📚 课程目录第3章在轨运行模式分类与状态机建模

3. 在轨运行模式分类与状态机建模

航天器在轨运行并不是“一直保持同一个姿态、同一套设备开机”这么简单。它需要在不同任务阶段、不同能源条件、不同故障状态下，切换到不同的工作模式。所谓在轨运行模式，可以理解为：在给定任务目标和约束下，航天器各分系统（姿态与轨道控制、电源、热控、测控、载荷等）协同工作的一种稳定配置。而状态机建模，就是把这些模式抽象为有限个状态，并定义状态之间的迁移条件与迁移动作，使整星行为可设计、可验证、可监控。

本节先梳理典型模式，再给出状态迁移逻辑，最后落到一个可执行的建模示例。

一、典型在轨运行模式

工程上常见的模式划分如下，不同型号名称可能不同，但内涵基本一致：

安全模式（Safe Mode）：整星最低功耗、最保守姿态。通常太阳翼对日以保供电，载荷关机，测控保持最低速率。它是所有异常的“兜底状态”。
对日定向模式：以太阳翼法线对准太阳为目标，最大化发电功率。常用于入轨初期、能源紧张或安全模式恢复阶段。
对地定向模式：以星体某一轴（如对地轴）指向地心，保证载荷视场、测控天线或热控面朝向正确。是常规运行的基础姿态。
机动模式：包括轨道机动（变轨、相位调整）和姿态机动（大角度快速转向、目标跟踪）。此模式下通常暂停载荷主任务，优先保证控制精度与推进安全。
载荷工作模式：在对地定向或特定指向基础上，载荷开机、定标、成像或数传。对姿态稳定度、热环境、供电有更高要求。
轨道保持/位置保持模式：针对需要长期维持轨位的航天器，周期性执行小推力修正。

这些模式并非并列孤立，而是存在明确的优先级：安全模式优先级最高，载荷工作模式最低。任何时刻，只要触发安全条件，系统应能无条件切入安全模式。

二、状态迁移逻辑

状态机建模的核心是三要素：状态集合、迁移条件、迁移动作。以某低轨遥感卫星为例，设状态集合为：

S = { SAFE, SUN_POINT, EARTH_POINT, MANEUVER, PAYLOAD }

迁移条件示例（均为教学假设值）：
  SAFE → SUN_POINT      : 蓄电池电压 ≥ 26.0 V 且 姿态角速度 < 0.5 °/s
  SUN_POINT → EARTH_POINT: 电池充电至 SOC ≥ 85% 且 收到地面指令
  EARTH_POINT → PAYLOAD  : 姿态稳定度 ≤ 0.02 °/s 且 载荷温度在 5~35 ℃
  EARTH_POINT → MANEUVER : 收到轨道机动指令 或 姿态机动指令
  MANEUVER → EARTH_POINT : 机动到位误差 ≤ 0.1° 且 角速度 < 0.01 °/s
  ANY → SAFE             : 母线电压 < 24.0 V 或 姿态失控 或 关键单机故障

注意最后一条“ANY → SAFE”，它表示安全模式具有最高抢占权。在实现时，通常用一个独立的高优先级监控任务周期性检查安全条件，一旦满足立即强制迁移，而不等待当前状态完成。

迁移动作则描述“进入该状态后要做什么”。例如进入 SAFE 时：关闭载荷、关闭非必要加热器、太阳翼驱动机构转入对日跟踪、测控发射机降功率；进入 PAYLOAD 时：载荷加电、打开快门、启动数据记录。

三、状态机建模的实现方式

工程上常用两种实现：集中式状态机和分层状态机。集中式适合模式数量少、迁移关系简单的航天器；分层状态机把“安全层”“姿态层”“载荷层”分开，每层内部再设子状态，适合复杂任务。无论哪种，都建议用一张状态迁移图作为设计基线，再映射为星上软件的状态表。

下面这张图给出上述示例的状态迁移关系，包含正常迁移路径与安全抢占路径。图中实线为正常迁移，红色虚线为安全抢占，箭头旁标注迁移条件。

四、建模时的关键判断依据

状态机能否可靠运行，取决于迁移条件是否“可测、可判、不抖动”。工程上要特别注意三点：

条件去抖：例如电压阈值 26.0 V，若在阈值附近波动会导致状态反复切换。通常设置回差，如进入 SUN_POINT 用 26.0 V，退出用 25.5 V。
迁移原子性：一次迁移应在一个控制周期内完成状态变量更新和动作触发，避免出现“状态已变、动作未执行”的中间态。
安全条件独立监控：安全抢占不应依赖正常状态机的调度，而应由独立任务或硬件保护电路实现，确保任何软件异常下仍能进入安全模式。

建模建议：先用表格列出“当前状态、迁移条件、目标状态、迁移动作”四列，逐条评审后再画状态图。表格比图更容易发现遗漏的迁移路径和不可达状态。

五、一个可执行的迁移表片段

下表给出示例卫星的部分迁移规则，可直接作为星上状态表的设计输入。表中“优先级”数值越小越优先，安全抢占优先级为 0。

优先级	当前状态	迁移条件	目标状态	迁移动作
0	任意	母线电压 < 24.0 V 或姿态失控	SAFE	关载荷、太阳翼对日、降测控功率
1	SAFE	电压 ≥ 26.0 V 且角速度 < 0.5 °/s	SUN_POINT	太阳翼跟踪太阳、恢复测控
2	SUN_POINT	SOC ≥ 85% 且收到地面指令	EARTH_POINT	姿态转对地、热控转常规
3	EARTH_POINT	稳定度 ≤ 0.02 °/s 且载荷温度 5~35 ℃	PAYLOAD	载荷加电、开快门、启动记录
4	EARTH_POINT	收到机动指令	MANEUVER	载荷待机、推进系统准备
5	MANEUVER	到位误差 ≤ 0.1° 且角速度 < 0.01 °/s	EARTH_POINT	推进关机、姿态保持

把这张表与状态迁移图对照，就能发现：图中每条箭头都对应表中一行，而表中每一行也都能在图中找到路径。这种“图—表互检”是状态机设计中最实用的自检手段。实际型号中，状态数量可能达到十几个，迁移条件涉及电源、热控、测控、姿轨控多个分系统，但建模方法完全一致：先定状态，再定条件，最后定动作，并用优先级解决冲突。

需要强调的是，状态机不是一次性设计完就固定不变的。在轨运行中，地面会根据实际能源、载荷需求和故障统计，对迁移阈值和优先级进行修订，因此状态表通常以“可上注参数”的形式实现，便于在轨调整而不必重新上载整个软件。