李 瑭，張國亭，萬 鵬

（北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094）

1 引言

2022 年11 月，中國空間站T 字型三艙組合體建成，標志著太空實驗室投入使用。空間站面臨長達10 年以上在軌運營，長期在軌期間需要開展大量的在軌活動，包括航天員輪換、出艙活動、軌道維持、載荷實驗與應用等，具有飛行事件密集、參與單位眾多、協(xié)同關系復雜等特點，需統(tǒng)一進行事件規(guī)劃和航天器平臺運行管理和控制、載荷管理和控制、航天員支持保障等，即進行運行控制。

在空間實驗室甚至更早的載人航天任務中，任務準備時間長、任務實施周期短，采用集中式飛行控制組織模式，航天員、航天器、空間應用等各相關系統(tǒng)人員在航天飛行控制中心集中執(zhí)行飛控任務［1］，監(jiān)測相關狀態(tài)，討論控制策略，確認控制數(shù)據(jù)，協(xié)商解決問題，較好地保證了飛控任務的可靠性和安全性。

空間站作為有人在軌的大型系統(tǒng)工程，任務周期長、發(fā)射返回頻度高、任務狀態(tài)更動頻繁，運行控制實施和發(fā)射、返回、航天員出艙等任務準備長期并行，對運行控制的可靠性、安全性和實施效率均提出了更高要求，運行控制工作面臨前所未有的挑戰(zhàn)和壓力。原有全程集中式工作模式難以適應空間站長期有人在軌的任務特點，需要在確保安全、可靠的前提下，探索更為高效、靈活的運行控制模式。

本文以中國空間站高效、可靠、安全運行管理的需求為導向，提出了以5 類中心（運行控制中心、航天員中心、航天器中心、載荷中心、規(guī)劃中心）為主體，具備容災備份能力和碎片預警能力的分布式運行控制體系。主要內容包括國際空間站運行控制模式、中國空間站分布式運行控制總體思路和體系架構、分布式運行控制系統(tǒng)工作模式和發(fā)展重點。

2 國際空間站運行控制模式

參與國際空間站運行控制工作的任務中心主要有7 個，采用分布式結構［2］。實施過程中，相關任務中心聯(lián)合對空間站進行運行控制操作。

1）約翰遜航天中心。位于美國休斯敦，負責整個國際空間站的操作和安全運行，以及所有NASA 組件的發(fā)射、對接和組裝。

2）有效載荷綜合操作中心。位于美國亨茨維爾的馬歇爾航天中心，負責協(xié)調所有NASA 有效載荷的操作、規(guī)劃和安全。

3）莫斯科飛行控制中心。位于俄羅斯莫斯科，負責俄羅斯組件的發(fā)射、對接和組裝，并負責NASA 在拜科努爾發(fā)射場的發(fā)射任務。

4）哥倫布實驗艙控制中心。位于德國奧伯法芬霍芬，負責控制歐空局哥倫布實驗艙，監(jiān)測、控制哥倫布號實驗艙的技術系統(tǒng)以及有效載荷；提供和操作配套的互聯(lián)地面子網(wǎng)；協(xié)調國際空間站上的歐洲有效載荷的操作［3］。

5）自動轉移飛行器（Automatic Transfer of Aircraft，簡稱ATV）控制中心。位于法國圖盧茲，負責控制歐空局的貨運飛行器。

6）日本筑波宇宙中心。主要負責控制日本的H-2 轉移飛行器（H-2 Transfer Vehicle，簡稱HTV），并為日本空間實驗艙運行和空間實驗提供支持。

7）移動服務系統(tǒng)操作中心。位于加拿大的魁北克，負責監(jiān)測空間站上的機械臂。

7 個中心按照分布式架構密切協(xié)同，共同完成國際空間站運行控制工作。其中，約翰遜航天中心最為重要，負責協(xié)調空間站的所有活動，統(tǒng)一集成平臺+載荷的飛控需求和在軌服務規(guī)劃［4］，定期制訂綜合性的飛行控制計劃，其他控制中心發(fā)往空間站的指令均由該中心審核并統(tǒng)一發(fā)送。其他中心負責監(jiān)測所屬產(chǎn)品的狀態(tài)和處置產(chǎn)品故障，并在整個運行控制過程中提供技術支持。

國際空間站運行控制工作具備較強的的容災備份能力。在運行期間，約翰遜航天中心對空間站的運行具有全部權力［5］，約翰遜航天中心和莫斯科飛行控制中心對其各自的艙段提供飛行控制。如果需要，在應急狀態(tài)下，雙方還有互為控制中心備份的能力。每個中心均配備有另一個中心的應急支持團隊，一旦一方的控制中心遭受災難，另一方將接管空間站的控制［6］。

