在軌服務模擬訓練仿真系統初探

董 芳，王新波，房 瑩，王 濤，程 磊

(中國人民解放軍32032部隊，北京 100974)

0 引言

模擬訓練又稱模擬仿真，是指通過建模、仿真技術模擬戰局、戰略、戰術的方法[1]。1941年，日本在偷襲珍珠港前，就進行了一百多次作戰模擬，不僅精確地將整個作戰計劃確定下來，而且針對模擬中發現的問題改進了武器系統。實際戰斗時，日本飛行員輕車熟路，使用改進的武器給美軍以沉重的打擊，整個作戰過程與計劃僅僅相差3 min。

模擬訓練對于指揮演練具有很強的指導作用，在新式裝備的研制和應用上可發揮重大效益，在操作訓練與人才培養方面也得到廣泛應用。模擬訓練在美軍的地位作用無可替代，在美軍的訓練條令中，無論是指揮、戰術,還是單兵技能訓練，模擬訓練都是不可或缺的重要組成部分。目前，國內對模擬訓練的重視程度日益增強，但真正意義上能夠解決指揮、技能訓練和裝備論證方面需求的模擬訓練系統尚未發展成熟。

空間資源日益緊張的形勢下，在軌服務是解決航天器在軌運行過程中出現的各類故障和意外情況、航天器失效零部件更換以及燃料加注等問題的必備手段[2]。然而由于在軌服務具有系統復雜、要素繁多、高度敏感等特點，再加上太空環境的特殊性，使得在軌服務任務規劃、指揮訓練、研究實踐機會少，實裝訓練的組織實施難度大。因此，迫切需要建設一個模擬仿真推演環境，進行在軌服務的任務規劃、策略推演、新裝備研制過程中的試驗驗證以及訓練裝備操作人員的工作。針對這一需求，本文基于當前在軌服務研究現狀及未來發展趨勢，初步探索研究了在軌服務模擬訓練仿真系統。

1 在軌服務模擬訓練系統建設總體思路

1.1 建設目標

在軌服務模擬訓練仿真系統，主要模擬以天基系統為核心的全信息化環境，通過仿真在軌服務裝備運行環境，模擬星地一體操控，支持多型在軌服務裝備的仿真模擬與操作訓練、開展任務推演，完成效能評估。

在系統功能方面，在軌服務模擬訓練仿真系統需具有3種功能：一是模擬在軌服務任務的運行環境；二是支持單型在軌服務裝備的仿真模擬與操作訓練、開展任務推演、完成效能評估；三是可完成多型在軌服務裝備的體系化仿真模擬與操作訓練、開展任務推演，完成效能評估。

在訓練目的方面，在軌服務模擬訓練仿真系統可實現3種目的：一是提高參訓人員對在軌服務裝備的操作能力；二是熟悉在軌服務裝備的作業流程；三是提高部隊應對各種在軌服務任務的快速反應處置能力。

在任務推演方面，在軌服務模擬訓練仿真系統應具備3種能力：一是空間態勢推演；二是在軌服務任務規劃和決策推演；三是在軌服務試驗效能推演。

1.2 設計原則

根據在軌服務模擬訓練仿真系統的建設目標，系統的設計需遵循以下5項基本原則：

1)環境模擬的真實性

太空中運行的航天器等空間目標雖然其運動是具有規律性的，但除了特定參數是在其生產完成之時就確定的，其他關于性質類型、作用范圍、不同時刻的坐標位置以及與其他空間目標之間的關系難以直觀掌握，而且其活動受到攝動、光壓、電磁頻譜等環境因素的影響。在軌服務是以空間目標(航天器)為主要對象的行動，這就要求模擬訓練仿真系統能夠真實詳盡地分析和推理空間目標活動情況。因此，模擬訓練仿真系統在環境模擬上，一方面，需要盡量真實地反映空間目標性質類型、作用范圍、運動狀態和目標之間相互關系；另一方面，需要盡量真實地模擬太空自然天體和其他環境因素。

2)推理規則的準確性

在真實的太空模擬環境下，要實現在軌服務行動的推演、訓練和仿真，需要明確在軌服務裝備與地面操作之間的聯動規則、目標的活動規則以及在軌服務裝備與目標之間相互作用的規則，確保在推理規則集的支持下，盡量準確地推斷出不同操作所引起在軌服務裝備、空間目標以及空間態勢的變化。

3)訓練操作的真實性

在操作訓練方面，在軌服務模擬訓練仿真系統需要盡量確保訓練與實際裝備操作的一致性，這就要求該系統與在軌服務裝備的系統操作界面和算法規則相一致，從而保證訓練操作的真實性，進而確保訓練成果和經驗可直接服務于實際在軌服務行動。

4)模擬裝備的拓展性

在軌服務模擬訓練仿真系統瞄準的是空間領域，在軌服務包含多類裝備，而目前相關裝備研究正處于起步階段，發展勢頭強勁，未來各類裝備必將在數量和性能上有很大發展，因此，從可預見的將來考慮，系統設計時需要為后續裝備留有交互接口，確保在軌服務模擬訓練仿真系統改造升級的可行性和便宜性。

5)效能評估的合理性

在軌服務行動完成之后，需要對此次任務的效能進行評估，系統評估分為兩大部分：一方面，需構建單型裝備的效能評估體系。同一裝備的參數項、工作機制、防御方式應基本一致，因此可綜合分析不同任務條件下裝備消耗、服務結果等多方面參數，給出單型裝備每次任務的效能評估結果(在此基礎上，可研究探索同類裝備的效能評估體系)，為單型裝備的任務規劃、指揮控制以及后續裝備研制提供支撐。另一方面，需構建體系化的效能評估體系。當多型裝備聯合執行任務時，需將所有的在軌服務裝備看作是一個整體，綜合考慮裝備總體投入、空間目標總體損耗以及產生的其他效應，生成體系化的效能評估結果，為聯合在軌服務的任務規劃、指揮控制、裝備體系發展等提供參考依據。

