航天器GNC系統研制流程與標準體系的交互式應用初探*

王佐偉 張瀾 李建平 張世俊 陳奧 朱文玉 何剛

（北京控制工程研究所，北京市，100094）

航天器制導、導航與控制（GNC，Guidance Navigation and Control）系統用于確定和控制包括軌道和運動軌跡的航天器姿態和質心運動，是同時具有制導、導航和姿態控制功能的系統。GNC系統技術復雜程度高，廣泛應用于通信平臺、導航平臺、探月平臺、遙感平臺、載人平臺、低軌通用化平臺、風云平臺，是航天器最為關鍵的系統之一，地位十分重要。

伴隨著我國航天器GNC技術的發展，GNC相關的標準也在不斷豐富。這些標準對我國航天器GNC系統的研制與應用發揮了重要作用[1]。在中國航天科技集團有限公司 （CASC）構建“一個CASC，一套標準”新格局的統一部署下，GNC標準體系建設取得了豐碩成果[2]。但是，航天器GNC標準體系在實施應用方面存在著短板，如何用好標準體系、發揮標準體系效用是當前急需解決的問題。

本文在總結我國航天器GNC標準體系建設成果的基礎上，對航天器GNC標準體系應用的現狀和問題進行分析，聚焦航天器GNC系統級標準開展研制流程與標準體系的交互式應用探討，提出后續GNC標準體系推廣應用的工作建議，探索GNC標準體系在工程實踐中的應用方法。

1 航天器GNC標準體系建設成果

中國航天科技集團有限公司于2021年啟動了航天卓越標準體系建設工作，成立了多個領域的標準專業組，由組長單位牽頭開展本領域的標準體系建設。GNC標準專業組開展了GNC領域存量標準基線固化、納入本領域增量標準項目遴選、GNC領域標準體系框架構建與標準明細表編制等標準體系建設工作。

依據集團公司CASC標準體系建設總體規劃[3]，遵循各領域標準體系“符合頂層框架”的設計原則，對應CASC標準體系頂層框架的10個專題、57個分支的框架結構，形成包含2個專題、3個一級分支、12個二級分支、23個三級分支、6個四級分支的GNC領域標準體系框架[1]。

GNC領域標準體系標準項目整體情況見表1。GNC領域標準體系共包含標準2339項，按照標準級別區分：國際標準2項、國家標準8項、國家軍用標準175項、行業標準256項、集團公司標準161項、院級標準166項、廠所級標準1571項。通過對相關標準進行進一步梳理，目前GNC領域現行標準2210項（其中集團及集團以上級703項），在研標準65項，新增的集團（含）以上級標準項目規劃建議48項。其中涉及航天器GNC系統級標準90項。

表1 GNC領域標準體系標準項目整體情況

2 航天器GNC標準體系應用中存在的問題

在航天器GNC標準體系的實施應用中，目前普遍存在標準與科研脫節的現象。主要體現在：①在科研生產中，各級標準的指導性不足、標準實施不及時，標準實施的效果主要依賴于設計師對標準重要性的認知，標準體系對研制流程的指導作用有待加強；②科研生產中形成的知識財富尤其是各種“教訓”，無法及時傳遞到相關標準制定者手中，對標準制定和實施過程的全鏈條反饋作用有待加強[4-6]。這兩方面的脫節極大制約了標準的工程應用價值。分析其原因，主要在于航天器研制過程中尚未有效建立標準體系與研制流程之間的良性互動關系，同時也缺乏信息化、智能化手段和工具進行推送應用。因此，要想使科研生產和各級標準兩者之間發揮互相支持、互相促進的作用，必須解決如下關鍵問題。

a）如何面向科研生產全過程，構建數字化、結構化的標準體系庫。可以以知識點為要素、以知識遷移為目標、以知識圖譜為工具，對現有GNC系統標準進行數字化解構。

b）面向研制流程與標準體系的交互作用，如何實現標準知識的智能化雙向推送。首先進行關聯知識點提取，解決標準知識的結構化、數字化表達問題；再在此基礎上利用知識圖譜等人工智能技術，解決結構化知識的智能推送問題。