3 中國空間站運行控制總體考慮

3.1 總體思路

為充分發(fā)揮載人航天各方力量優(yōu)勢，在確保航天員、航天器安全和飛控任務可靠實施的前提下，本文提出優(yōu)化一種模式、建好一個平臺、形成新型機制的總體思路，逐步實現(xiàn)任務高效準備、長期自動運行，現(xiàn)場少人值班、遠程有機聯(lián)動，以適應空間站任務有人長期在軌和高頻度發(fā)射返回的形勢。

優(yōu)化集中與分布相結合的運行控制模式，在發(fā)射與早期軌道段、部分關鍵任務段采用適當集中+分布式的技術支持模式；長期運行段采用分布式聯(lián)合運行控制模式。建好分布式運行控制平臺，統(tǒng)一運控信息呈現(xiàn)、進程監(jiān)控、數(shù)據(jù)共享、聯(lián)合確認等。建立高效可靠的運行控制組織管理體系與遠程會商、決策指揮機制，支撐早期集中、長期分散的新模式。

此外，在運行控制體系長期執(zhí)行空間站任務的場景下，為了規(guī)避部分節(jié)點遭受意外災害導致系統(tǒng)癱瘓的風險，在其他地區(qū)的備份系統(tǒng)應具有盡快恢復能力，接續(xù)對在軌空間站提供運行控制支持。

3.2 體系架構

中國空間站運行控制體系按照業(yè)務類別劃分，同一類業(yè)務在同一個中心集中統(tǒng)一管理，不同類業(yè)務分別由不同中心管理。該體系由彼此聯(lián)系、職能相對獨立的5 類中心組成，如圖1 所示。

圖1 分布式運行控制體系架構Fig.1 Architecture of the distributed operation control mode

1）規(guī)劃中心負責制定中長期任務規(guī)劃，以及包含航天員、有效載荷、空間站平臺等在軌活動的月事件計劃；

2）運行控制中心負責運行控制任務的組織指揮和統(tǒng)一調度，組織制定飛控實施計劃，監(jiān)測、控制空間站在軌運行狀態(tài)，負責航天器軌道控制和姿態(tài)模式控制；

3）航天員中心負責航天員在軌活動支持、健康狀態(tài)監(jiān)測等；

4）航天器中心負責空間站、載人飛船、貨運飛船等載人航天器在軌支持，對平臺運行狀態(tài)進行評估和預警；

5）載荷中心對空間應用資源進行統(tǒng)一管理，負責實驗操作，監(jiān)測載荷實驗與在軌應用基本狀態(tài)。

此外，在體系架構設計時，還需要考慮以下方面問題：

1）容災備份問題。容災備份問題不容忽視，應在異地設立空間站運行控制的備份體系，形成以分布式為特征并具有容災備份能力的空間站運行控制體系。

2）狀態(tài)驗證問題?？紤]到空間站長期有人在軌，技術狀態(tài)更動頻繁，將數(shù)字空間站納入分布式運行控制體系，能夠協(xié)助各職能中心先期開展機械臂轉位、出艙活動、推進劑補加等關鍵事件驗證和故障處置對策驗證，為關鍵任務實施和應急處置提供有力支撐。

3）安全運行問題?？臻g站運行的軌道空間存在大量空間碎片或其他航天器，需要將空間碎片碰撞預警機構納入運行控制體系，建立碎片預警和規(guī)避能力，確?？臻g站和航天員在軌安全。

4 運行控制工作模式

4.1 不同任務階段運行控制模式

空間站任務階段包括關鍵任務段和長期運行段，擬采用集中式和分布式相結合的聯(lián)合運行控制模式。關鍵任務段采用人員適當集中+分布式技術支持的新型集中式運行控制模式，長期運行段采用分布式聯(lián)合運行控制模式。其中，關鍵任務段是指發(fā)射返回、交會對接、航天員出艙活動等。

關鍵任務段運行控制模式的核心為精簡現(xiàn)場集中、強化遠程支持、高效組織實施。實施要點如下：①骨干人員現(xiàn)場集中，確保安全。各相關系統(tǒng)派駐必需的指揮決策和關鍵崗位技術負責人，組成精干的試驗隊，在現(xiàn)場參與重大決策和應急處置；在重要控制事件實施前，集中組織會議進行研究決策，確保關鍵飛控任務安全、可靠實施。②充分發(fā)揮各支持中心作用，高效聯(lián)動。各相關單位專家團隊、技術骨干分別位于航天員中心、航天器中心、有效載荷運行管理中心，充分利用分布式運行控制環(huán)境在后方提供狀態(tài)監(jiān)測、注入會簽、遠程會商等必要的技術支持，有機聯(lián)動，形成合力。

