配图。工作人员只需要根据显示器上的装配图，对应着装配实体，即可完成模块集成、组装，整个过 程简单、快速。集成工作台呈六面体展开形状，底部安装滚轮，以方便搬运模块，如图 6(b)所示。模块集成 时，首先将从仓库内选取的已集成测试的箱板平铺在集成工作台上，通过布设跳线完成箱板间电、数据接口 连接，如图 6(c)所示。其次，集成箱板内部功能设备。即插即用功能设备可通过连接件直接安装到箱板上， 并连接设备与箱板的电子接口。针对不具备即插即用功能的设备首先集成一个星上电子系统转换模块，将设 备转换成统一的即插即用总线接口，再通过连接件安装到箱板上，如图(d)所示。模块内部功能设备集成完成 后，连接侧箱板与底板连接件，保持侧箱板竖立，采用同样方法安装模块外部功能设备，如星敏感器、太阳 敏感器、通信天线等，如图 6(e)所示。最后，在模块外部安装用于在轨更换操作的机构，即把持机构和接口 装置，完成模块集成，如图 6(f)所示。
图 6 多功能卫星模块的快速集成
除了需要解决模块快速集成之外，为确保各功能设备接入模块系统后，能够正确、稳定的工作，系统必 需验证集成设备是否成功接入即插即用系统。复杂模块结构专门预留了快速测试的接口，支持硬件在回路 (Hardware-In-Loop，HWIL)功能测试。模块组件的集成和测试工作可以并行实施，组件集成完成时，测试工 作也同时完成，减少了额外的测试时间。所有后期接入模块的即插即用功能设备必须首先经过 HWIL 测试。 3）多功能卫星模块的地面演示验证 集成和测试后的多功能卫星模块的某些关键能力还要在地面进行测试和验证，其内容包括：集成模块结 构的钢度和强度；接口装置及机械臂把持机构的可行性；卫星控制系统的基本能力等。为验证这些关键技术， - 90 http://www.ivypub.org/cst
需要提供验证所需的机械地面支持设备（Mechanical Ground Support Equipment，MGSE）。通用 MGSE 设备 主要包括震动测试平台、气浮台、三轴气浮转台、吊架等。模块接口装置及把持机构地面演示验证系统。
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【作者简介】 1
张永乐（1972-） ，女，汉，硕士，讲师，
2
李新洪（1972-） ，男，汉，博士，教授，目前主要从事新概
电子技术及其应用，1994 毕业于兰州大
念航天器及其应用领域的研究，1994 学习获航天测控专业学
学电信系，2006 年在装备指挥技术学院
士学位，2001 年获通信于信息系统硕士学位，2009 年获军事
获作战指挥专业硕士学位。
装备学博士。目前为航空宇航学课硕士导师。
Email: 13366159269@189.cn
Email: lixinhong@sohu.com. 3
翟西（1984-） ，男，汉，硕士，2013 年获航空宇航方向硕士
学位，目前从事航天发射领域的研究工作。
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