孫紀(jì)文 白照廣 王崇羽 程城 范東棟 寧金枝 孫李 馬磊 郝佳寧 竇毅芳

(航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094)

臺(tái)風(fēng)是極端天氣主要天氣氣候事件的一種[1-2]，其不但對(duì)降雨、溫度的影響巨大，甚至直接危害到人類的生命財(cái)產(chǎn)安全。

國(guó)內(nèi)外用于監(jiān)測(cè)風(fēng)場(chǎng)的衛(wèi)星已有許多，但主動(dòng)探測(cè)手段大多采用微波輻射計(jì)、散射計(jì)等，其缺點(diǎn)是衛(wèi)星規(guī)模大，質(zhì)量達(dá)數(shù)噸，成本昂貴，發(fā)射數(shù)量有限，嚴(yán)重制約了觀測(cè)時(shí)間分辨率的提高。隨著導(dǎo)航星座的完善與運(yùn)行，國(guó)外研究學(xué)者從全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)導(dǎo)航信號(hào)海面散射特性理論研究逐步發(fā)展到進(jìn)行岸基、機(jī)載試驗(yàn)驗(yàn)證，并于2003年首次利用英國(guó)災(zāi)害監(jiān)測(cè)星座(UK-DMC)衛(wèi)星開展了星載全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)反射信號(hào)測(cè)量(GNSS-R)試驗(yàn)[3]。這類衛(wèi)星只需要考慮接受海面反射的導(dǎo)航信號(hào)，無需龐大的發(fā)射設(shè)備和功率供給設(shè)施，故可以做的很小，只要幾十千克。2016美國(guó)成功部署了由8顆小衛(wèi)星(24 kg/顆)組成的熱帶風(fēng)暴探測(cè)星座(CYGNSS)[4]，目前已經(jīng)在風(fēng)場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域開展了大量應(yīng)用。中國(guó)科學(xué)院、清華大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中國(guó)空間技術(shù)研究院、上海航天技術(shù)研究院等多家單位開展了相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)和試驗(yàn)驗(yàn)證以及數(shù)據(jù)反演技術(shù)研究，已具有較好的技術(shù)基礎(chǔ)，具備了開展星載試驗(yàn)驗(yàn)證的條件，迫切需要通過在軌演示驗(yàn)證。航天東方紅衛(wèi)星有限公司(簡(jiǎn)稱東方紅公司)聯(lián)合西安空間無線電技術(shù)研究所開展了基于GNSS-R遙感應(yīng)用的衛(wèi)星總體技術(shù)研究。

2019年6月5日12時(shí)06分，捕風(fēng)一號(hào)(BF-1)衛(wèi)星在中國(guó)東海海面上由長(zhǎng)征十一號(hào)固體火箭成功發(fā)射[5]。6月25日，衛(wèi)星在軌測(cè)試及軌控工作完成，至今在軌穩(wěn)定運(yùn)行2年多，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)在衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)探測(cè)海面風(fēng)場(chǎng)方面零的突破，有效彌補(bǔ)了其他氣象衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)探測(cè)的不足。同時(shí)作為我國(guó)首個(gè)海上發(fā)射任務(wù)的主載荷，也為海上發(fā)射衛(wèi)星研制標(biāo)準(zhǔn)的建立提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

本文從BF-1衛(wèi)星工程的任務(wù)需求入手，重點(diǎn)介紹了衛(wèi)星研制的管理模式，從隊(duì)伍組建、技術(shù)方案、研制流程、產(chǎn)品保證和計(jì)劃管理等方面描述了其研制管理的特點(diǎn)，總結(jié)了相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。