長期運行段運行控制模式的核心為現(xiàn)場少人值班、狀態(tài)定期評估、控制遠程復核、異常自動告警、預案遠程會簽。實施要點如下：①分布式協(xié)同飛控。各大系統(tǒng)利用分布式飛控環(huán)境完成遠程會簽確認和決策會商等工作，也可以派少量人員在運行控制中心輪流值班；運行控制中心現(xiàn)場僅保留少量值班人員，與各中心遠程協(xié)同飛控。同時，在運行控制中心建設新型綜合態(tài)勢系統(tǒng)，實現(xiàn)值班員快速認知、全面掌握空間站運行狀態(tài)、工作計劃、任務進程等。此外，當信息安全保障條件具備時，發(fā)展移動飛控終端，將分布式飛控進一步延伸為遠程、移動式?jīng)Q策支持，更好地適應突發(fā)事件。②自動運行，快速應急。運行控制中心任務系統(tǒng)采用自動運行的方式，自動判斷飛行狀態(tài)異常并自動告警，原則上自動從故障預案數(shù)據(jù)庫中調用處置程序，經(jīng)由運行控制中心與相關中心遠程方式確認后，實施處置。③遠程會商，高效決策。針對常規(guī)控制不再采用現(xiàn)場會議決策方式，根據(jù)規(guī)則獨立自動化實施；對重要控制事件，由運行控制中心和其他中心利用分布式飛控環(huán)境對相關控制參數(shù)進行遠程復核和會簽。

4.2 分布式運行控制業(yè)務實施流程

分布式模式下的各運行控制業(yè)務流程如下：

1）飛控實施計劃制定與實施。運行控制中心根據(jù)規(guī)劃中心確定的月事件計劃，組織各相關支持中心，通過分布式運行控制系統(tǒng)協(xié)同完成飛控實施計劃制定，并發(fā)送各支持中心作為工作實施的基本遵循。

2）航天器及在軌航天員飛行狀態(tài)監(jiān)測與控制。包括：①任務狀態(tài)監(jiān)測。運行控制中心監(jiān)測航天器平臺狀態(tài)，航天器中心同步監(jiān)測航天器平臺狀態(tài)，并利用航天器健康管理系統(tǒng)進行狀態(tài)評估和故障診斷等；載荷中心監(jiān)測有效載荷的飛行狀態(tài)，航天員中心監(jiān)測航天員在軌狀態(tài)。②上行控制。運行控制中心按照飛控實施計劃進行上行控制，發(fā)送相關指令和注入數(shù)據(jù)。任務中使用的上行數(shù)據(jù)核校與會簽由運行控制中心組織，采用運行控制中心向各支持中心部署的分布式數(shù)據(jù)核校與會簽系統(tǒng)完成。注入數(shù)據(jù)會簽程序均由運行控制中心發(fā)起，相關方飛控人員采用本系統(tǒng)的專用軟件完成核校后提交結果。③決策會商。任務中通過分布式協(xié)同會商系統(tǒng)進行決策會商，監(jiān)測控制相關的重要試驗文書通過運行控制中心統(tǒng)一部署的分布式?jīng)Q策軟件進行傳遞。

3）有效載荷飛行控制。載荷中心負責有效載荷狀態(tài)監(jiān)視與控制工作，按照飛控實施計劃生成上行控制數(shù)據(jù)或控制指令代號，并發(fā)送至運行控制中心，運行控制中心進行控制數(shù)據(jù)組幀，并通過分布式注入數(shù)據(jù)會簽軟件組織有效載荷中心、航天器中心等會簽后向空間站發(fā)送。

4）航天員在軌支持。航天員在軌工作由運行控制中心統(tǒng)一指揮，專業(yè)支持和航天員生理支持由航天員、航天器、有效載荷等相關中心經(jīng)由運行控制中心進行。

4.3 運行控制體系容災備份模式

主中心和災備中心的工作模式如下：

1）系統(tǒng)運行模式。容災需求主要包括功能需求、性能需求和數(shù)據(jù)需求［7］。在發(fā)射返回、交會對接等關鍵任務段，異地災備中心以熱備份方式運行，即與主中心同步運行，但不進行任務控制相關工作；在長期運行段，異地災備中心以冷備份方式運行，不進行任務控制，不進行數(shù)據(jù)處理。

2）數(shù)據(jù)同步模式。天地基測控網(wǎng)的數(shù)據(jù)同時向運行控制主中心和災備中心發(fā)送，運行控制主中心產(chǎn)生的規(guī)劃計劃等信息定期向災備中心備份，保持2 個中心數(shù)據(jù)同步；災備中心不向天地基測控網(wǎng)發(fā)送控制數(shù)據(jù)。主中心遭受災害切換后，由災備中心向天地基測控網(wǎng)發(fā)送控制數(shù)據(jù)，天地基測控網(wǎng)切換接收數(shù)據(jù)方向。

