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(gè)大型長(zhǎng)期在軌運(yùn)行的空間實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，目前已全面建成。隨著載人航天及空間站技術(shù)的快速發(fā)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(wù)規(guī)劃工作繁重、難度大?？臻g站任務(wù)規(guī)劃技術(shù)伴隨空間站而生，在應(yīng)用中不斷發(fā)展完善。國際空間站已在軌運(yùn)行多年，國外在該領(lǐng)域研究起步較早，研制出一系列功能比較完善的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，如美國約翰遜中心的集成規(guī)劃系統(tǒng)［1］，歐空局針對(duì)其運(yùn)營艙段開發(fā)的操作準(zhǔn)備和規(guī)劃系統(tǒng)［2］，俄羅斯針對(duì)其運(yùn)營艙段開發(fā)的自動(dòng)任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)［3］等。但公開發(fā)表的文獻(xiàn)主要介紹了軟件功能架構(gòu)，很少有針對(duì)空間站任務(wù)規(guī)劃具體模型和方法的研究論述。

國內(nèi)在空間站任務(wù)規(guī)劃方面的研究已有初步成果。文獻(xiàn)［4-6］從頂層設(shè)計(jì)層面對(duì)空間站任務(wù)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)、體系設(shè)計(jì)提出了建議；文獻(xiàn)［7-14］對(duì)空間站任務(wù)規(guī)劃模型及長(zhǎng)期、短期任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)［15-25］對(duì)空間站任務(wù)短期任務(wù)規(guī)劃、快速重新規(guī)劃及建模技術(shù)等進(jìn)行了研究，提出了優(yōu)化策略。上述研究主要從算法層面開展理論分析，與實(shí)際任務(wù)條件存在差異，同時(shí)，將任務(wù)簡(jiǎn)單按照模塊化處理，難以解決實(shí)際資源需求表達(dá)、事件沖突消解、關(guān)聯(lián)事件統(tǒng)籌規(guī)劃等問題。

本文結(jié)合空間站任務(wù)飛控事件規(guī)劃具體實(shí)施，通過構(gòu)建運(yùn)控資源、飛控事件需求數(shù)字空間，將飛控事件規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為數(shù)值計(jì)算及飛控事件時(shí)序設(shè)計(jì)問題，根據(jù)規(guī)劃目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)空間站任務(wù)運(yùn)控資源的動(dòng)態(tài)分配和飛控事件的統(tǒng)籌安排。

1 規(guī)劃問題及模型分析

1.1 飛控事件規(guī)劃描述

根據(jù)分層規(guī)劃的設(shè)計(jì)思路，我國空間站運(yùn)營規(guī)劃分為長(zhǎng)期規(guī)劃、中期規(guī)劃、飛行任務(wù)規(guī)劃、月事件計(jì)劃和飛控實(shí)施計(jì)劃5 個(gè)層次。飛控事件規(guī)劃屬于第5 個(gè)層次，以上層規(guī)劃結(jié)果為依據(jù)，統(tǒng)籌運(yùn)控資源（航天員人時(shí)、航天器平臺(tái)、測(cè)控）和飛控事件需求的關(guān)系，明確各飛控事件的資源配置和安排，生成用于任務(wù)實(shí)施的各類計(jì)劃文件。

1.2 飛控事件規(guī)劃模型

飛控事件規(guī)劃需要綜合考慮各個(gè)飛控事件需求及運(yùn)控資源條件，構(gòu)建任務(wù)規(guī)劃模型，對(duì)飛控事件屬性、運(yùn)控資源、約束條件、規(guī)劃目標(biāo)等進(jìn)行描述，將復(fù)雜設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)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(yùn)控資源集合；Functions 為目標(biāo)函數(shù)集合。

1.2.1 飛控事件集合

飛控事件是達(dá)成某一任務(wù)目標(biāo)的單次控制活動(dòng)，是飛控事件規(guī)劃的基本單元。飛控事件需求主要包括飛控事件優(yōu)先級(jí)、期望執(zhí)行時(shí)間、資源需求及事件間關(guān)聯(lián)關(guān)系等內(nèi)容：

式中：ID 為飛控事件編號(hào)；Name 為飛控事件名稱；Priority 為飛控事件優(yōu)先級(jí)，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(gè)等級(jí)；Times 為期望執(zhí)行時(shí)間，包括期望時(shí)間區(qū)間、期望執(zhí)行時(shí)刻、執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)等，期望時(shí)間區(qū)間是指飛控事件可執(zhí)行的最早開始時(shí)刻和最晚結(jié)束時(shí)刻之間的區(qū)間；Requirements 為資源需求，主要指飛控事件執(zhí)行對(duì)航天員人時(shí)、航天器平臺(tái)及測(cè)控等的資源需求；Relationships 為事件間關(guān)聯(lián)關(guān)系，多個(gè)事件間具有獨(dú)立、先后、并行、互斥等多種相互關(guān)系。

