體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的空間智能操控裝備體系效能仿真評(píng)估

張學(xué)波, 趙東波, 張 奕

(1. 裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備指揮與管理系，北京 100072)

體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的空間智能操控裝備體系效能仿真評(píng)估

張學(xué)波1, 趙東波2, 張 奕1

(1. 裝備學(xué)院研究生管理大隊(duì)，北京 101416； 2. 裝甲兵工程學(xué)院裝備指揮與管理系，北京 100072)

針對(duì)空間智能操控裝備體系效能仿真評(píng)估問(wèn)題，提出了評(píng)估指標(biāo)，采用“體系結(jié)構(gòu)模型+性能模型”評(píng)估思路，構(gòu)建了仿真評(píng)估系統(tǒng)，重點(diǎn)對(duì)其在軌服務(wù)任務(wù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——指揮控制流程、任務(wù)規(guī)劃、軌道機(jī)動(dòng)和在軌操作——進(jìn)行了仿真評(píng)估，得到了評(píng)估指標(biāo)值，為該類裝備體系效能的仿真評(píng)估提供了技術(shù)支撐。

空間智能操控裝備；體系效能；仿真評(píng)估；任務(wù)規(guī)劃

空間智能操控裝備是指具有對(duì)空間合作或非合作目標(biāo)進(jìn)行捕獲、跟蹤、接近和在軌操作能力，兼有智能自主控制模式或地面遙控操作模式，能夠執(zhí)行空間主動(dòng)防護(hù)、在軌狀態(tài)監(jiān)測(cè)和在軌裝備保障等多種任務(wù)的新型智能航天器，主要用于完成航天器的在軌服務(wù)保障任務(wù)，如在軌維修和在軌燃料加注等[1]。近年來(lái)，以美、日、歐等為代表的航天大國(guó)紛紛開(kāi)展了空間智能操控裝備的研制和試驗(yàn)，如美國(guó)的“軌道快車”和“通用軌道修正航天器”、日本的“工程試驗(yàn)衛(wèi)星”、德國(guó)的“實(shí)驗(yàn)服務(wù)衛(wèi)星”等。這些研制與試驗(yàn)充分表明了空間智能操控裝備在未來(lái)航天裝備體系中的重要位置，它將成為未來(lái)航天裝備發(fā)展的一個(gè)重要方向。

空間智能操控裝備體系主要包括上級(jí)指揮機(jī)關(guān)、空間目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)、本級(jí)指揮控制中心、測(cè)控與通信系統(tǒng)、空間智能操控裝備及目標(biāo)航天器等，如圖 1所示。

圖1 空間智能操控裝備體系

空間智能操控裝備體系效能是對(duì)在一定條件下完成在軌服務(wù)保障任務(wù)的各系統(tǒng)綜合能力的度量，是構(gòu)成體系的各組分系統(tǒng)效能貢獻(xiàn)度的總和，它與體系中各組成要素之間的交互作用密切相關(guān)，并受外界環(huán)境等不確定性因素的影響。通過(guò)空間智能操控裝備體系效能評(píng)估能夠發(fā)現(xiàn)空間智能操控裝備體系完成在軌服務(wù)保障任務(wù)時(shí)存在的問(wèn)題與不足，可為體系優(yōu)化和裝備改進(jìn)提供指導(dǎo)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究提出的體系效能評(píng)估方法主要有效能指數(shù)法、靜態(tài)綜合評(píng)估法、探索性分析方法和基于仿真的方法[2]。其中：基于仿真的方法首先采用建模仿真技術(shù)建立系統(tǒng)的仿真模型，然后進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)得到系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)處理得到系統(tǒng)效能指標(biāo)的評(píng)估值。因此基于仿真的體系效能評(píng)估方法能清晰地反映裝備間的交互作用，且評(píng)估數(shù)據(jù)易于獲取，數(shù)據(jù)的可信度高，但由于體系中包含的要素多、交互作用復(fù)雜，仿真模型與場(chǎng)景的開(kāi)發(fā)存在一定難度。