3）狀態(tài)同步模式。主中心定期向災備中心同步控制執(zhí)行等情況，2 個中心軟件同步升級，確保災備中心與主中心技術狀態(tài)同步。

4.4 分布式運行控制系統(tǒng)發(fā)展重點

分布式運行控制系統(tǒng)重點發(fā)展建設的內容如下：

1）分布式運行控制平臺。建立連接運行控制中心和各相關中心的具有統(tǒng)一架構的分布式運行控制平臺（圖2），提供指顯頁面共享、聯(lián)合任務規(guī)劃、注入數(shù)據(jù)會簽、遠程數(shù)據(jù)查詢、發(fā)令／郵件發(fā)送／網(wǎng)絡數(shù)據(jù)發(fā)送／天地通話申請等業(yè)務，提供遠程決策會商等手段，能夠充分發(fā)揮航天器、航天員等各系統(tǒng)支持力量，聯(lián)動開展日常飛控工作，是長期可持續(xù)、可靠遂行空間站運行管理任務的良好途徑。分布式運行控制平臺由分布式監(jiān)控顯示、分布式任務規(guī)劃、分布式數(shù)據(jù)會簽、分布式?jīng)Q策支持等主要模塊組成，具體如下：①分布式監(jiān)控顯示模塊。運行控制中心向各相關中心推送分布式監(jiān)控顯示數(shù)據(jù)產(chǎn)品，包括遙測數(shù)據(jù)、軌道、控制、預報、計劃、航天器綜合狀態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)品、運控配置文件等數(shù)據(jù)或文件。②分布式任務規(guī)劃模塊。運行控制中心與其他4 個中心間傳遞飛控需求申請（遙控指令、注入數(shù)據(jù)等）、平臺可用資源、航天員人時可用資源、測控可用資源等，明確飛控事件對應的月事件。③分布式數(shù)據(jù)會簽模塊。能夠根據(jù)相關計劃自主調度啟動數(shù)據(jù)會簽功能，向相關人員推送會簽流程啟動信息，數(shù)據(jù)生成相關輸入齊備后，由系統(tǒng)調度注入生成功能，自動完成數(shù)據(jù)生成與校核，參試單位通過分布式任務系統(tǒng)軟件進行遠程核校，并完成會簽流程，會簽結果返回運行控制中心進行實施。④分布式?jīng)Q策支持模塊。將任務規(guī)劃結果、航天器重要狀態(tài)信息報告、運控支持材料等重要實施文書發(fā)送至相關單位，輔助進行遠程決策，完成會簽、審核及確認工作。

圖2 分布式運行控制平臺Fig.2 The distributed operation control platform

2）容災備份系統(tǒng)。在異地建設運行控制體系的容災備份系統(tǒng)，要求硬件配置規(guī)模適當，功能上可與主系統(tǒng)對等，或在滿足基本運行控制需要的前提下適當簡化，最為重要的是要具備狀態(tài)同步功能，保證與主系統(tǒng)協(xié)調匹配工作。

3）航天器健康管理系統(tǒng)。建立航天器健康管理系統(tǒng)，為運行控制提供航天器狀態(tài)評估、異常分析、故障診斷、維修維護等技術支持，各相關中心可實時訪問航天器歷史數(shù)據(jù)、故障與預案數(shù)據(jù)庫等。

5 國內外情況對比

國際空間站的運行控制體系由7 個中心組成，各中心的職能劃分主要是出于國際合作的需要，并非按照不同類別業(yè)務進行分布式管理。中國空間站的運行控制體系由5 類中心組成，各中心構成彼此聯(lián)系、職能相對獨立的分布式結構。2 種分布式運行控制體系的對比如表1 所示。中國空間站運行控制體系更有利于航天器平臺、航天員、有效載荷的統(tǒng)一管理和分布協(xié)同，分布式架構更優(yōu)。

表1 2 種運行控制體系比較Table 1 Comparation between two system architectures of operation control

6 結論

本文針對中國空間站長期在軌運營期間高效、可靠、安全的運行控制需求，提出了分布式運行控制模式。

1）與國際空間站相比，中國空間站分布式運行控制體系更加清晰、高效，前者是以國際合作為目的的分布式架構，后者是按業(yè)務類別劃分的分布式架構。

2）分布式運行控制系統(tǒng)具備分布式運行、容災備份、空間碎片碰撞預警等能力，有效解決了高效運行控制、可靠異地備份、空間站安全運行等問題。

3）分布式運行控制模式將為空間站運行控制系統(tǒng)的不斷完善提供有益參考，為逐步實現(xiàn)任務高效準備、長期自動運行，現(xiàn)場少人值班、遠程有機聯(lián)動的遠期目標奠定技術基礎。