孙纪文 白照广 王崇羽 程城 范东栋 宁金枝 孙李 马磊 郝佳宁 窦毅芳

(航天东方红卫星有限公司，北京 100094)

台风是极端天气主要天气气候事件的一种[1-2]，其不但对降雨、温度的影响巨大，甚至直接危害到人类的生命财产安全。

国内外用于监测风场的卫星已有许多，但主动探测手段大多采用微波辐射计、散射计等，其缺点是卫星规模大，质量达数吨，成本昂贵，发射数量有限，严重制约了观测时间分辨率的提高。随着导航星座的完善与运行，国外研究学者从全球导航卫星系统(GNSS)导航信号海面散射特性理论研究逐步发展到进行岸基、机载试验验证，并于2003年首次利用英国灾害监测星座(UK-DMC)卫星开展了星载全球导航卫星系统反射信号测量(GNSS-R)试验[3]。这类卫星只需要考虑接受海面反射的导航信号，无需庞大的发射设备和功率供给设施，故可以做的很小，只要几十千克。2016美国成功部署了由8颗小卫星(24 kg/颗)组成的热带风暴探测星座(CYGNSS)[4]，目前已经在风场测量等领域开展了大量应用。中国科学院、清华大学、北京航空航天大学、中国空间技术研究院、上海航天技术研究院等多家单位开展了相关产品研发和试验验证以及数据反演技术研究，已具有较好的技术基础，具备了开展星载试验验证的条件，迫切需要通过在轨演示验证。航天东方红卫星有限公司(简称东方红公司)联合西安空间无线电技术研究所开展了基于GNSS-R遥感应用的卫星总体技术研究。

2019年6月5日12时06分，捕风一号(BF-1)卫星在中国东海海面上由长征十一号固体火箭成功发射[5]。6月25日，卫星在轨测试及轨控工作完成，至今在轨稳定运行2年多，实现了我国在卫星导航信号探测海面风场方面零的突破，有效弥补了其他气象卫星风场探测的不足。同时作为我国首个海上发射任务的主载荷，也为海上发射卫星研制标准的建立提供了宝贵的经验。

本文从BF-1卫星工程的任务需求入手，重点介绍了卫星研制的管理模式，从队伍组建、技术方案、研制流程、产品保证和计划管理等方面描述了其研制管理的特点，总结了相关的经验教训。

1 BF-1卫星项目管理模式

卫星项目管理有诸多要素，包括集成管理、范围管理、进度管理、产品保证、风险管理及组织队伍建设等。传统的卫星项目管理均应运用现代项目管理理论，借鉴国内外航天项目管理经验，按照项目管理规范，以“保成功”为目标，以人为本，以计划为基础，以控制为手段，全生命周期规划，整体优化，综合协调，动态管理[6-12]。

BF-1卫星是我国首次基于GNSS-R技术进行遥感的全新微纳卫星，技术难度大，研制团队还承担了系统间的协调、测控系统自主研发等工程总体方面的工作；为推进卫星应用，还组织了卫星运控、地面数据处理等。尤其是要经历首次海上发射的考验，面临许多新的要求、新的环境协调与处理。如此复杂的任务要求下，卫星还要在1年多的时间完成研制、发射，研制管理涉及的方方面面与以往型号都有了很大不同。为此研制团队在项目管理中开展了新模式的探索，确保了型号如期发射，并在轨成功运行。

1.1 多层次任务需求

需求定义是型号开始的首要工作，既要充分体现利益相关方的期望，又要考虑工程可实现性[13]。依据系统工程要求，BF-1卫星的主要工程任务如下。

(1)工程总体：该卫星项目没有常规意义上的工程总体，需要自行承担部分工程总体的职责。为配合实施首次海上发射，要与运载火箭及海上发射场系统进行充分地协调；还要组织BF-1卫星与测控、运控、数据接收与处理等系统的相关协调工作。

(2)卫星系统：不仅仅是完成卫星方案设计、投产2颗正样卫星和发射入轨后实施在轨测试，而且要配合用户完成数据反演与业务试运行。

(3)测控系统：卫星项目自筹经费，没有常规意义上的测控系统。东方红公司需要自行组织建设卫星数据中心，组织实施卫星测控站配套建设、在轨测试与长期任务管理。

(4)地面系统：拟打造“天地一体化交钥匙工程”，东方红公司需组织与用户部门运行控制、数据接收与处理接口协调，组织参加数据处理研究工作，建设实验性卫星数据中心，实施管控。

