一種基于數字空間的空間站任務飛控事件規劃方法

高 陽，邱冬陽，姜 萍，周心婷，孟德闖

（北京航天飛行控制中心，北京 100094）

0 引言

空間站是我國首個大型長期在軌運行的空間實驗平臺，目前已全面建成。隨著載人航天及空間站技術的快速發展，空間站在軌需要完成的飛控事件越來越多，事件類型及資源需求多樣，任務規劃工作繁重、難度大?？臻g站任務規劃技術伴隨空間站而生，在應用中不斷發展完善。國際空間站已在軌運行多年，國外在該領域研究起步較早，研制出一系列功能比較完善的任務規劃系統，如美國約翰遜中心的集成規劃系統［1］，歐空局針對其運營艙段開發的操作準備和規劃系統［2］，俄羅斯針對其運營艙段開發的自動任務規劃系統［3］等。但公開發表的文獻主要介紹了軟件功能架構，很少有針對空間站任務規劃具體模型和方法的研究論述。

國內在空間站任務規劃方面的研究已有初步成果。文獻［4-6］從頂層設計層面對空間站任務規劃關鍵技術、體系設計提出了建議；文獻［7-14］對空間站任務規劃模型及長期、短期任務規劃進行了研究；文獻［15-25］對空間站任務短期任務規劃、快速重新規劃及建模技術等進行了研究，提出了優化策略。上述研究主要從算法層面開展理論分析，與實際任務條件存在差異，同時，將任務簡單按照模塊化處理，難以解決實際資源需求表達、事件沖突消解、關聯事件統籌規劃等問題。

本文結合空間站任務飛控事件規劃具體實施，通過構建運控資源、飛控事件需求數字空間，將飛控事件規劃問題轉化為數值計算及飛控事件時序設計問題，根據規劃目標，實現空間站任務運控資源的動態分配和飛控事件的統籌安排。

1 規劃問題及模型分析

1.1 飛控事件規劃描述

根據分層規劃的設計思路，我國空間站運營規劃分為長期規劃、中期規劃、飛行任務規劃、月事件計劃和飛控實施計劃5 個層次。飛控事件規劃屬于第5 個層次，以上層規劃結果為依據，統籌運控資源（航天員人時、航天器平臺、測控）和飛控事件需求的關系，明確各飛控事件的資源配置和安排，生成用于任務實施的各類計劃文件。

1.2 飛控事件規劃模型

飛控事件規劃需要綜合考慮各個飛控事件需求及運控資源條件，構建任務規劃模型，對飛控事件屬性、運控資源、約束條件、規劃目標等進行描述，將復雜設計問題轉化為模型解算問題，其模型為

式中：Events 為飛控事件集合；Resources 為運控資源集合；Functions 為目標函數集合。

1.2.1 飛控事件集合

飛控事件是達成某一任務目標的單次控制活動，是飛控事件規劃的基本單元。飛控事件需求主要包括飛控事件優先級、期望執行時間、資源需求及事件間關聯關系等內容：

式中：ID 為飛控事件編號；Name 為飛控事件名稱；Priority 為飛控事件優先級，按重要和緊急程度分為重大事件、重要事件、普通事件及其他事件等多個等級；Times 為期望執行時間，包括期望時間區間、期望執行時刻、執行時長等，期望時間區間是指飛控事件可執行的最早開始時刻和最晚結束時刻之間的區間；Requirements 為資源需求，主要指飛控事件執行對航天員人時、航天器平臺及測控等的資源需求；Relationships 為事件間關聯關系，多個事件間具有獨立、先后、并行、互斥等多種相互關系。

1.2.2 運控資源集合

運控資源集合可表示為

式中：ID 為資源編號；Name 為資源名稱，包括航天員人時、航天器平臺、測控等幾大類資源，具體如上下行測控鏈路、能源功耗、平臺姿態、光照陰影、數據帶寬、圖像、話音、機械臂及航天員人時等；Type為資源類型，包括布爾型、枚舉型、連續型等；Usage為使用方式，包括獨占型、共用型、分享型、消耗型等。

空間站運控資源是時變的，不但會受空間環境條件影響，還與任務占用有關。例如，上行遙控鏈路資源屬于布爾型，只有可用或不可用2 種狀態；航天員人時資源屬于枚舉型，航天員可用數量為0、1、2、3；空間站可用電量為連續型，受光照條件、帆板轉動等影響而上下浮動。