在裝備體系效能仿真評(píng)估研究方面，王震雷等[3]研究了網(wǎng)絡(luò)中心作戰(zhàn)體系效能評(píng)估方法；張明智等[4]給出了基于MAS(Muti Agent System)的體系效能綜合集成仿真模型；吳煒琦等[5]提出了基于Agent的衛(wèi)星體系效能評(píng)估仿真方法；李昊等[6]給出了基于ABMS(Agent-Based Modeling and Simulation)的多衛(wèi)星系統(tǒng)效能評(píng)估方法；Choon[7]研究了通過(guò)自適應(yīng)Agent對(duì)商用航空運(yùn)輸系統(tǒng)的綜合評(píng)估；Wells[8]研究了通過(guò)著色Petri網(wǎng)的性能評(píng)估問(wèn)題；羅雪山[9]研究了基于對(duì)象Petri網(wǎng)的離散事件系統(tǒng)建模仿真環(huán)境；沈如松等[10]研究了基于Petri網(wǎng)的航天裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估方法。而對(duì)于空間智能操控裝備體系效能的仿真評(píng)估，國(guó)內(nèi)研究還比較少，蔡洪亮[1]提出了基于擴(kuò)展GERT(Graphical Evaluation Review Technique)網(wǎng)絡(luò)的典型軍事任務(wù)仿真評(píng)估方法；吳鈺飛[11]提出了基于MAS建模仿真的體系效能評(píng)估方法。

基于上述研究成果，本文提出了“體系結(jié)構(gòu)模型+性能模型”的仿真評(píng)估思路，并構(gòu)建了體系效能仿真評(píng)估系統(tǒng)，對(duì)空間智能操控裝備體系效能的仿真評(píng)估進(jìn)行了研究。

1 評(píng)估指標(biāo)

為全面度量空間智能操控裝備體系效能，評(píng)估時(shí)既需要結(jié)合專家意見(jiàn)進(jìn)行定性評(píng)估，也需要對(duì)其完成任務(wù)的成本及能量消耗情況進(jìn)行定量評(píng)估。

在選擇評(píng)估指標(biāo)時(shí)，首先需要考慮能衡量空間智能操控裝備任務(wù)完成情況的指標(biāo)，由于其承擔(dān)的任務(wù)類型較多，每一任務(wù)類型又可劃分為多個(gè)任務(wù)階段，因此很難用一個(gè)固定的指標(biāo)加以描述。本文采用“任務(wù)完成質(zhì)量”來(lái)表征空間智能操控裝備的任務(wù)完成情況，但在不同任務(wù)階段，由于任務(wù)目標(biāo)的不同，這一指標(biāo)所代表的評(píng)價(jià)內(nèi)容也會(huì)有所不同，如可用獲取圖像信息的清晰度、完整度等來(lái)衡量空間智能操控裝備近距空間目標(biāo)偵察任務(wù)完成質(zhì)量，且主要由專家基于仿真過(guò)程與結(jié)果來(lái)評(píng)判。

另外，空間智能操控裝備的體系效能評(píng)估還需要考慮完成任務(wù)的成本，主要包括時(shí)間成本和能量成本等定量評(píng)估指標(biāo)。具體評(píng)估指標(biāo)如下。

1) 任務(wù)完成時(shí)間。任務(wù)完成時(shí)間是指空間智能操控裝備從指揮控制中心接受任務(wù)命令到其完成在軌服務(wù)任務(wù)并開(kāi)始回撤轉(zhuǎn)移所需的時(shí)間,包括規(guī)劃決策時(shí)間、機(jī)動(dòng)運(yùn)行時(shí)間和在軌操作時(shí)間。

2) 任務(wù)能量消耗。任務(wù)能量消耗主要是指空間智能操控裝備執(zhí)行在軌服務(wù)任務(wù)過(guò)程中消耗的能量，包括機(jī)動(dòng)運(yùn)行能量消耗和在軌操作能量消耗。由于在軌操作能量消耗相對(duì)機(jī)動(dòng)運(yùn)行能量消耗來(lái)說(shuō)很微小，所以常常可被忽略。

