王明芳，劉迎春，呂從民，郭麗麗

(中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心，北京100094)

1 引言

在國際空間站(ISS)的建設(shè)過程中，NASA建立了一套科學(xué)、規(guī)范、有效的任務(wù)實施流程，涵蓋任務(wù)規(guī)劃、實施、實施后科學(xué)研究、總結(jié)改進這一全生命周期過程，稱為有效載荷集成(Payload Integration)［1］。NASA將整個集成流程編寫成一本入門指導(dǎo)書，在項目意向階段即分發(fā)給各項目的有效載荷研制方(PD，Payload Developer)和項目研究者(PI，Project Investigator)作為指導(dǎo)。ISS有效載荷的集成流程從理念上不完全等同于傳統(tǒng)衛(wèi)星有效載荷隨飛行任務(wù)實施的研制流程，對此，本文將進行系統(tǒng)分析和研究。

2 有效載荷集成流程

目前國際空間站提供兩類有效載荷集成流程，標(biāo)準(zhǔn)流程和精益流程。載荷通常采用36個月的標(biāo)準(zhǔn)集成流程，可獲得較多的ISS航天器和地面運控支持，PD完全按照載荷參試的飛行任務(wù)計劃節(jié)點開展工作。精益流程是在標(biāo)準(zhǔn)流程中提供4個直通入口，允許載荷在通過一系列評審后，最快在6個月內(nèi)完成飛行任務(wù)準(zhǔn)備后參試。這兩種模式互為補充，有效支持了ISS載荷隨飛行任務(wù)的滾動實施。

2.1 標(biāo)準(zhǔn)集成流程

標(biāo)準(zhǔn)集成流程［2-7］中，ISS有效載荷整個集成流程被分為四個階段，分別是戰(zhàn)略階段、戰(zhàn)術(shù)階段、實時運行階段和飛行試驗后階段(見圖1)。戰(zhàn)略階段包括載荷需求、硬件設(shè)計和研制、安全性評估等。戰(zhàn)術(shù)階段包括開發(fā)航天員手冊、航天員訓(xùn)練、需求驗證和轉(zhuǎn)運前評審等。實時運行階段包括硬件集成到航天器、發(fā)射、運行和載荷返回等。飛行后階段包括航天器分解需求、載荷樣品/硬件從著陸場回收、經(jīng)驗總結(jié)、航天員匯報和所需的任務(wù)總結(jié)報告等。

圖1 ISS有效載荷標(biāo)準(zhǔn)集成流程Fig.1 Standard integration template of ISS payloads

2.2 精益集成流程

精益集成流程［8］與標(biāo)準(zhǔn)集成流程的不同之處在于不需要遵從戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)階段的流程，而是通過一種直通入口程序的控制將其納入到飛行任務(wù)中(見圖2)。從圖2可以看出，精益流程是通過4次入口控制，滿足一定的標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過多方多層次的檢查和評審，將一些研究項目快速的納入到飛行任務(wù)中。

入口1(Gate1)主要是確定載荷是否滿足精益流程標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)ISS有效載荷辦公室獲知可能上行的有效載荷后，就指定有效載荷集成經(jīng)理(PIM，Payload Integration Manager)來檢查有效載荷信息。有效載荷信息檢查將決定該載荷在運控、硬件和軟件等方面是否滿足精益流程標(biāo)準(zhǔn)。如果滿足，ISS有效載荷辦公室和PD將繼續(xù)進行該有效載荷的精益集成。如果在集成過程中的任何一點確定有效載荷比在Gate1評估時復(fù)雜，有效載荷的集成計劃將更新，并采用標(biāo)準(zhǔn)集成模式進行集成。換句話說，已具有一定研制基礎(chǔ)的有效載荷在通過一系列嚴(yán)格的評審后可以走“快速通道”，跳過研制流程的前期階段。

入口2(Gate2)主要活動是載荷的安全性和運控等方面的工作。

入口3(Gate3)主要是關(guān)鍵技術(shù)數(shù)據(jù)的提交。一旦精益集成技術(shù)數(shù)據(jù)包順利通過PIM、站上設(shè)施負(fù)責(zé)人和運控團隊的檢查，確認(rèn)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性后，該有效載荷就可以進入飛行配套。