2 在軌服務模擬訓練系統建設具體設計

2.1 系統組成

在軌服務模擬訓練仿真系統分為空間目標與環境模擬仿真、4類在軌服務裝備模擬與評估、任務體系管理、導控與效能評估等7個分系統，各分系統功能如圖1所示。

圖1 在軌服務模擬訓練仿真系統組成

1)空間目標與環境模擬仿真分系統負責空間目標與環境的模擬仿真，再現空間目標運行過程。

2)按照在軌服務裝備類型將模擬仿真分為4個模擬與毀傷評估分系統，每類模擬與評估分系統負責該類在軌服務裝備的模擬、參數化定制與任務評估。

3)任務體系管理分系統負責全網在軌服務裝備系統的任務規劃、指揮調度的模擬、參數化定制與體系效能評估。

4)導控與效能評估分系統提供運行導調控制所需的功能(用戶設置、權限分配、席位配置、任務設置等)，并重點對任務效能進行評估。

2.2 總體流程

空間作業過程分為態勢感知、指揮決策、任務實施和效果評估4個階段，對應的在軌服務模擬訓練仿真系統總體工作流程如圖2所示。可分為環境及裝備仿真、指揮控制仿真、決策推演和效能評估4個階段[2]。

圖2 在軌服務模擬訓練仿真系統工作流程示意圖

1)環境及裝備仿真階段。通過加載多源空間目標信息和環境信息，基于在軌服務的軌道參數、類型和能力等信息以及空間自然環境信息，構建以天基目標為主要對象的在軌服務行動模擬仿真環境。

2)指揮控制仿真階段。在構建的空間模擬仿真環境下，根據空間目標信息和在軌服務裝備信息，進行任務分析，完成任務規劃，發布指揮命令，根據指揮命令，將任務行動分解成可操作的實施步驟，通過系統仿真的操作界面完成相關操作。

3)決策推演階段。系統根據具體操作，將操作轉換為在軌服務裝備可識別的指令，調用環境及裝備模型和推理規則集，模擬推演各類在軌服務裝備(根據任務要求從4類在軌服務裝備中選定n型，當n為1時，系統進行的是單裝備的模擬訓練；當n大于1時，系統進行的是體系化任務的模擬訓練)接到指令后所產生的動作以及對服務目標的作用，得到在具體操作條件下在軌服務裝備及天基目標活動的全過程和結果。

4)效能評估階段。根據決策推演結果，分析對比任務前后在軌服務裝備消耗、目標狀態改變以及整體空間環境態勢的變化等多方面指標信息，根據評估模型，獲得此次在軌服務任務的效能評估結果。

2.3 外部接口

系統外部接口主要包括兩大部分：一是與態勢感知情報部門以及各在軌服務裝備系統間的環境和空間目標信息接口；二是系統與各在軌服務裝備系統之間的裝備實時運控數據接口，具體如圖3所示。

圖3 在軌服務模擬訓練仿真系統接口示意圖

2.4 系統架構

在軌服務模擬訓練仿真系統架構如圖4所示。

圖4 在軌服務模擬訓練仿真系統架構

1)空間目標與環境模擬仿真

在空間信息網絡(目標、環境、情報)的基礎上，補充目標冗余、活躍度、覆蓋等效能信息，以及目標異動、信息保障等特征，建設空間信息態勢網絡。

根據在軌服務裝備面臨的光學、電磁等環境要素，結合在軌服務裝備的機動特點，建立基于模擬仿真環境，包括空間背景環境模擬子系統[3]、任務場景模擬子系統、目標模擬子系統,如圖5所示。

圖5 環境模擬涵蓋要素類型示意圖

2)在軌服務任務規劃

根據特定的在軌服務任務，分析對航天器目標的可探測、可實施服務的時空間窗口，基于連續時空間窗口提供的信息，實時生成在軌服務想定設計。

圖6 在軌服務任務規劃流程示意圖

基于多種量化威脅分析條件和在軌服務梯隊編組、機動轉進、任務展開、待機準備、任務實施、撤收轉載等行動想定的限制條件，結合在軌服務任務，按照在軌服務過程的屬性，過濾能夠滿足需求的在軌服務裝備資源，規劃任務方案如圖6所示。 3)決策推演與三維演示

由在軌服務任務建模、交互模型計算、觸發事件機制，實現任務行動的時序事件觸發控制。設置推演步長、啟動任務推演、運行想定參數計算，產生任務效能評估所需的數據，供評估分析使用[4]。

實時提供任務推演控制、數據記錄與回放,輸出三維戰場態勢顯示與太空態勢圖生成顯示，如圖7所示。

圖7 三維態勢推演功能模塊劃分

4)任務效能評估

為考核在軌服務裝備在各種任務環境下的工作能力，通過建立各種模擬試驗系統及評估分析系統，具備對在軌服務任務的綜合效能評估能力。如圖8所示。

可評估空間覆蓋范圍、服務時間間隔、服務持續時間、可服務目標等系統固有能力指標，也可評估任務完成率、裝備任務投入度等系統動態能力指標。

可基于用戶定義的區域/目標、時間、信息體制、精度要求、任務效能等輸出體系任務效能。支持單裝備效能、多星聯合效能評估結果輸出。

3 結束語

在軌服務模擬訓練仿真系統的建設關系到未來太空力量的發展，需要盡早著手、全面考慮。目前，在軌服務裝備尚處于起步階段，已有裝備經過了實踐檢驗，

圖8 效能評估分系統功能模塊劃分