1.2 功能性组织架构

依据上述任务需求，需要与用户深入交流，并组织开展数据处理相关工作，BF-1卫星增加了卫星应用专项技术组，并设置了专职负责人；同样的，为了进行地面测控工程系统配置，包括选择商业测控公司、开展整星测运控规范设计与西安恒星公司测控站的接口设计等工作，增加了卫星工程测控专项技术组，并设置了专职负责人。具体组织架构如图1所示。

图1 捕风一号卫星研制组织架构

1.3 优化的技术方案

卫星轨道设计有如下两方面因素：一方面考虑到台风一般靠近低纬度地区，故选择低倾角以增加对风场的遥感概率；另一方面为了充分利用海上发射倾角不受限的优势，经过综合优化分析提出的。

卫星技术方案依托CAST100微纳卫星平台相关技术和规范。载荷具备接收天上导航信号，同时接收海面4波束导航反射信号；数传为X频段体制；卫星测控基于新型X频段，也为后续商业卫星开辟新手段；姿控为偏置动量控制；供配电采用砷化镓太阳电池与锂离子蓄电池组组合供电方案；热控以被动为主辅以主动方式；星务为集成化电子系统；结构为桁架方式；太阳翼为可展开式方案；星上产品选用立足已经过飞行考验的货架产品。载荷等新产品在经过航空校飞过的产品基础上适应性改进，确保技术性能满足任务要求。

针对星箭组合体躺倒运输进场模式，增强了卫星横向放置动静力学分析，确保了结构设计可行。针对推进剂铁路、公路运输许可问题，通过选用与运载推进剂一致的方案得到解决。

1.4 严格的研制流程

虽然卫星存在许多新技术、新工作，但基于进度等要求，卫星的研制流程按照方案设计和正样研制两个阶段安排工作。

方案阶段策划了9大工作项目，重点开展了仿真分析工作以确认卫星方案的可行性、正确性。此外，还对难、新分系统产品，开展了电性实物验证。表1列出了从力学、热控、姿轨控、射频辐射、载荷及空间环境等各个方面建立的卫星系统仿真模型。

表1 仿真与模型

卫星正样阶段安排了33个工作项目，双星采用并行总装、测试和试验，制定了测试大纲和细则，完成了工厂测试(有线测试、无线测试、模飞等)、电磁兼容性(EMC)试验、整星力学试验、软件固化后回归测试、整星真空热试验、磁试验、老炼测试(模飞、覆盖发射场测试项目)等环节的整星电性能测试。出厂前BF-1A卫星累计加电时间达到540 h、BF-1B卫星累计加电时间达到520 h，并确保了最后100 h无故障。

此次卫星进场采用星箭组合体铁路、公路运输进场方式。卫星需要完成所有星上操作，包括卫星燃料加注，为此提前组织了加注演练。

1.5 周密的产品保证

研制团队按照规范要求，结合BF-1卫星首次海上发射、首次在轨验证GNSS-R技术等特点，制定了详细的产品保证计划，包含图2所示的15个工作项目，并在型号研制与发射全过程严格执行。特别在方案验证阶段开展了有效的产品保证工作，确保了正样双星没有出现重大技术与管理问题。

注：EEE为电气、电子和机电，AIT为总装、测试与试验。

1.6 动态的计划管理

BF-1卫星研制进度极其紧张，项目团队在面向卫星工程策划到位的基础上，做到了精细计划、精准管理，确保了研制进度可控。按照计划流程要求，根据卫星技术流程，进行了工作项目分解(WBS)，制定了卫星计划流程，识别了载荷设备、数传设备及测控设备为关键路径，一般项目到日，关键路径策划到了小时(见图3)。

图3 卫星研制关键路径

型号研制中，坚持周项目例会制度，共计约进行了50余次，及时了解、沟通各单位研制进展信息，对需要的条件保障、人员资源等进行梳理落实。在型号初期，按月召开技术会议，做到定期及时梳理技术问题，并协调解决策略。

技术负责人、调度和产品保证人员每天在卫星总装与测试现场办公，进行调度、协调与资源保障。

在每个大项试验结束后，及时开展分析与总结，确保对卫星状态的最终确定，减少对后续工作的影响。

正是在全体参研人员的共同努力下，实现了18个月完成研制两颗全新的卫星并进行出厂发射的高难度目标。

1.7 充分的飞控安排

BF-1卫星的飞控工作包括发射前测试和卫星入轨后在轨测试。发射前测试主要是星箭组合体转运上船前在岸边场区的测试，此时卫星水平状态处于运载整流罩内。由于不能直接触碰卫星，测试主要通过脱落插头引出的卫星电信号进行。测试目的一是确认卫星处于完好状态，二是给蓄电池组充电。上船后卫星不再加电，直到发射后星箭分离。