2 體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的體系效能仿真評(píng)估方法

2.1 “體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)”的內(nèi)涵

以“體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)”為特征的現(xiàn)代系統(tǒng)工程思想、方法論以及相應(yīng)的建模仿真技術(shù)，為裝備體系效能仿真評(píng)估提供了新的思路與技術(shù)框架。體系結(jié)構(gòu)建模與仿真技術(shù)是以體系結(jié)構(gòu)為核心，從頂層結(jié)構(gòu)(裝備體系)入手，逐層細(xì)化，通過(guò)作戰(zhàn)、系統(tǒng)和技術(shù)的相關(guān)視圖來(lái)描述裝備體系的組成、結(jié)構(gòu)和行為，從而支撐裝備體系的建模、仿真與效能評(píng)估的技術(shù)[12-14]。體系結(jié)構(gòu)建模與仿真技術(shù)主要包括體系結(jié)構(gòu)框架(DoDAF,Department of Defense Architecture Framework[15])、體系結(jié)構(gòu)建模方法(面向過(guò)程和面向?qū)ο蟮姆椒?、體系結(jié)構(gòu)的建模語(yǔ)言(UML(Untied Modeling Language),SysML(System Modeling Language))[16-17]和體系結(jié)構(gòu)的建模工具4個(gè)方面。體系結(jié)構(gòu)建模仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的建模仿真技術(shù)的區(qū)別如表 1所示。

表1 體系結(jié)構(gòu)建模仿真技術(shù)與傳統(tǒng)的

由表1可見(jiàn):體系結(jié)構(gòu)建模仿真技術(shù)與傳統(tǒng)建模仿真技術(shù)相比存在較大差別。但二者結(jié)合將具有更突出的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：

1) 自底向上和自頂向下相結(jié)合，將降低仿真模型的開(kāi)發(fā)難度，節(jié)約人力、物力和財(cái)力；

2) 豐富了仿真展示的內(nèi)容和觀察角度，既可進(jìn)行任務(wù)過(guò)程的展示，也可進(jìn)行驅(qū)動(dòng)任務(wù)的指揮控制及信息交互的展示；

3) 仿真驅(qū)動(dòng)方式更加完善，貼近現(xiàn)實(shí)世界的客觀實(shí)際，在時(shí)間驅(qū)動(dòng)方式的基礎(chǔ)上結(jié)合事件驅(qū)動(dòng)方式，反映系統(tǒng)及裝備對(duì)事件做出的響應(yīng)；

4) 能同時(shí)服務(wù)于不同的仿真目的和用途。

2.2 仿真評(píng)估思路

本文將體系結(jié)構(gòu)建模仿真技術(shù)建立的體系結(jié)構(gòu)模型與傳統(tǒng)建模仿真技術(shù)建立的仿真模型相融合，利用可執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)模型，以事件驅(qū)動(dòng)方式來(lái)驅(qū)動(dòng)仿真模型的執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)空間智能操控裝備的在軌服務(wù)任務(wù)的全過(guò)程仿真，進(jìn)而支撐其體系效能的評(píng)估。

首先，需要基于體系結(jié)構(gòu)建模技術(shù)建立空間智能操控裝備的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型；然后，明確模型中影響各個(gè)活動(dòng)的因素，建立性能模型來(lái)定量描述這些影響關(guān)系；再將其嵌入到體系結(jié)構(gòu)模型中，建立“基于體系結(jié)構(gòu)模型+性能模型”的仿真評(píng)估模型；最后，將影響因素的數(shù)值作為輸入，通過(guò)仿真得到空間智能操控裝備的效能評(píng)估指標(biāo)值。仿真評(píng)估思路如圖 2所示。

圖2 體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的空間智能操控裝備 體系效能仿真評(píng)估思路

在實(shí)際建模仿真評(píng)估過(guò)程中，體系結(jié)構(gòu)模型的層次受性能模型粒度的影響。若能直接提供系統(tǒng)級(jí)的性能模型，則不需要建立空間智能操控裝備的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型，只需建立其作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型；若只能提供分系統(tǒng)或部件級(jí)的性能模型，則需要分別建立空間智能操控裝備的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型和系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)模型。本文采用前一種方式來(lái)構(gòu)建仿真評(píng)估系統(tǒng)。