1.2.3 規劃目標

任務規劃目標可為

式中：fN為目標函數，根據評價指標不同，規劃目標可以是一個函數，也可以是多個函數聯合。

任務中，往往希望充分利用可用資源，盡可能多地安排事件，尤其是優先級高的事件。設計事件安排率指標對規劃結果進行評價：

式中：U為任務中飛控事件總數；f1為事件安排率，用已安排事件優先級除以所有事件優先級計算。

2 飛控事件規劃方法

數字化是空間站技術的重要發展方向，也是解決任務規劃問題的可行措施，通過數字表達運控資源、飛控事件需求，構建規劃目標函數，將飛控事件規劃問題轉化為資源滿足的數值計算問題。

2.1 飛控事件規劃數字模型構建

飛控事件規劃中，時間是規劃的核心要素，以時間為單位，對運控資源、飛控事件需求進行數字化改造，得到規劃的數字空間。

2.1.1 運控資源數字模型

選定某一時刻作為任務時間起點，以某一時長為單位進行運控資源量化取值，得到數組如圖1所示。

圖1 多維運控資源數字模型Fig.1 Multi-dimensional digital model of operational control resources

式中：資源1 為布爾型，取值用0、1 表示；資源2 為枚舉型，取值可為0、1、2、3；資源3 為連續型，此處用理論值Z表示。

2.1.2 飛控事件需求數字模型

選定飛控事件起始時刻作為飛控事件需求時間起點，以某一時長為單位進行飛控事件需求量化取值，得到數組如圖2 所示。

圖2 多維飛控事件需求數字模型Fig.2 Multi-dimensional digital model of flight control event requirements

事件A 的需求資源1 取值用1 表示，資源2 取值用0、1 表示，資源3 用理論值0、X表示：

事件B 的需求資源1 取值用1 表示，資源2 取值用0 表示，資源3 用理論值0、P表示：

事件C 的需求資源1 取值用0 表示，資源2 取值用0、2 表示，資源3 用理論值Y表示：

2.2 規劃過程與結果

按照事件A、B、C 的順序，采用滑動窗口算法開展規劃，按照時序依次計算每一時刻所有資源對事件A 需求的滿足情況，得到飛控事件需求的滿足序列。

1）計算最早開始時刻資源滿足情況

所有資源均滿足事件A 需求，該時刻計算結果為1。

2）依次向后滑動，計算資源滿足情況

資源1 不能滿足事件A 全部需求，該時刻計算結果為0。

3）得到各類資源對事件A 的需求滿足序列：

事件A 可在滿足序列值為1 的時間區間內安排。

事件A 安排后，以剩余運控資源進行事件B 的規劃，事件B 的需求滿足序列：

假設X+Y＞Z且P+Y≤Z，事件A、B 安排后，以剩余運控資源進行事件B 的規劃，事件C 的需求滿足序列：

每個事件對應的需求滿足序列即為該事件規劃的解空間。

2.3 飛控事件規劃設計

由于每個事件都占用運控資源，前序事件會對后序事件產生影響。在數字空間中，可將飛控事件規劃問題轉化為數字模型構建、數值計算及飛控事件時序設計問題。

1）數字模型構建

以時間為坐標，按照某一時長對運控資源、飛控事件需求進行數字模型構建，得到模型數組。

結合任務實際，運控資源一般按向下取整、飛控事件需求按向上取整策略進行量化處理。

2）飛控事件分級分類處置

實際任務中，需要規劃的飛控事件經常有多個，優先級不同，事件間存在關聯關系，事件需求也不同，容易產生事件安排沖突問題。

將飛控事件分級分類處置，優先安排高優先級事件，優先安排期望執行時刻固定或期望時間區間短的事件，有利于提高事件安排效率。

3）規劃結果尋優

前序事件會對后序事件產生影響，因此飛控事件規劃需要在不同時序下進行規劃結果尋優。遍歷尋優能夠計算每一種時序的規劃結果，得到全局最優方案。

當事件數量較多時，對應時序數較多，規劃計算量大。實際任務中，多數事件有各自期望時間區間和時序關系，僅需對部分事件不同時序進行遍歷尋優。

4）區間計算方法

理論上需要計算每個事件期望時間區間的滿足情況，在實際任務中，飛控事件時序明確后，只需計算事件滿足的時刻即可，可采用并行計算方法在多個區間分別開展計算，實際計算量是有限的。