入口4(Gate4)主要包含接口的工程驗證和程序檢查等，其完成的標(biāo)志是有效載荷硬件轉(zhuǎn)運到總裝地點。

3 多線并行的集成方式

一旦項目成為候選，國際空間站有效載荷辦公室就為有效載荷設(shè)立PIM，PIM可以是某個人也可以是某個組織，在整個有效載荷集成過程中都起著不可或缺的作用。他確保有效載荷滿足ISS的技術(shù)、進度和資源約束要求，同時代表PD的利益，保證有效載荷提出的運行需求得到落實。PIM的職責(zé)范圍很寬，如圖3所示，在有效載荷集成過程中的各個專業(yè)領(lǐng)域都需要進行有效地協(xié)調(diào)，崗位能力要求非常高。

部分有效載荷的集成順序進行，大多數(shù)載荷的集成并行實施。PIM會來幫助PD進行有效載荷的集成。NASA有效載荷的集成工作是分布式完成的，包括了研究計劃集成和任務(wù)集成兩大類，從實施層面按分工和專業(yè)不同，集成包括研究集成、任務(wù)集成、工程集成、軟件集成、運控集成、測試集成、發(fā)射場和著陸場保障、任務(wù)后報告集成等多個并行線［1］。

圖2 ISS有效載荷精益集成流程Fig.2 Lean integration template of ISS payloads

圖3 PIM職責(zé)范圍Fig.3 PIM’s responsibilities

3.1 研究集成

對于一次飛行任務(wù)，研究集成［1，9］的第一步是由研究規(guī)劃組發(fā)布征集研究項目和有效載荷的指南。指南中會明確飛行任務(wù)計劃進度及其飛行機會的安排。指南發(fā)布后半個月，有意向的研究團隊或有效載荷團隊提交相應(yīng)的研究規(guī)劃數(shù)據(jù)包，內(nèi)容包括候選載荷清單、實驗概述、載荷資源需求等。研究規(guī)劃組組織對各提交項目的需求和約束等進行評審，比較和評估載荷提出的需求和ISS項目提供的資源，確定ISS項目能夠分配給該載荷的應(yīng)用資源，根據(jù)評審結(jié)果形成一份整體研究規(guī)劃報告。各合作參與方再對該研究規(guī)劃報告進行評審，包括建議研究項目清單及主要內(nèi)容、所分配的資源、運輸要求(上下行)、存儲要求和航天員操作時間需求等，提出增加、刪減或修改的建議，并達(dá)成一致意見，最后形成正式的研究規(guī)劃，由有效載荷控制委員會(PCB)評審和批準(zhǔn)。

3.2 任務(wù)集成過程

3.2.1 硬件可行性評估

硬件可行性評估［1］在研究規(guī)劃評估時便開始進行，目的是暴露各項目潛在的任務(wù)集成問題，以便PCB將適宜的有效載荷納入到研究規(guī)劃報告中。該過程對候選項目填寫有效載荷可行性檢查單并對檢查單進行評審，形成任務(wù)可行性評估表。PIM進一步組織對任務(wù)可行性評估表進行評審，并對每一個項目給出可行/不可行的結(jié)論。

3.2.2 確定管理和技術(shù)實施依據(jù)

研究規(guī)劃批準(zhǔn)以后，PIM開始策劃各個研究項目的設(shè)計和開發(fā)，起草有效載荷集成協(xié)議(PIA，Payload Integration Agreement)、接口控制文檔、工作計劃、有效載荷數(shù)據(jù)產(chǎn)品等文件。在這些文件的起草過程中，PIM會與PD充分溝通和協(xié)調(diào)，詳細(xì)討論ISS向有效載荷提出的要求、PD提出的資源和服務(wù)需求、職責(zé)、進度、頂層接口等相關(guān)內(nèi)容。

3.2.3 飛行準(zhǔn)備就緒證明

ISS的飛行準(zhǔn)備就緒證明(CoFR，Certificate of Flight Readiness)過程包括一系列詳細(xì)的準(zhǔn)備就緒評審［1］，通過這些評審確認(rèn)各方已經(jīng)具備支持航天器的發(fā)射、?？?、撤離和返回、飛行試驗期間在軌活動的狀態(tài)，不存在影響發(fā)射及任務(wù)成功的遺留問題。CoFR過程的最后一個評審是ISS項目運行控制準(zhǔn)備就緒(SORR，Stage Operations Readiness Review)評審，一般在發(fā)射前2到3.5周之間進行，目的是確定整個飛行任務(wù)是否具備發(fā)射和飛行狀態(tài)。