1.2.2 運(yùn)控資源集合

運(yùn)控資源集合可表示為

式中：ID 為資源編號(hào)；Name 為資源名稱，包括航天員人時(shí)、航天器平臺(tái)、測(cè)控等幾大類資源，具體如上下行測(cè)控鏈路、能源功耗、平臺(tái)姿態(tài)、光照陰影、數(shù)據(jù)帶寬、圖像、話音、機(jī)械臂及航天員人時(shí)等；Type為資源類型，包括布爾型、枚舉型、連續(xù)型等；Usage為使用方式，包括獨(dú)占型、共用型、分享型、消耗型等。

空間站運(yùn)控資源是時(shí)變的，不但會(huì)受空間環(huán)境條件影響，還與任務(wù)占用有關(guān)。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(tài)；航天員人時(shí)資源屬于枚舉型，航天員可用數(shù)量為0、1、2、3；空間站可用電量為連續(xù)型，受光照條件、帆板轉(zhuǎn)動(dòng)等影響而上下浮動(dòng)。

1.2.3 規(guī)劃目標(biāo)

任務(wù)規(guī)劃目標(biāo)可為

式中：fN為目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)評(píng)價(jià)指標(biāo)不同，規(guī)劃目標(biāo)可以是一個(gè)函數(shù)，也可以是多個(gè)函數(shù)聯(lián)合。

任務(wù)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(yōu)先級(jí)高的事件。設(shè)計(jì)事件安排率指標(biāo)對(duì)規(guī)劃結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)：

式中：U為任務(wù)中飛控事件總數(shù)；f1為事件安排率，用已安排事件優(yōu)先級(jí)除以所有事件優(yōu)先級(jí)計(jì)算。

2 飛控事件規(guī)劃方法

數(shù)字化是空間站技術(shù)的重要發(fā)展方向，也是解決任務(wù)規(guī)劃問題的可行措施，通過數(shù)字表達(dá)運(yùn)控資源、飛控事件需求，構(gòu)建規(guī)劃目標(biāo)函數(shù)，將飛控事件規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為資源滿足的數(shù)值計(jì)算問題。

2.1 飛控事件規(guī)劃數(shù)字模型構(gòu)建

飛控事件規(guī)劃中，時(shí)間是規(guī)劃的核心要素，以時(shí)間為單位，對(duì)運(yùn)控資源、飛控事件需求進(jìn)行數(shù)字化改造，得到規(guī)劃的數(shù)字空間。

2.1.1 運(yùn)控資源數(shù)字模型

選定某一時(shí)刻作為任務(wù)時(shí)間起點(diǎn)，以某一時(shí)長(zhǎng)為單位進(jìn)行運(yùn)控資源量化取值，得到數(shù)組如圖1所示。

圖1 多維運(yùn)控資源數(shù)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(xù)型，此處用理論值Z表示。

2.1.2 飛控事件需求數(shù)字模型

選定飛控事件起始時(shí)刻作為飛控事件需求時(shí)間起點(diǎn)，以某一時(shí)長(zhǎng)為單位進(jìn)行飛控事件需求量化取值，得到數(shù)組如圖2 所示。

圖2 多維飛控事件需求數(shù)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(guī)劃過程與結(jié)果

按照事件A、B、C 的順序，采用滑動(dòng)窗口算法開展規(guī)劃，按照時(shí)序依次計(jì)算每一時(shí)刻所有資源對(duì)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(jì)算最早開始時(shí)刻資源滿足情況

所有資源均滿足事件A 需求，該時(shí)刻計(jì)算結(jié)果為1。

2）依次向后滑動(dòng)，計(jì)算資源滿足情況

資源1 不能滿足事件A 全部需求，該時(shí)刻計(jì)算結(jié)果為0。

3）得到各類資源對(duì)事件A 的需求滿足序列：

事件A 可在滿足序列值為1 的時(shí)間區(qū)間內(nèi)安排。

事件A 安排后，以剩余運(yùn)控資源進(jìn)行事件B 的規(guī)劃，事件B 的需求滿足序列：

假設(shè)X+Y＞Z且P+Y≤Z，事件A、B 安排后，以剩余運(yùn)控資源進(jìn)行事件B 的規(guī)劃，事件C 的需求滿足序列：

每個(gè)事件對(duì)應(yīng)的需求滿足序列即為該事件規(guī)劃的解空間。

2.3 飛控事件規(guī)劃設(shè)計(jì)