3 仿真評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空間智能操控裝備執(zhí)行在軌服務(wù)任務(wù)的過(guò)程一般分為待機(jī)軌道運(yùn)行、實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)和執(zhí)行在軌操作服務(wù)。當(dāng)空間智能操控裝備在待機(jī)軌道接收到指揮控制中心上傳的任務(wù)指令時(shí)，首先進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，然后進(jìn)行軌道機(jī)動(dòng)，在逼近停靠目標(biāo)航天器之后，即進(jìn)行在軌操作。

基于空間智能操控裝備的任務(wù)，結(jié)合上述仿真評(píng)估的思路，建立了空間智能操控裝備體系效能仿真評(píng)估系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)如圖 3所示。

圖3 空間智能操控裝備體系效能仿真評(píng)估系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)采用分布式系統(tǒng)架構(gòu)，由體系結(jié)構(gòu)建模與仿真、仿真控制與效能評(píng)估、任務(wù)規(guī)劃、軌道機(jī)動(dòng)仿真、在軌操作仿真和支撐數(shù)據(jù)庫(kù)等模塊構(gòu)成。其中，支撐數(shù)據(jù)庫(kù)采用Oracle 8.0實(shí)現(xiàn)，主要用于存儲(chǔ)規(guī)劃數(shù)據(jù)、仿真數(shù)據(jù)和評(píng)估數(shù)據(jù)。

3.1 體系結(jié)構(gòu)建模與仿真模塊

該模塊描述空間智能操控裝備在軌服務(wù)任務(wù)的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)的建模過(guò)程與視圖產(chǎn)品，基于國(guó)防體系建模統(tǒng)一平臺(tái)(United Platform of Defense Modeling, UPDM)來(lái)實(shí)現(xiàn)。UPDM是裝備開(kāi)發(fā)決策與裝備方案分析中對(duì)體系與系統(tǒng)進(jìn)行建模與分析的平臺(tái)，主要包括UPDM Architect、UPDM Designer和UPDM Developer，分別支持體系層( DoDAF)、系統(tǒng)層(SysML)和軟件層(UML)的建模與仿真。空間智能操控裝備的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型如圖 4所示[18-20]。

圖4 空間智能操控裝備的作戰(zhàn)體系結(jié)構(gòu)模型

UPDM能基于體系結(jié)構(gòu)模型自動(dòng)生成可執(zhí)行的仿真模型，其生成方式有2種：1) 基于描述體系的圖形直接生成可在UPDM仿真框架中執(zhí)行的可執(zhí)行模型；2) 首先基于描述體系的圖形生成Library庫(kù)和相應(yīng)的.h頭文件，然后基于VC++或其他開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，如Java和C等在上述Library庫(kù)和.h頭文件基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，最后編譯生成可在UPDM仿真框架中執(zhí)行的應(yīng)用程序。具體生成方式如圖 5所示。

圖5 UPDM可執(zhí)行仿真模型的生成方式

3.2 仿真控制與效能評(píng)估模塊

該模塊就是基于圖5的方式2來(lái)實(shí)現(xiàn)的。具體過(guò)程為：1)從UPDM以.h文件和DLL庫(kù)的形式導(dǎo)出體系結(jié)構(gòu)模型；2)進(jìn)行仿真模型和仿真場(chǎng)景開(kāi)發(fā)，需引入步驟1中UPDM生成的.h文件和DLL庫(kù)；3)加入仿真控制、與UPDM交互(如GEN()和IS_IN())、網(wǎng)絡(luò)通信和效能指標(biāo)值計(jì)算等功能代碼；4)編譯生成可執(zhí)行程序的仿真程序；5)將生成的仿真程序放在UPDM的對(duì)象執(zhí)行框架(OXF)中調(diào)度執(zhí)行，兩者緊密耦合在一起；6)得到仿真數(shù)據(jù)。