5）飛控事件規劃結果評估方法

在求解規劃問題時，根據不同的規劃需求，設定不同的目標函數。如在給定的時段內，盡可能多地安排事件。

事件安排率是較為常見的評估方法。其他如有利于航天員作息、有利于地面應急處置等，均可作為規劃結果的評估指標。

3 飛控事件規劃實例化應用

根據任務性質，可將空間站運控任務分為日常、重大、應急3 類。日常運控包括軌道控制、姿態控制、帆板控制等事件，重大運控包括交會對接、航天員出艙、載荷進出艙等事件，應急運控包括碰撞規避控制、應急及故障處置等事件。

3.1 實例模型設計

根據前述分析，飛控事件需求主要包括飛控事件名稱、優先級、期望執行時間、資源需求及飛控事件間關聯關系等內容。

假定任務時長為1 d，航天員3 人，需規劃的飛控事件包括：微生物采樣、醫學實驗（心血管研究）、夢天實驗艙載荷項目在軌實驗、問天實驗艙載荷設備在軌測試、艙外服檢查及測試、航天員醫學檢查、機械臂操作在軌訓練、出艙航天員著服訓練、空間站平臺軟件升級、貨運飛船設備巡檢、站務管理等，見表1。

表1 飛控事件規劃任務列表Tab.1 List of flight control event planning missions

3.2 規劃實施

按照前文構建的規劃模型及方法，設計規劃流程如圖3 所示。

圖3 飛控事件規劃流程Fig.3 Implementation process of flight control event planning

3.2.1 模型構建

按照2.1 節飛控事件規劃數字模型構建方法將飛控事件需求、運控資源轉化為0-1 數字模型，得到飛控事件集合、運控資源集合。

3.2.2 規劃設計

事件分級分類處置：11 個飛控事件中，1 個為二級事件、7 個為三級事件、3 個為四級事件。其中“艙外服檢查及測試”和“出艙航天員著服訓練”有先后時序關系。

確定事件時序：按照二、三、四級的優先級順序及先后時序關系初步排序，對同一優先級事件，按照不同時序進行多種時序的設計。

明確規劃計算的時間區間：按照飛控事件期望時間區間和執行時長，明確每個事件規劃計算的起止時間。

3.2.3 規劃實施

規劃實施：按照某一時序，在事件對應的時間區間內，利用數字模型依次計算每個事件對應的需求滿足序列，得到在該時序下事件規劃的解空間。同步計算不同時序下的解空間。

結果評估：按照事件安排率評價指標對不同時序計算結果進行評估比較，得到結果最優的事件時序。

規劃結果生成：按照最優時序生成飛控實施計劃，用于任務實施。

3.3 結果分析

飛控事件規劃的一種結果如圖4 所示。

圖4 飛控事件規劃實例結果Fig.4 Results of the flight control event planning example

實例結果中11 個飛控事件安排了10 個，二、四級事件全部安排，三級事件1 個未安排。

1）6 個航天員相關飛控事件全部安排，“艙外服檢查及測試”與“出艙航天員著服訓練”按照先后時序安排，“機械臂操作在軌訓練”與“微生物采樣”并行實施。

2）5 項測控資源相關事件，“空間站平臺軟件升級”與“艙外服檢查及測試”“出艙航天員著服訓練”并行實施，由于缺少貨運飛船測控資源，“貨運飛船設備巡檢”事件無法安排，

3）2 項空間站能源相關事件，空間站額定功率能夠滿足需求，“問天實驗艙載荷設備在軌測試”與“夢天實驗艙載荷項目在軌實驗”已安排并行實施。

4）1 項網絡數據資源相關事件，“站務管理”已根據需求安排。

不同優先級事件的完成情況如圖5 所示。其中優先級二、四級的事件安排率達100%，三級事件的完成率為85.7%，實現了較高的飛控事件安排率，其事件未執行的主要原因為缺少貨運飛船測控資源。后續可根據規劃結果，進行飛控事件需求或運控資源調整，以得到滿足任務要求的規劃結果。

圖5 不同優先級事件的完成情況Fig.5 Completion of different priority events

4 結束語

本文通過對空間站任務飛控事件規劃問題和模型的研究，提出了一種基于數字空間的飛控事件規劃方法，并結合空間站在軌任務實例，給出了數字化實現設計的過程，規劃結果驗證了該方法的有效性。