1 BF-1衛(wèi)星項(xiàng)目管理模式

衛(wèi)星項(xiàng)目管理有諸多要素，包括集成管理、范圍管理、進(jìn)度管理、產(chǎn)品保證、風(fēng)險(xiǎn)管理及組織隊(duì)伍建設(shè)等。傳統(tǒng)的衛(wèi)星項(xiàng)目管理均應(yīng)運(yùn)用現(xiàn)代項(xiàng)目管理理論，借鑒國(guó)內(nèi)外航天項(xiàng)目管理經(jīng)驗(yàn)，按照項(xiàng)目管理規(guī)范，以“保成功”為目標(biāo)，以人為本，以計(jì)劃為基礎(chǔ)，以控制為手段，全生命周期規(guī)劃，整體優(yōu)化，綜合協(xié)調(diào)，動(dòng)態(tài)管理[6-12]。

BF-1衛(wèi)星是我國(guó)首次基于GNSS-R技術(shù)進(jìn)行遙感的全新微納衛(wèi)星，技術(shù)難度大，研制團(tuán)隊(duì)還承擔(dān)了系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)、測(cè)控系統(tǒng)自主研發(fā)等工程總體方面的工作；為推進(jìn)衛(wèi)星應(yīng)用，還組織了衛(wèi)星運(yùn)控、地面數(shù)據(jù)處理等。尤其是要經(jīng)歷首次海上發(fā)射的考驗(yàn)，面臨許多新的要求、新的環(huán)境協(xié)調(diào)與處理。如此復(fù)雜的任務(wù)要求下，衛(wèi)星還要在1年多的時(shí)間完成研制、發(fā)射，研制管理涉及的方方面面與以往型號(hào)都有了很大不同。為此研制團(tuán)隊(duì)在項(xiàng)目管理中開展了新模式的探索，確保了型號(hào)如期發(fā)射，并在軌成功運(yùn)行。

1.1 多層次任務(wù)需求

需求定義是型號(hào)開始的首要工作，既要充分體現(xiàn)利益相關(guān)方的期望，又要考慮工程可實(shí)現(xiàn)性[13]。依據(jù)系統(tǒng)工程要求，BF-1衛(wèi)星的主要工程任務(wù)如下。

(1)工程總體：該衛(wèi)星項(xiàng)目沒有常規(guī)意義上的工程總體，需要自行承擔(dān)部分工程總體的職責(zé)。為配合實(shí)施首次海上發(fā)射，要與運(yùn)載火箭及海上發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)進(jìn)行充分地協(xié)調(diào)；還要組織BF-1衛(wèi)星與測(cè)控、運(yùn)控、數(shù)據(jù)接收與處理等系統(tǒng)的相關(guān)協(xié)調(diào)工作。

(2)衛(wèi)星系統(tǒng)：不僅僅是完成衛(wèi)星方案設(shè)計(jì)、投產(chǎn)2顆正樣衛(wèi)星和發(fā)射入軌后實(shí)施在軌測(cè)試，而且要配合用戶完成數(shù)據(jù)反演與業(yè)務(wù)試運(yùn)行。

(3)測(cè)控系統(tǒng)：衛(wèi)星項(xiàng)目自籌經(jīng)費(fèi)，沒有常規(guī)意義上的測(cè)控系統(tǒng)。東方紅公司需要自行組織建設(shè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，組織實(shí)施衛(wèi)星測(cè)控站配套建設(shè)、在軌測(cè)試與長(zhǎng)期任務(wù)管理。

(4)地面系統(tǒng)：擬打造“天地一體化交鑰匙工程”，東方紅公司需組織與用戶部門運(yùn)行控制、數(shù)據(jù)接收與處理接口協(xié)調(diào)，組織參加數(shù)據(jù)處理研究工作，建設(shè)實(shí)驗(yàn)性衛(wèi)星數(shù)據(jù)中心，實(shí)施管控。

1.2 功能性組織架構(gòu)