3.3 任務(wù)規(guī)劃模塊

該模塊提供了霍曼轉(zhuǎn)移和Lambert轉(zhuǎn)移2種軌道機(jī)動(dòng)方式[21]:霍曼轉(zhuǎn)移機(jī)動(dòng)方式所需燃料最少，主要用于共面軌道轉(zhuǎn)移，一般在任務(wù)時(shí)間約束較小的情況下采用;Lambert轉(zhuǎn)移機(jī)動(dòng)方式是一種快速軌道機(jī)動(dòng)方式，可用于共面和異面軌道轉(zhuǎn)移，一般在任務(wù)時(shí)間要求比較緊的情況下采用，但其燃料消耗較霍曼轉(zhuǎn)移要大。軌道機(jī)動(dòng)規(guī)劃結(jié)果一般包括軌道機(jī)動(dòng)的開(kāi)始時(shí)間、持續(xù)時(shí)間以及在x、y、z三個(gè)方向的軌道機(jī)動(dòng)沖量。

3.4 軌道機(jī)動(dòng)仿真模塊

該模塊根據(jù)軌道機(jī)動(dòng)規(guī)劃數(shù)據(jù)進(jìn)行空間智能操控裝備的軌道機(jī)動(dòng)仿真。其嵌入了STK(Satellite Toolkit)仿真場(chǎng)景，并使用了Connect、VO(Visualization Object)和Astrogator等STK組件[22]。其中：Connect組件是STK與外部工具連接的重要橋梁，它提供了用戶在應(yīng)用程序中調(diào)用STK的功能；VO組件以控件形式提供用戶使用，利用該控件對(duì)象可調(diào)用Connect組件的各種操作命令來(lái)進(jìn)行相關(guān)的仿真分析，且其仿真過(guò)程將以三維立體和二維星下點(diǎn)形式顯示在VO控件表面；Astrogator組件是STK的機(jī)動(dòng)組件，它根據(jù)空間智能操控裝備的初始軌道、軌道機(jī)動(dòng)類型、時(shí)機(jī)和沖量各分量大小等輸入?yún)?shù)，計(jì)算其轉(zhuǎn)移軌道，并能仿真演示其軌道轉(zhuǎn)移情況。

3.5 在軌操作仿真模塊

空間高真空、微重力的特點(diǎn)使機(jī)械臂與基座之間存在動(dòng)力學(xué)耦合作用，即機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)對(duì)基座產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致基座的位置和姿態(tài)發(fā)生改變，因此空間智能操控裝備的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模較固定于地面的常規(guī)機(jī)械臂要復(fù)雜得多，主要有自由漂浮和自由飛行2種控制模式。在不同的控制模式下，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的約束關(guān)系并不相同。

結(jié)合空間機(jī)械臂的特點(diǎn)，針對(duì)空間智能操控裝備機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模要求，提出2種控制模式下的建模步驟：1)根據(jù)空間智能操控裝備機(jī)械手的質(zhì)量特性和參數(shù)，分別建立在自由漂浮和自由飛行2種模式下的雅克比矩陣；2)基于旋量理論建立空間智能操控裝備的正向和逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)模型；3)采用牛頓-歐拉遞推方法構(gòu)建空間智能操控裝備的逆向動(dòng)力學(xué)模型，采用拉格朗日方程建立其正向動(dòng)力學(xué)模型；4)在動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，建立空間智能操控裝備的控制模型，實(shí)現(xiàn)不同模式的控制；5)對(duì)空間智能操控裝備目標(biāo)操作過(guò)程中的碰撞檢測(cè)進(jìn)行研究，建立目標(biāo)操作過(guò)程中的碰撞動(dòng)力學(xué)模型。

4 仿真評(píng)估示例

4.1 任務(wù)想定與軌道參數(shù)設(shè)置

4.1.1 任務(wù)想定

仿照美國(guó)的“鳳凰”計(jì)劃，假設(shè)2020年我國(guó)某通信衛(wèi)星的平臺(tái)系統(tǒng)將發(fā)生故障，無(wú)法進(jìn)行軌道和姿態(tài)調(diào)整，為了能在大幅降低成本的情況下構(gòu)建新空間系統(tǒng)的能力，將利用空間智能操控裝備回收該故障衛(wèi)星的天線，并對(duì)其加以利用。