3.2.4 硬件進場

硬件進場是研制過程中的一個里程碑事件。PD負(fù)責(zé)在指定的時間內(nèi)將硬件運輸至指定地點，運抵后進行技術(shù)狀態(tài)檢查和集成至待發(fā)射的航天器上。一般在技術(shù)狀態(tài)檢查前2周進行轉(zhuǎn)運。

3.3 工程集成過程

3.3.1 產(chǎn)品研制

根據(jù)接口要求文件和接口控制文件的要求，PD研制有效載荷并確保其接口設(shè)計和驗證滿足ISS項目的要求。

在產(chǎn)品研制過程中，ISS特別重視有效載荷安全性的控制。一旦對候選載荷提出安全性要求，在整個有效載荷集成過程中，該載荷共需要進行4 個階段的安全性評審［1，10］:概念設(shè)計階段的0階段安全性評審定義危險源;概要設(shè)計階段I階段的安全性評審則通過初步驗證優(yōu)化危險源定義和危險控制;詳細(xì)設(shè)計階段II階段的安全性評審識別設(shè)計更改、新的危險源和控制措施，并確定安全性驗證方法;在運輸至發(fā)射場前，進行III階段的安全性評審?fù)瓿砂踩则炞C，這次評審必須在轉(zhuǎn)運前30天完成。

地面系統(tǒng)安全性評審與飛行產(chǎn)品安全性評審?fù)竭M行，明顯的區(qū)別是地面系統(tǒng)評審一般只需要進行一次函評。PD負(fù)責(zé)地面處理過程中其自己系統(tǒng)和人員的安全，同時不影響其他載荷、航天器和發(fā)射場設(shè)施和人員的安全。

3.3.2 載荷運行指南及約束

有效載荷集成團隊通過分析有效載荷技術(shù)數(shù)據(jù)，形成有效載荷運行控制指南和約束報告，明確在軌運行期間有效載荷的控制規(guī)則和約束。

3.3.3 人因接口要求檢查

由專門的人因集成團隊通過必要的驗證活動確認(rèn)有效載荷是否滿足人因接口的相關(guān)要求。人因集成團隊有權(quán)察看所有與乘員接口要求相關(guān)的硬件和圖紙。

3.3.4 有效載荷標(biāo)識審批

有效載荷標(biāo)識的評估與檢查屬于人因活動的一部分。ISS有專門的有效載荷標(biāo)識審批團隊，該團隊確認(rèn)有效載荷的標(biāo)識是否滿足關(guān)于有效載荷標(biāo)識的要求，并通過與PD和航天員辦公室協(xié)調(diào)，確定乘員接口標(biāo)識，目的是標(biāo)準(zhǔn)化有效載荷標(biāo)識以確保航天員能夠更好的理解。

3.3.5 有效載荷噪聲控制

為了保證國際空間站內(nèi)部整體噪聲水平適宜航天員駐留，單個有效載荷的噪聲水平不能超過一定的限值。應(yīng)通過聲學(xué)實驗室進行必要的測試，以確保載荷的噪聲符合規(guī)定的水平。

3.4 軟件集成過程

PD在進行軟件開發(fā)時應(yīng)該充分考慮ISS研究設(shè)施的支持能力和載荷與航天員交互的程度。這兩個關(guān)鍵因素將影響軟件架構(gòu)的設(shè)計以及軟件集成的方式。ISS有效載荷頂層架構(gòu)主要有全自主、半自主、人機交互和僅作研究等模式［11，12］。全自主軟件在載荷加電后即進入工作狀態(tài)，自主運行，不需要任何地面或航天員的交互，采集的實驗數(shù)據(jù)在軌存儲，不需要在軌下傳至地面，待有效載荷返回地面后再做處理。全自主軟件必須設(shè)計成異常情況下自動停止運行模式。半自主軟件需要地面的干預(yù)。人機交互軟件必須在載荷上設(shè)計顯示面板，且顯示面板具有良好的可達(dá)性，也可以借助載荷所在研究設(shè)施的筆記本電腦或公用筆記本電腦來實現(xiàn)載荷的應(yīng)用。僅作研究的軟件不需要有專門的硬件，它可以上載至站上已有的計算機內(nèi)，通過自主、半自主或航天員參與的方式運行，地面運控人員可以從在軌的筆記本電腦中將相應(yīng)的文件下行到地面。