依據(jù)上述任務(wù)需求，需要與用戶深入交流，并組織開展數(shù)據(jù)處理相關(guān)工作，BF-1衛(wèi)星增加了衛(wèi)星應(yīng)用專項(xiàng)技術(shù)組，并設(shè)置了專職負(fù)責(zé)人；同樣的，為了進(jìn)行地面測(cè)控工程系統(tǒng)配置，包括選擇商業(yè)測(cè)控公司、開展整星測(cè)運(yùn)控規(guī)范設(shè)計(jì)與西安恒星公司測(cè)控站的接口設(shè)計(jì)等工作，增加了衛(wèi)星工程測(cè)控專項(xiàng)技術(shù)組，并設(shè)置了專職負(fù)責(zé)人。具體組織架構(gòu)如圖1所示。

圖1 捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星研制組織架構(gòu)

1.3 優(yōu)化的技術(shù)方案

衛(wèi)星軌道設(shè)計(jì)有如下兩方面因素：一方面考慮到臺(tái)風(fēng)一般靠近低緯度地區(qū)，故選擇低傾角以增加對(duì)風(fēng)場(chǎng)的遙感概率；另一方面為了充分利用海上發(fā)射傾角不受限的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)過綜合優(yōu)化分析提出的。

衛(wèi)星技術(shù)方案依托CAST100微納衛(wèi)星平臺(tái)相關(guān)技術(shù)和規(guī)范。載荷具備接收天上導(dǎo)航信號(hào)，同時(shí)接收海面4波束導(dǎo)航反射信號(hào)；數(shù)傳為X頻段體制；衛(wèi)星測(cè)控基于新型X頻段，也為后續(xù)商業(yè)衛(wèi)星開辟新手段；姿控為偏置動(dòng)量控制；供配電采用砷化鎵太陽電池與鋰離子蓄電池組組合供電方案；熱控以被動(dòng)為主輔以主動(dòng)方式；星務(wù)為集成化電子系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)為桁架方式；太陽翼為可展開式方案；星上產(chǎn)品選用立足已經(jīng)過飛行考驗(yàn)的貨架產(chǎn)品。載荷等新產(chǎn)品在經(jīng)過航空校飛過的產(chǎn)品基礎(chǔ)上適應(yīng)性改進(jìn)，確保技術(shù)性能滿足任務(wù)要求。

針對(duì)星箭組合體躺倒運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)模式，增強(qiáng)了衛(wèi)星橫向放置動(dòng)靜力學(xué)分析，確保了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可行。針對(duì)推進(jìn)劑鐵路、公路運(yùn)輸許可問題，通過選用與運(yùn)載推進(jìn)劑一致的方案得到解決。

1.4 嚴(yán)格的研制流程

雖然衛(wèi)星存在許多新技術(shù)、新工作，但基于進(jìn)度等要求，衛(wèi)星的研制流程按照方案設(shè)計(jì)和正樣研制兩個(gè)階段安排工作。

方案階段策劃了9大工作項(xiàng)目，重點(diǎn)開展了仿真分析工作以確認(rèn)衛(wèi)星方案的可行性、正確性。此外，還對(duì)難、新分系統(tǒng)產(chǎn)品，開展了電性實(shí)物驗(yàn)證。表1列出了從力學(xué)、熱控、姿軌控、射頻輻射、載荷及空間環(huán)境等各個(gè)方面建立的衛(wèi)星系統(tǒng)仿真模型。

表1 仿真與模型

衛(wèi)星正樣階段安排了33個(gè)工作項(xiàng)目，雙星采用并行總裝、測(cè)試和試驗(yàn)，制定了測(cè)試大綱和細(xì)則，完成了工廠測(cè)試(有線測(cè)試、無線測(cè)試、模飛等)、電磁兼容性(EMC)試驗(yàn)、整星力學(xué)試驗(yàn)、軟件固化后回歸測(cè)試、整星真空熱試驗(yàn)、磁試驗(yàn)、老煉測(cè)試(模飛、覆蓋發(fā)射場(chǎng)測(cè)試項(xiàng)目)等環(huán)節(jié)的整星電性能測(cè)試。出廠前BF-1A衛(wèi)星累計(jì)加電時(shí)間達(dá)到540 h、BF-1B衛(wèi)星累計(jì)加電時(shí)間達(dá)到520 h，并確保了最后100 h無故障。