4.1.2 軌道參數(shù)設(shè)置

設(shè)本次任務(wù)背景下空間智能操控裝備軌道參數(shù)分別為：半長(zhǎng)軸8 163 km，偏心率0，軌道傾角98.5°，升交點(diǎn)赤經(jīng)0°，近地點(diǎn)幅角0°。目標(biāo)故障通信衛(wèi)星的軌道參數(shù)分別為：半長(zhǎng)軸10 163 km，偏心率0，軌道傾角98.5°，升交點(diǎn)赤經(jīng)0°，近地點(diǎn)幅角0°。空間智能操控裝備的相位為平近點(diǎn)角180°，目標(biāo)故障通信衛(wèi)星的相位為平近點(diǎn)角190°，參考時(shí)刻為2020年7月1日12:00:00。

4.1.3 系統(tǒng)構(gòu)型與外觀設(shè)計(jì)

空間智能操控裝備主要由本體衛(wèi)星及附著在其上的4個(gè)機(jī)械手組成，其中機(jī)械手分為：與目標(biāo)衛(wèi)星對(duì)接時(shí)使用的7自由度的對(duì)接機(jī)械手、安裝了操作測(cè)量相機(jī)及光源的13自由度的柔性臂以及雙臂協(xié)調(diào)操作的2個(gè)7自由度的操作機(jī)械手(以下稱左臂、右臂)。目標(biāo)故障通信衛(wèi)星的平臺(tái)上主要安裝有2個(gè)天線和2個(gè)太陽(yáng)能帆板，此時(shí)其姿態(tài)已失去對(duì)地三軸的穩(wěn)定，空間智能操控裝備與目標(biāo)衛(wèi)星的構(gòu)型和外觀如圖 6所示。

圖6 空間智能操控裝備與目標(biāo)衛(wèi)星的構(gòu)型和外觀

4.2 仿真數(shù)據(jù)分析

根據(jù)仿真精度要求，以空間智能操控裝備的在軌天線回收任務(wù)為例，進(jìn)行了5次仿真分析，結(jié)果取5次仿真數(shù)據(jù)的平均值。

4.2.1 指揮控制流程仿真

圖7為空間智能操控裝備的指揮控制流程仿真，反映了空間智能操控裝備在其裝備體系范圍內(nèi)完成任務(wù)的過(guò)程中與其他系統(tǒng)的交互關(guān)系，該交互關(guān)系是通過(guò)裝備之間的消息傳遞來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖7 空間智能操控裝備指揮控制流程仿真

4.2.2 任務(wù)規(guī)劃

空間智能操控裝備的任務(wù)規(guī)劃主要是對(duì)軌道機(jī)動(dòng)進(jìn)行規(guī)劃。經(jīng)過(guò)計(jì)算，需要實(shí)施2次軌道機(jī)動(dòng)，軌道機(jī)動(dòng)規(guī)劃共面快速機(jī)動(dòng)沖量如表 2所示。

表2 軌道機(jī)動(dòng)規(guī)劃共面快速機(jī)動(dòng)沖量數(shù)據(jù)

4.2.3 軌道機(jī)動(dòng)仿真

基于STK的Connect、VO和Astrogator等模塊，空間智能操控裝備相對(duì)目標(biāo)航天器的2次快速軌道機(jī)動(dòng)仿真效果如圖 8所示。

圖8 空間智能操控裝備相對(duì)目標(biāo)航天器的2次 軌道機(jī)動(dòng)仿真效果

4.2.4 在軌操作仿真

空間智能操控裝備完成在軌天線回收任務(wù)需經(jīng)過(guò)3個(gè)操作步驟：1)規(guī)劃支撐臂，使本體衛(wèi)星到達(dá)目標(biāo)衛(wèi)星天線附近，調(diào)整姿態(tài)，以方便雙臂系統(tǒng)對(duì)天線進(jìn)行操作；2)展開(kāi)雙臂系統(tǒng)，由左臂扶持天線末端，右臂從工具箱取出夾斷器，將夾斷器移到天線附近，并夾斷天線；3)雙臂協(xié)調(diào)操作,將天線搬離目標(biāo)衛(wèi)星。在雙臂運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，蛇形臂末端的攝像頭和光源始終跟蹤雙臂末端，實(shí)時(shí)拍攝雙臂的操作畫(huà)面。在軌天線回收仿真效果如圖 9所示。