由于每個(gè)事件都占用運(yùn)控資源，前序事件會(huì)對(duì)后序事件產(chǎn)生影響。在數(shù)字空間中，可將飛控事件規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型構(gòu)建、數(shù)值計(jì)算及飛控事件時(shí)序設(shè)計(jì)問題。

1）數(shù)字模型構(gòu)建

以時(shí)間為坐標(biāo)，按照某一時(shí)長(zhǎng)對(duì)運(yùn)控資源、飛控事件需求進(jìn)行數(shù)字模型構(gòu)建，得到模型數(shù)組。

結(jié)合任務(wù)實(shí)際，運(yùn)控資源一般按向下取整、飛控事件需求按向上取整策略進(jìn)行量化處理。

2）飛控事件分級(jí)分類處置

實(shí)際任務(wù)中，需要規(guī)劃的飛控事件經(jīng)常有多個(gè)，優(yōu)先級(jí)不同，事件間存在關(guān)聯(lián)關(guān)系，事件需求也不同，容易產(chǎn)生事件安排沖突問題。

將飛控事件分級(jí)分類處置，優(yōu)先安排高優(yōu)先級(jí)事件，優(yōu)先安排期望執(zhí)行時(shí)刻固定或期望時(shí)間區(qū)間短的事件，有利于提高事件安排效率。

3）規(guī)劃結(jié)果尋優(yōu)

前序事件會(huì)對(duì)后序事件產(chǎn)生影響，因此飛控事件規(guī)劃需要在不同時(shí)序下進(jìn)行規(guī)劃結(jié)果尋優(yōu)。遍歷尋優(yōu)能夠計(jì)算每一種時(shí)序的規(guī)劃結(jié)果，得到全局最優(yōu)方案。

當(dāng)事件數(shù)量較多時(shí)，對(duì)應(yīng)時(shí)序數(shù)較多，規(guī)劃計(jì)算量大。實(shí)際任務(wù)中，多數(shù)事件有各自期望時(shí)間區(qū)間和時(shí)序關(guān)系，僅需對(duì)部分事件不同時(shí)序進(jìn)行遍歷尋優(yōu)。

4）區(qū)間計(jì)算方法

理論上需要計(jì)算每個(gè)事件期望時(shí)間區(qū)間的滿足情況，在實(shí)際任務(wù)中，飛控事件時(shí)序明確后，只需計(jì)算事件滿足的時(shí)刻即可，可采用并行計(jì)算方法在多個(gè)區(qū)間分別開展計(jì)算，實(shí)際計(jì)算量是有限的。

5）飛控事件規(guī)劃結(jié)果評(píng)估方法

在求解規(guī)劃問題時(shí)，根據(jù)不同的規(guī)劃需求，設(shè)定不同的目標(biāo)函數(shù)。如在給定的時(shí)段內(nèi)，盡可能多地安排事件。

事件安排率是較為常見的評(píng)估方法。其他如有利于航天員作息、有利于地面應(yīng)急處置等，均可作為規(guī)劃結(jié)果的評(píng)估指標(biāo)。

3 飛控事件規(guī)劃實(shí)例化應(yīng)用

根據(jù)任務(wù)性質(zhì)，可將空間站運(yùn)控任務(wù)分為日常、重大、應(yīng)急3 類。日常運(yùn)控包括軌道控制、姿態(tài)控制、帆板控制等事件，重大運(yùn)控包括交會(huì)對(duì)接、航天員出艙、載荷進(jìn)出艙等事件，應(yīng)急運(yùn)控包括碰撞規(guī)避控制、應(yīng)急及故障處置等事件。

3.1 實(shí)例模型設(shè)計(jì)

根據(jù)前述分析，飛控事件需求主要包括飛控事件名稱、優(yōu)先級(jí)、期望執(zhí)行時(shí)間、資源需求及飛控事件間關(guān)聯(lián)關(guān)系等內(nèi)容。