此次衛(wèi)星進(jìn)場(chǎng)采用星箭組合體鐵路、公路運(yùn)輸進(jìn)場(chǎng)方式。衛(wèi)星需要完成所有星上操作，包括衛(wèi)星燃料加注，為此提前組織了加注演練。

1.5 周密的產(chǎn)品保證

研制團(tuán)隊(duì)按照規(guī)范要求，結(jié)合BF-1衛(wèi)星首次海上發(fā)射、首次在軌驗(yàn)證GNSS-R技術(shù)等特點(diǎn)，制定了詳細(xì)的產(chǎn)品保證計(jì)劃，包含圖2所示的15個(gè)工作項(xiàng)目，并在型號(hào)研制與發(fā)射全過程嚴(yán)格執(zhí)行。特別在方案驗(yàn)證階段開展了有效的產(chǎn)品保證工作，確保了正樣雙星沒有出現(xiàn)重大技術(shù)與管理問題。

注：EEE為電氣、電子和機(jī)電，AIT為總裝、測(cè)試與試驗(yàn)。

1.6 動(dòng)態(tài)的計(jì)劃管理

BF-1衛(wèi)星研制進(jìn)度極其緊張，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)在面向衛(wèi)星工程策劃到位的基礎(chǔ)上，做到了精細(xì)計(jì)劃、精準(zhǔn)管理，確保了研制進(jìn)度可控。按照計(jì)劃流程要求，根據(jù)衛(wèi)星技術(shù)流程，進(jìn)行了工作項(xiàng)目分解(WBS)，制定了衛(wèi)星計(jì)劃流程，識(shí)別了載荷設(shè)備、數(shù)傳設(shè)備及測(cè)控設(shè)備為關(guān)鍵路徑，一般項(xiàng)目到日，關(guān)鍵路徑策劃到了小時(shí)(見圖3)。

圖3 衛(wèi)星研制關(guān)鍵路徑

型號(hào)研制中，堅(jiān)持周項(xiàng)目例會(huì)制度，共計(jì)約進(jìn)行了50余次，及時(shí)了解、溝通各單位研制進(jìn)展信息，對(duì)需要的條件保障、人員資源等進(jìn)行梳理落實(shí)。在型號(hào)初期，按月召開技術(shù)會(huì)議，做到定期及時(shí)梳理技術(shù)問題，并協(xié)調(diào)解決策略。

技術(shù)負(fù)責(zé)人、調(diào)度和產(chǎn)品保證人員每天在衛(wèi)星總裝與測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)辦公，進(jìn)行調(diào)度、協(xié)調(diào)與資源保障。

在每個(gè)大項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)束后，及時(shí)開展分析與總結(jié)，確保對(duì)衛(wèi)星狀態(tài)的最終確定，減少對(duì)后續(xù)工作的影響。

正是在全體參研人員的共同努力下，實(shí)現(xiàn)了18個(gè)月完成研制兩顆全新的衛(wèi)星并進(jìn)行出廠發(fā)射的高難度目標(biāo)。

1.7 充分的飛控安排

BF-1衛(wèi)星的飛控工作包括發(fā)射前測(cè)試和衛(wèi)星入軌后在軌測(cè)試。發(fā)射前測(cè)試主要是星箭組合體轉(zhuǎn)運(yùn)上船前在岸邊場(chǎng)區(qū)的測(cè)試，此時(shí)衛(wèi)星水平狀態(tài)處于運(yùn)載整流罩內(nèi)。由于不能直接觸碰衛(wèi)星，測(cè)試主要通過脫落插頭引出的衛(wèi)星電信號(hào)進(jìn)行。測(cè)試目的一是確認(rèn)衛(wèi)星處于完好狀態(tài)，二是給蓄電池組充電。上船后衛(wèi)星不再加電，直到發(fā)射后星箭分離。