3 航天器GNC系統研制流程與標準體系的交互式應用范式

3.1 面向GNC系統全生命周期的標準體系結構化構建

GNC標準體系的結構化構建包含兩方面的內容：①整個GNC標準體系架構的結構化設計；②具體標準的結構化設計。這里的“結構化”一詞具有特定含義，是指具有數字化表達方式、能夠方便地嵌入到各類數字化科研生產環境之中的設計范式。結構化的目的在于實現標準知識與科研生產的深度融合。

3.1.1 GNC標準體系結構化構建

提出一種針對航天器GNC標準體系的五維結構圖，如圖1所示。將體系內的全部標準按5個維度（專業維、過程維、業務歸口維、層次組成維、級別維）分別進行歸類。即，為每個標準賦予5類屬性，以便于按維度檢索。這種建立了維度映射關系的、具有關系型數據庫特性的標準體系稱之為結構化標準體系。

圖1 GNC標準體系五維結構圖

這種五維結構圖可結合信息化工具發揮實用價值。除了用于梳理標準體系架構，還可用于標準的分類查詢。利用可視化的標準管理軟件，用戶輸入某個標準號或題名，即可在五維結構圖上顯示該標準的各個維度屬性；用戶也可以在五維結構圖上基于維度和類別信息檢索某一特定專題的標準信息[1]。在上述5個維度中，與航天器研制流程關系最為密切的是過程維度。

3.1.2 GNC標準的結構化設計

從表達形式上看，目前現有的各個標準都是基于技術或管理內容、以文本為主體的文檔。為了使標準更好地融合到數字化科研生產環境之中，需要對各個具體的標準文檔進行結構化設計。

基本思路是，以“面向工程應用，服務科研生產”為原則，將傳統的基于文檔的標準改造成基于維度標簽的結構化標準。對于某個具體的標準而言，它的具體內容也是具有多種維度屬性的。因此，可以將標準中的內容按某種維度進行要點分解。在上述5個維度中，與航天器研制流程關系最密切的是過程維度。因此，考慮以過程為維度，將每份標準中的技術內容整理加工后，賦予不同的過程標簽，形成面向航天器研制流程的結構化標準。

3.2 航天器GNC研制流程中標準知識的智能推送

3.2.1 基本思路

為了充分發揮各級各類標準對科研生產的指導作用，必須將標準與航天器研制流程結合起來。結合手段很多，但數字化、智能化是大勢所趨。將標準知識嵌入航天器GNC研制流程的基本思路是：以GNC研制流程為綱，將各個標準進行結構化解構，形成基于知識要點的過程標簽；以主要時間節點為觸發條件，將帶有過程標簽的標準知識要點向責任主體進行智能推送，如圖2所示。

圖2 嵌入航天器GNC系統研制流程的結構化標準示意

3.2.2 典型標準解構

GNC標準種類繁多、數量巨大，結構化設計難度很大。作為前期研究，考慮以航天器GNC系統V型研制流程中的關鍵項目為依據，在存量標準中選取若干典型標準按知識要點進行解構。典型標準的選取原則：一是應涵蓋GNC系統開發全鏈條，包括方案論證、方案設計、系統仿真、技術設計、系統集成、地面測試、在軌驗證等；二是應盡量涵蓋國軍標、航天行標、院標、廠所標等不同標準層級。

典型標準的解構思路如下。首先，對GNC系統研制流程進行階段劃分和編目。將研制階段劃分為5個階段：策劃、方案設計、初樣研制、正樣研制、在軌運行，再對每個階段的主要事件節點（項目）進行編目。其次，對每份標準按知識要點進行分解，對每個要點進行層級編目和流程編目。其中，層級編目用于知識要點的邏輯組織，流程編目用于與研制流程對應。例如，在《航天器控制分系統故障容限設計指南》中，“軌道確定功能的邊界需求”作為一個知識要點，其層級編目為C-5-1-2，流程編目為C2D2。通過編目映射，將標準的知識要點和研制流程的事件節點建立起映射關系。