圖9 在軌天線回收仿真效果

4.2.5 仿真評(píng)估數(shù)據(jù)分析

空間智能操控裝備體系效能仿真評(píng)估的指標(biāo)值如表 3所示。其中:任務(wù)完成質(zhì)量是依據(jù)表 4所示的打分標(biāo)準(zhǔn)，邀請(qǐng)專家通過(guò)對(duì)仿真過(guò)程的嚴(yán)格判斷進(jìn)行評(píng)估的。

不同任務(wù)階段其任務(wù)完成質(zhì)量的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一,如:軌道機(jī)動(dòng)階段一般以空間智能操控裝備實(shí)

表3 空間智能操控裝備體系效能的仿真評(píng)估指標(biāo)值

表4 任務(wù)完成質(zhì)量評(píng)價(jià)打分標(biāo)準(zhǔn)

施軌道機(jī)動(dòng)后與目標(biāo)航天器的距離遠(yuǎn)近來(lái)評(píng)價(jià)；在軌操作階段一般以完成操作任務(wù)的質(zhì)量來(lái)評(píng)價(jià)。

影響空間智能操控裝備任務(wù)完成時(shí)間的最主要因素是軌道機(jī)動(dòng)時(shí)間，其占整個(gè)任務(wù)完成時(shí)間的85.5%；任務(wù)能量消耗主要是實(shí)施軌道機(jī)動(dòng)所消耗的燃料:因此合理選擇待機(jī)軌道，減少軌道機(jī)動(dòng)的時(shí)間和燃料消耗，對(duì)提高空間智能操控裝備體系效能而言至關(guān)重要。而在軌操作階段雖然能量消耗和完成時(shí)間與軌道機(jī)動(dòng)相比不多，但其是完成在軌操控服務(wù)的關(guān)鍵，其完成質(zhì)量對(duì)完成整個(gè)在軌服務(wù)任務(wù)同樣非常重要。

5 結(jié)論

本文提出的體系結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)的仿真評(píng)估方法具有如下優(yōu)勢(shì)：1)在時(shí)間驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上結(jié)合了事件驅(qū)動(dòng)方式，更加貼近現(xiàn)實(shí)世界；2)給出了指揮控制流程及信息交互過(guò)程的仿真，豐富了仿真展示的內(nèi)容；3)體系結(jié)構(gòu)建模為仿真模型的開(kāi)發(fā)提供了指導(dǎo)，降低了仿真模型的開(kāi)發(fā)難度；4)利用可執(zhí)行的體系結(jié)構(gòu)模型來(lái)驅(qū)動(dòng)仿真模型的執(zhí)行，減少了仿真控制部分的開(kāi)發(fā)。下一步將重點(diǎn)研究可執(zhí)行模型的自動(dòng)生成、體系結(jié)構(gòu)模型與性能模型的結(jié)合，以及2種模型之間的同步機(jī)制等。

[1] 蔡洪亮. 空間機(jī)器人軍事任務(wù)分析與評(píng)估[D].北京：裝備學(xué)院，2011.

[2] 郭齊勝,郅志剛,楊瑞平,等.裝備效能評(píng)估概論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005:238-240.

[3] 王震雷,羅雪山.網(wǎng)絡(luò)中心作戰(zhàn)體系效能評(píng)估方法初探[J].指揮控制與仿真,2006,28(3):20-24

[4] 張明智,胡曉峰,司光亞,等.基于MAS的體系效能綜合集成仿真模型研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2006,18(12):3584-3588.

[5] 吳煒琦,張育林.基于Agent的衛(wèi)星體系效能評(píng)估仿真方法[J].計(jì)算機(jī)仿真,2007,24(7):47-50

[6] 李昊,戴金海.基于ABMS的多衛(wèi)星系統(tǒng)效能評(píng)估[C]∥陳宋海.2007系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)會(huì)議論文集.合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2007:656-659.