在軌測(cè)試按照新型衛(wèi)星的試驗(yàn)特性，重點(diǎn)安排了較長(zhǎng)時(shí)間的載荷性能測(cè)試。其后配合用戶開展了風(fēng)場(chǎng)精度評(píng)估，檢驗(yàn)對(duì)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的支撐能力(見圖4)。

注：DDM為延時(shí)多普勒?qǐng)D，NBRCS為歸一化雙基雷達(dá)散射截面系數(shù)，LNA為低噪聲放大器，EIRP為等效全向輻射功率。

1.8 有效的風(fēng)險(xiǎn)控制

按照風(fēng)險(xiǎn)管控要求對(duì)BF-1衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)從海上發(fā)射的新要求、4個(gè)關(guān)鍵分系統(tǒng)、關(guān)鍵特性、單點(diǎn)失效等方面進(jìn)行了識(shí)別，梳理出系統(tǒng)級(jí)5項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，制定了相應(yīng)的控制措施(見圖5)。

圖5 捕風(fēng)一號(hào)衛(wèi)星風(fēng)險(xiǎn)控制項(xiàng)目

尤其海上發(fā)射就包含3大風(fēng)險(xiǎn)，體現(xiàn)了首次海上發(fā)射的特殊性。實(shí)際管控中，新流程方面涉及衛(wèi)星加注工作的安排、星箭組合體聯(lián)合操作與星箭鐵路、公路運(yùn)輸新要求，都充分反映在衛(wèi)星研制方案與流程設(shè)計(jì)中(見表2)。

表2 風(fēng)險(xiǎn)控制策略

2 經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

通過BF-1衛(wèi)星的研制，總結(jié)出如下經(jīng)驗(yàn)。

1)集約是集成管理最有效的手段

BF-1衛(wèi)星任務(wù)分工模式上考慮了專業(yè)優(yōu)勢(shì)單位和參研單位數(shù)量最少化，從而實(shí)現(xiàn)了集約化管理，具體如下。

(1)將衛(wèi)星設(shè)計(jì)工作主要集中在東方紅公司有關(guān)實(shí)體部門、西安空間無線電技術(shù)研究所和山東航天電子技術(shù)研究所，其它分系統(tǒng)采用成熟的貨架產(chǎn)品。

(2)東方紅公司負(fù)責(zé)工程總體相關(guān)組織管理、衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)、整星AIT相關(guān)工作外，還負(fù)責(zé)結(jié)構(gòu)與機(jī)構(gòu)、熱控、星務(wù)管理、供配電、測(cè)控等設(shè)計(jì)工作。

(3)將衛(wèi)星不同分系統(tǒng)射頻設(shè)備集中在一家優(yōu)勢(shì)單位，選擇了西安空間無線電技術(shù)研究所研制有效載荷、數(shù)傳、測(cè)控設(shè)備，一方面可利用其前期研制的技術(shù)儲(chǔ)備優(yōu)勢(shì)，另外也有利于設(shè)備EMC統(tǒng)籌設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。特別是這些都屬于計(jì)劃的關(guān)鍵路徑，有利于其統(tǒng)籌計(jì)劃管理。

(4)將星上信息處理的電子設(shè)備統(tǒng)籌到山東航天電子技術(shù)研究所，有利于所有低頻信號(hào)設(shè)備的協(xié)同工作，從而縮減了研制單位數(shù)量。

2)北斗信號(hào)相對(duì)于GPS信號(hào)有更高的遙感分辨率

BF-1衛(wèi)星設(shè)計(jì)導(dǎo)航頻段時(shí)主要考慮擁有全球?qū)Ш侥芰Φ腉PS信號(hào)。考慮到我國(guó)北斗衛(wèi)星全球?qū)Ш较到y(tǒng)已建成，在接受GPS信號(hào)同時(shí)，設(shè)計(jì)了北斗信號(hào)試驗(yàn)?zāi)Ｊ?。通過分析，確認(rèn)北斗信號(hào)具備頻帶寬度優(yōu)勢(shì)，相對(duì)GPS有更好的空間分辨率。因此后續(xù)GNSS-R技術(shù)類衛(wèi)星可以考慮以北斗信號(hào)為主。