在轨测试按照新型卫星的试验特性，重点安排了较长时间的载荷性能测试。其后配合用户开展了风场精度评估，检验对风场预报业务的支撑能力(见图4)。

注：DDM为延时多普勒图，NBRCS为归一化双基雷达散射截面系数，LNA为低噪声放大器，EIRP为等效全向辐射功率。

1.8 有效的风险控制

按照风险管控要求对BF-1卫星风险从海上发射的新要求、4个关键分系统、关键特性、单点失效等方面进行了识别，梳理出系统级5项风险，制定了相应的控制措施(见图5)。

图5 捕风一号卫星风险控制项目

尤其海上发射就包含3大风险，体现了首次海上发射的特殊性。实际管控中，新流程方面涉及卫星加注工作的安排、星箭组合体联合操作与星箭铁路、公路运输新要求，都充分反映在卫星研制方案与流程设计中(见表2)。

表2 风险控制策略

2 经验总结

通过BF-1卫星的研制，总结出如下经验。

1)集约是集成管理最有效的手段

BF-1卫星任务分工模式上考虑了专业优势单位和参研单位数量最少化，从而实现了集约化管理，具体如下。

(1)将卫星设计工作主要集中在东方红公司有关实体部门、西安空间无线电技术研究所和山东航天电子技术研究所，其它分系统采用成熟的货架产品。

(2)东方红公司负责工程总体相关组织管理、卫星总体设计、整星AIT相关工作外，还负责结构与机构、热控、星务管理、供配电、测控等设计工作。

(3)将卫星不同分系统射频设备集中在一家优势单位，选择了西安空间无线电技术研究所研制有效载荷、数传、测控设备，一方面可利用其前期研制的技术储备优势，另外也有利于设备EMC统筹设计与验证。特别是这些都属于计划的关键路径，有利于其统筹计划管理。

(4)将星上信息处理的电子设备统筹到山东航天电子技术研究所，有利于所有低频信号设备的协同工作，从而缩减了研制单位数量。

2)北斗信号相对于GPS信号有更高的遥感分辨率

BF-1卫星设计导航频段时主要考虑拥有全球导航能力的GPS信号。考虑到我国北斗卫星全球导航系统已建成，在接受GPS信号同时，设计了北斗信号试验模式。通过分析，确认北斗信号具备频带宽度优势，相对GPS有更好的空间分辨率。因此后续GNSS-R技术类卫星可以考虑以北斗信号为主。

3)关注星箭组合体转运时的外部环境

在星箭组合体从岸边场区向发射船上吊装的过程中，刚好遇上了降雨，外界湿度达到饱和。此时火箭整流罩空调已断电，操作时长接近了卫星要求的临界值。事后立即对罩内空调进行了恢复，经测试湿度指标已超过≤60%的要求。后续海上发射要关注转运上船时的气象预报，及时进行工作流程的优化。

4)卫星载荷性能测试离不开基准数据的支撑

遥感卫星要实现更高精度，离不开载荷的在轨定标，而定标就需要有基准数据做支撑。GNSS-R数据标校一方面能利用国际上的海上浮标数据，另一方面就是使用欧洲的风场数据网信息(数据非常有限)。浮标数据有限，一般靠近赤道，很难有高速风段数据。导航信号基于L频段，原本相对散射计的更高频率拥有更高风速的观测能力，但由于无高风速的基准数据支撑，难以实现高风速测量精度的测定。后续应多收集和积累相关的基准数据。

5)导航信号关联测量有利于提高遥感精度

在BF-1卫星数据处理的过程中发现，GPS卫星在全球各个地区发射信号强度有差异，这种差异足以影响GNSS-R技术类卫星的测试精度。客观上，导航卫星长期运行后，其信号总是要有一些退化或调整，因此GNSS-R技术类卫星如果能与导航卫星关联测量，无疑有利于测量精度的保证。

3 结束语

BF-1卫星的研制成功，是我国星载GNSS-R关键技术的突破，也开启了我国海上发射卫星的先河。面对多层次任务需求，BF-1卫星将项目管理理论与航天器研制特点相结合，突破了现有的卫星研制管理模式，实现了“卫星上天、数据落地、测试试用”的工程目标。基于BF-1卫星的研制管理模式，可快速、高效地开展后续星座的研发工作，拓展组网规模，提升观测效率，实现全球小时级的区域重访，为气象等行业提供准实时数据信息。同时，也可为后续此类卫星项目的研制管理以及海上发射卫星研制标准的建立，提供参考方案。