[7] Choon G L. An Integrative Assessment of the Commercial Air Transportation System Via Adaptive Agents[D].Atlanta: Georgia Institute of Technology, 2008.

[8] Wells L. Performance Analysis Using Coloured Petri Nets[C]∥Proceedings of the 10th IEEE International Symposium on Modeling, Analysis & Simulation of Computer & Telecommunications Systems. Fort Worth: IEEE Computer Society, 2002:217-221.

[9] 羅雪山. 基于對(duì)象Petri網(wǎng)的離散事件系統(tǒng)建模仿真環(huán)境(OPMSE)[J]. 計(jì)算機(jī)仿真,2000,17(3)：42-44.

[10] 沈如松,張育林.基于Petri網(wǎng)的航天裝備體系作戰(zhàn)效能評(píng)估方法[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(3):538-541

[11] 吳鈺飛. 應(yīng)急空間裝備體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與效能評(píng)估研究[D].北京：裝備學(xué)院,2011.

[12] Wagenhals L W, Haider S, Levis A H. Synthesizing Executable Models of Object Oriented Architectures [J]. Systems Engineering, 2003,6(4):266-300.

[13] Wagenhals L W, Shin I, Kim D, et al. C4ISR Architectures II: A Structured Analysis Approach for Architecture Design[J].System Engineering,2000,3(4):248-287.

[14] Wagenhals L W, Liles S W, Levis A H. Toward Executable Architectures to Support Evaluation[C]∥Proceedings of the International Symposium on Collaborative Technologies and Systems.New York:IEEE Press,2009:502-511.

[15] DoD Architecture Framework Working Group. DoD Architecture Framework Version 2.0, Volume I: Introduction, Overview and Concepts[R].U S: Department of Defense,2009.

[16] Object Management Group, Inc (OMG). OMG SysML Specification [EB/OL]. (2008-05-15)[2014-12-05].http://www.sysml.org/docs/specs/OMGSysML-PAS-07-02-03.pdf

[17] Sanford Friedenthal.INCOSE Evaluation: Systems Modeling Language (SysML) [EB/OL]. (2008-05-09)[2014-12-05]. http://syseng.omg.org/SysML.htm

[18] 夏曉凱,吳際,徐絡(luò),等. 模型驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)仿真驗(yàn)證研究[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2013,35(11)：2424-2429.

[19] Gallant S, Metevier C J, Gaughan C. Systems Engineering an Executable Architecture for M&S[C]∥Proceedings of the Fall Simulation Interoperability Workshop.Fort Worth:IEEE Computer Society, 2011:252-259.

[20] Pan X, Yin B S, Hu J M. Modeling and Simulation for SoS Based on the DoDAF Framework[C]∥Proceedings of the 9th International Conference on Reliability, Maintainability and Safety.Fort Worth:IEEE Computer Society, 2011:1283-1287.

[21] 王佳, 于小紅. 軌道機(jī)動(dòng)作戰(zhàn)中的待機(jī)軌道研究[J]. 航天控制,2005,23(5):17-22.

[22] 張雅聲,樊鵬山, 劉海洋,等.掌握和精通衛(wèi)星工具箱STK[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2011:53-65.

(責(zé)任編輯:王生鳳)

Effectiveness Simulation Evaluation of Space Intelligent Operation Equipment System Driven by Architecture

ZHANG Xue-bo1, ZHAO Dong-bo2, ZHANG Yi1

(1. Brigade of Postgraduate Management, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;2. Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

For solving the problem of effectiveness simulation evaluation of the space intelligent operation equipment system, the evaluation index and the evaluation idea of “architecture model + efficiency model” are presented, and an effectiveness evaluation system is built. The key steps of the orbit service task which including command and control process, mission plan, orbit maneuver and orbit operation are evaluated by simulation, and the evaluation index value is obtained, which provides technical support for the simulation evaluation of the system effectiveness.

space intelligent operation equipment; system effectiveness; simulation evaluation; mission plan

1672-1497(2015)02-0011-07

2014-10-29

軍隊(duì)科研計(jì)劃項(xiàng)目

張學(xué)波(1977-)，男，博士研究生。

V57

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.003