3)關(guān)注星箭組合體轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)的外部環(huán)境

在星箭組合體從岸邊場(chǎng)區(qū)向發(fā)射船上吊裝的過程中，剛好遇上了降雨，外界濕度達(dá)到飽和。此時(shí)火箭整流罩空調(diào)已斷電，操作時(shí)長(zhǎng)接近了衛(wèi)星要求的臨界值。事后立即對(duì)罩內(nèi)空調(diào)進(jìn)行了恢復(fù)，經(jīng)測(cè)試濕度指標(biāo)已超過≤60%的要求。后續(xù)海上發(fā)射要關(guān)注轉(zhuǎn)運(yùn)上船時(shí)的氣象預(yù)報(bào)，及時(shí)進(jìn)行工作流程的優(yōu)化。

4)衛(wèi)星載荷性能測(cè)試離不開基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的支撐

遙感衛(wèi)星要實(shí)現(xiàn)更高精度，離不開載荷的在軌定標(biāo)，而定標(biāo)就需要有基準(zhǔn)數(shù)據(jù)做支撐。GNSS-R數(shù)據(jù)標(biāo)校一方面能利用國(guó)際上的海上浮標(biāo)數(shù)據(jù)，另一方面就是使用歐洲的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)信息(數(shù)據(jù)非常有限)。浮標(biāo)數(shù)據(jù)有限，一般靠近赤道，很難有高速風(fēng)段數(shù)據(jù)。導(dǎo)航信號(hào)基于L頻段，原本相對(duì)散射計(jì)的更高頻率擁有更高風(fēng)速的觀測(cè)能力，但由于無高風(fēng)速的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐，難以實(shí)現(xiàn)高風(fēng)速測(cè)量精度的測(cè)定。后續(xù)應(yīng)多收集和積累相關(guān)的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

5)導(dǎo)航信號(hào)關(guān)聯(lián)測(cè)量有利于提高遙感精度

在BF-1衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理的過程中發(fā)現(xiàn)，GPS衛(wèi)星在全球各個(gè)地區(qū)發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度有差異，這種差異足以影響GNSS-R技術(shù)類衛(wèi)星的測(cè)試精度?？陀^上，導(dǎo)航衛(wèi)星長(zhǎng)期運(yùn)行后，其信號(hào)總是要有一些退化或調(diào)整，因此GNSS-R技術(shù)類衛(wèi)星如果能與導(dǎo)航衛(wèi)星關(guān)聯(lián)測(cè)量，無疑有利于測(cè)量精度的保證。

3 結(jié)束語

BF-1衛(wèi)星的研制成功，是我國(guó)星載GNSS-R關(guān)鍵技術(shù)的突破，也開啟了我國(guó)海上發(fā)射衛(wèi)星的先河。面對(duì)多層次任務(wù)需求，BF-1衛(wèi)星將項(xiàng)目管理理論與航天器研制特點(diǎn)相結(jié)合，突破了現(xiàn)有的衛(wèi)星研制管理模式，實(shí)現(xiàn)了“衛(wèi)星上天、數(shù)據(jù)落地、測(cè)試試用”的工程目標(biāo)?；贐F-1衛(wèi)星的研制管理模式，可快速、高效地開展后續(xù)星座的研發(fā)工作，拓展組網(wǎng)規(guī)模，提升觀測(cè)效率，實(shí)現(xiàn)全球小時(shí)級(jí)的區(qū)域重訪，為氣象等行業(yè)提供準(zhǔn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息。同時(shí)，也可為后續(xù)此類衛(wèi)星項(xiàng)目的研制管理以及海上發(fā)射衛(wèi)星研制標(biāo)準(zhǔn)的建立，提供參考方案。