3.2.3 智能推送方案設計

智能推送功能主要根據用戶提供的研制流程節點信息，完成標準結構化知識點的自動發送和推薦。智能推送系統首先根據用戶當前所處的GNC系統研制流程節點信息，獲得該節點的流程編目。基于該流程編目信息，在數據庫中掃描搜索，得到相關的全部標準要點。由于全部標準要點數量龐大，需要合理編排后方能便于用戶使用。該功能由軟件系統基于模糊排序等智能算法自動實現。編排后的標準要點以樹狀圖、分頁圖等多種形式進行直觀顯示。方案原理如圖3所示。

圖3 智能推送方案原理框圖

3.3 航天器GNC研制流程中基于負面清單的標準升級

航天科研實踐中產生的知識財富數量巨大，歸零和問題分析報告中的知識財富尤其寶貴，應該及時反饋到各級標準的制定和升級中。利用信息化、智能化手段實現基于負面清單的標準升級是非常有意義。主要思路闡述如下。首先，將歸零報告和問題分析報告等歸檔文件形成負面清單并入庫。其次，利用知識圖譜和模糊推理等手段從負面清單中進行關鍵詞提取，并與結構化標準數據庫中的標準要點進行關聯度匹配。最后，對匹配結果進行自動判斷，形成標準修訂建議并向用戶自動推送。推送原理如圖4所示。

圖4 基于負面清單的標準升級推送原理框圖

4 航天器GNC標準體系推廣應用的工作建議

航天器GNC系統級標準應用范式旨在進行先期探索，預期成果經實用化拓展后，可先在航天器GNC系統研制流程中試點。在此基礎上，以航天器GNC系統組成單機產品為對象，按照GNC系統構成逐級分解并梳理產品實現過程執行的各級各類標準，基于單機產品研制流程構建執行標準清單，開展標準結構化分析，按知識要點進行解構后納入單機研制流程進行智能推送應用，實現航天器GNC標準體系的全面應用。

航天器GNC系統的構成，可分為信息感知類單機、信息處理類單機、執行類單機3個大類，每一大類下還可進一步細分。例如，信息感知類主要分為光學敏感器和慣性敏感器兩大類，光學敏感器包括星敏感器、太陽敏感器、地球敏感器等，慣性敏感器包括慣性姿態敏感器、加速度計、慣性測量單元等。執行類主要分為動量交換裝置、指向調節裝置、質量排出裝置3大類，動量交換裝置包括飛輪、控制力矩陀螺，指向調節裝置包括太陽電池陣驅動裝置、天線驅動裝置等，質量排出裝置包括液體推進系統、電推進系統、冷氣推進系統等。信息處理類包括星載計算機、中心控制單元、驅動控制單元、網絡交換單元等。

按照產品在GNC系統中的邏輯層次以及標準體系結構中的過程維度，設計矩陣清單，每一類單機展開進行執行標準的再梳理。針對梳理形成的標準，以本文提出的范式，先進行標準解構形成基于知識要點的過程標簽，再依托產品生命周期管理系統（PLM），以過程標簽為對象、以單機產品研制流程為綱、以主要時間節點為觸發條件，向責任主體進行標準知識要點的智能推送，實現標準在科研生產過程中的落地應用。同時結合單機產品研制過程中形成的具有反面教訓的知識和管理財富，以及在應用過程中發現的標準中存在的缺陷和不足，對現有相關標準的適用性進行分析，進而提出缺項和待優化升級標準的制修訂建議，經GNC標準專業組專家評審通過后納入標準體系，從而實現標準體系的改進和完善。

5 結論

本文對我國航天器GNC標準體系在工程實踐中的應用實施進行了分析和探討。基于近年來航天器GNC標準體系的建設成果，對航天器GNC標準體系應用的現狀和問題進行分析，聚焦標準體系中的航天器GNC系統層級標準開展應用模式的先期探索，并提出后續GNC標準體系推廣應用的工作建議。文中給出的標準體系應用思路和方法，可先在航天器GNC系統和單機研制流程中試點，試點成功后也可推廣應用于航天器其他系統的科研生產活動。