3.5 有效載荷運控集成過程

載荷運控集成［12，13］的概念是為了確保有效載荷和航天器在軌運控順利實施而開展相應(yīng)運控產(chǎn)品和程序的開發(fā)。在任務(wù)前24到30個月就應(yīng)開始有效載荷運控集成的工作，以確保航天員和地面運控人員能夠得到充分的培訓(xùn)，運控依據(jù)文件能夠及時準(zhǔn)備到位。

有效載荷運行中心(POIC，Payload Operations and Integration Center)地面系統(tǒng)向每個載荷提供遙控、遙測和科學(xué)數(shù)據(jù)分發(fā)、載荷健康狀態(tài)分發(fā)、任務(wù)規(guī)劃、航天員手冊、話音通信和載荷運控信息管理等服務(wù)，有效載荷運控中心可以遠(yuǎn)程接入。

3.5.1 航天員的培訓(xùn)

航天員培訓(xùn)的設(shè)計和實施是一項聯(lián)合工作，包括界面顯示、操作手冊、航天員培訓(xùn)和執(zhí)行計劃等，由有效載荷運控主管、PD、JSC航天員辦公室代表等多方共同對各有效載荷提出的航天員培訓(xùn)需求和航天員培訓(xùn)過程中的關(guān)鍵檢查點進行討論、確定，并最終達(dá)成一致。這些需求將作為培訓(xùn)者選擇、課程設(shè)置和進度安排的基礎(chǔ)。

3.5.2 飛控人員培訓(xùn)

在飛控任務(wù)中要定員定崗，并接受相應(yīng)的培訓(xùn)，包括對全體參試人員培訓(xùn)和 PD成員進行培訓(xùn)。

3.5.3 飛控文件的編制

在進行飛行控制工作準(zhǔn)備過程中，需要編制有效載荷在軌操作一覽表(OOS)、航天員操作手冊、地面控制程序、飛行準(zhǔn)則文件、有效載荷控制規(guī)則等多份飛控文件。

3.6 測試集成過程

如果載荷與ISS上其他設(shè)施(載荷實驗柜或外部載荷設(shè)施)存在接口，發(fā)射前需進行集成和接口測試［1］，主要目的是保證ISS和載荷之間的兼容性以及驗證與其它載荷的聯(lián)合運控。載荷的集成測試在模擬站上實驗柜或研究設(shè)施的地面實驗柜或地面設(shè)施上進行。環(huán)境試驗在運抵集成測試中心前完成。

3.7 發(fā)射和著陸保障

射前的工作［1，14］包括射前計劃、離線準(zhǔn)備、載荷集成、測試和檢查、接口驗證測試和最后在發(fā)射塔架上臨射安裝。著陸后的工作主要是從航天器中取出返回設(shè)備。

根據(jù)載荷在發(fā)射場所需的生命科學(xué)處理級別，處理支持分成兩類。第一類是很少需要或者沒有生物科學(xué)處理的載荷，對于此類載荷的保障條件主要包括提供實驗室和辦公室、通用測試設(shè)備，酒精和清潔球等消耗品、轉(zhuǎn)運支持等。第二類是需要進行生物科學(xué)處理的載荷，對于此類載荷的保障條件主要包括提供實驗室和辦公室、消耗品，化學(xué)或生物毒性廢棄物的處理、設(shè)備溫度監(jiān)視和轉(zhuǎn)運支持等。

3.8 任務(wù)后報告

飛行實驗結(jié)束后，NASA要求各方進行多層面、分階段的總結(jié)，并提交總結(jié)報告［1］。需要從科學(xué)研究角度總結(jié)在任務(wù)期間研究實驗的完成情況、資源利用情況、實驗結(jié)果和投資回報評估等。該報告的目的是總結(jié)成功經(jīng)驗和偏離預(yù)期的情況，以便提高后續(xù)任務(wù)運控的能力。

3.8.1 經(jīng)驗總結(jié)

經(jīng)驗總結(jié)是總結(jié)整個任務(wù)中從研究規(guī)劃到應(yīng)用需求的集成和執(zhí)行過程中獲得的全部經(jīng)驗，既包括有效載荷研制又包括科學(xué)研究方面的，可以是正面的也可以是負(fù)面的，應(yīng)給出原因和建議。任務(wù)結(jié)束前2周，所有的PD應(yīng)開始編寫該總結(jié)報告。

3.8.2 航天員執(zhí)行情況交流

航天員執(zhí)行情況交流的目的是使首席科學(xué)家(PI)、硬件開發(fā)者、研究管理者、任務(wù)集成者、運控和科學(xué)研究團隊開展與航天員關(guān)于有效載荷在軌操作的討論，獲得航天員親身感受的第一手資料和有價值的反饋，以便為后續(xù)任務(wù)的航天員手冊、硬件和實驗方案進行改進設(shè)計。航天員反饋內(nèi)容包括科學(xué)觀測，航天員手冊/運控方案，硬件性能/設(shè)計，參與科學(xué)實驗分配的時間，航天員培訓(xùn)和運控支持等。正常情況下，與航天員的交流在航天員返回地面后15至45天內(nèi)進行。

3.8.3 30天科學(xué)報告

30天科學(xué)報告的目的是為ISS項目管理和國際合作科學(xué)管理者提供任務(wù)期間科學(xué)完成情況的初步報告。30天報告中的數(shù)據(jù)是初步的，不用包括任何數(shù)據(jù)分析。報告的內(nèi)容主要總結(jié)已經(jīng)完成的實驗和遺留未完成的實驗，實際運行情況與計劃的對比，實驗過程中發(fā)生的科學(xué)和工程問題等。

3.8.4 一年科學(xué)報告

一年科學(xué)報告的目的是匯報科學(xué)研究成果。該報告給出科學(xué)實驗數(shù)據(jù)分析的結(jié)果，包含公式、圖表、在軌圖片、新發(fā)現(xiàn)的討論、列出新發(fā)表的文章或?qū)＠?、提出未來研究的新問題和新想法，該報告一般在航天員返回地面后一年內(nèi)提交。

4 ISS有效載荷集成流程分析與啟示

通過對國際空間站有效載荷主要集成過程的研究可以看出，其有效載荷的集成過程有如下特點可供借鑒:

1)標(biāo)準(zhǔn)集成流程和精益集成流程提供36月研制周期和相對快速集成周期。ISS為不同成熟度的有效載荷和研究項目提供了不同集成流程。為具有成熟產(chǎn)品、對外交互較簡單的項目提供了快速入口，通過對入口準(zhǔn)則的控制可以使一些研究項目通過相對短期的過程而實現(xiàn)在軌飛行實驗。這種因地制宜、區(qū)別對待的做法，不但為科學(xué)家提供了更多的實驗機會，也在一定程度上節(jié)約了研究成本。

2)增設(shè)有效載荷集成經(jīng)理，架設(shè)有效載荷管理方、研制方和研究團隊之間的橋梁。PIM就是空間站項目管理方與PD和PI之間的橋梁和潤滑劑，使ISS對載荷的要求得到很好的貫徹，PD和PI的想法和需求得到良好的理解和實現(xiàn)，該崗位或組織的設(shè)立，是項目順利實施的關(guān)鍵。

3)強化全壽命周期管理。ISS認(rèn)為前期的投入能夠起到事半功倍的效果，所以集成重點前移，對前期的研究計劃的選擇、實驗?zāi)繕?biāo)和實驗需求及資源約束的確定、實施可行性評估等給予了重點審查和協(xié)調(diào)討論。另外，在科學(xué)實驗方案設(shè)計和有效載荷研制的過程中充分考慮在軌運控的實現(xiàn)和航天員參與的設(shè)計，確保了地面運控人員和航天員對在軌實驗項目具備充分的了解。

4)高度重視研究集成，與工程集成分別管理。在工程集成的各階段，均有所體現(xiàn)，如發(fā)射場測試區(qū)和發(fā)射區(qū)均設(shè)置有科學(xué)實驗室，配置有常用的實驗室設(shè)備。

5)對空間研究實驗進行充分的總結(jié)，使PI和PD能夠充分與參與其實驗的航天員進行溝通，督促PI在飛行實驗后積極開展科學(xué)實驗結(jié)果的分析和提出新的實驗想法，從而能夠獲取重大科技成果和應(yīng)用效益。這種做法不但有效指導(dǎo)了后續(xù)任務(wù)，而且使科學(xué)實驗成果科學(xué)合理的呈現(xiàn)在公眾面前。

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