假定任務(wù)時(shí)長(zhǎng)為1 d，航天員3 人，需規(guī)劃的飛控事件包括：微生物采樣、醫(yī)學(xué)實(shí)驗(yàn)（心血管研究）、夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙載荷項(xiàng)目在軌實(shí)驗(yàn)、問天實(shí)驗(yàn)艙載荷設(shè)備在軌測(cè)試、艙外服檢查及測(cè)試、航天員醫(yī)學(xué)檢查、機(jī)械臂操作在軌訓(xùn)練、出艙航天員著服訓(xùn)練、空間站平臺(tái)軟件升級(jí)、貨運(yùn)飛船設(shè)備巡檢、站務(wù)管理等，見表1。

表1 飛控事件規(guī)劃任務(wù)列表Tab.1 List of flight control event planning missions

3.2 規(guī)劃實(shí)施

按照前文構(gòu)建的規(guī)劃模型及方法，設(shè)計(jì)規(guī)劃流程如圖3 所示。

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

3.2.1 模型構(gòu)建

按照2.1 節(jié)飛控事件規(guī)劃數(shù)字模型構(gòu)建方法將飛控事件需求、運(yùn)控資源轉(zhuǎn)化為0-1 數(shù)字模型，得到飛控事件集合、運(yùn)控資源集合。

3.2.2 規(guī)劃設(shè)計(jì)

事件分級(jí)分類處置：11 個(gè)飛控事件中，1 個(gè)為二級(jí)事件、7 個(gè)為三級(jí)事件、3 個(gè)為四級(jí)事件。其中“艙外服檢查及測(cè)試”和“出艙航天員著服訓(xùn)練”有先后時(shí)序關(guān)系。

確定事件時(shí)序：按照二、三、四級(jí)的優(yōu)先級(jí)順序及先后時(shí)序關(guān)系初步排序，對(duì)同一優(yōu)先級(jí)事件，按照不同時(shí)序進(jìn)行多種時(shí)序的設(shè)計(jì)。

明確規(guī)劃計(jì)算的時(shí)間區(qū)間：按照飛控事件期望時(shí)間區(qū)間和執(zhí)行時(shí)長(zhǎng)，明確每個(gè)事件規(guī)劃計(jì)算的起止時(shí)間。

3.2.3 規(guī)劃實(shí)施

規(guī)劃實(shí)施：按照某一時(shí)序，在事件對(duì)應(yīng)的時(shí)間區(qū)間內(nèi)，利用數(shù)字模型依次計(jì)算每個(gè)事件對(duì)應(yīng)的需求滿足序列，得到在該時(shí)序下事件規(guī)劃的解空間。同步計(jì)算不同時(shí)序下的解空間。

結(jié)果評(píng)估：按照事件安排率評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同時(shí)序計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評(píng)估比較，得到結(jié)果最優(yōu)的事件時(shí)序。

規(guī)劃結(jié)果生成：按照最優(yōu)時(shí)序生成飛控實(shí)施計(jì)劃，用于任務(wù)實(shí)施。

3.3 結(jié)果分析

飛控事件規(guī)劃的一種結(jié)果如圖4 所示。

圖4 飛控事件規(guī)劃實(shí)例結(jié)果Fig.4 Results of the flight control event planning example

實(shí)例結(jié)果中11 個(gè)飛控事件安排了10 個(gè)，二、四級(jí)事件全部安排，三級(jí)事件1 個(gè)未安排。

1）6 個(gè)航天員相關(guān)飛控事件全部安排，“艙外服檢查及測(cè)試”與“出艙航天員著服訓(xùn)練”按照先后時(shí)序安排，“機(jī)械臂操作在軌訓(xùn)練”與“微生物采樣”并行實(shí)施。

2）5 項(xiàng)測(cè)控資源相關(guān)事件，“空間站平臺(tái)軟件升級(jí)”與“艙外服檢查及測(cè)試”“出艙航天員著服訓(xùn)練”并行實(shí)施，由于缺少貨運(yùn)飛船測(cè)控資源，“貨運(yùn)飛船設(shè)備巡檢”事件無法安排，

3）2 項(xiàng)空間站能源相關(guān)事件，空間站額定功率能夠滿足需求，“問天實(shí)驗(yàn)艙載荷設(shè)備在軌測(cè)試”與“夢(mèng)天實(shí)驗(yàn)艙載荷項(xiàng)目在軌實(shí)驗(yàn)”已安排并行實(shí)施。

4）1 項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)資源相關(guān)事件，“站務(wù)管理”已根據(jù)需求安排。

不同優(yōu)先級(jí)事件的完成情況如圖5 所示。其中優(yōu)先級(jí)二、四級(jí)的事件安排率達(dá)100%，三級(jí)事件的完成率為85.7%，實(shí)現(xiàn)了較高的飛控事件安排率，其事件未執(zhí)行的主要原因?yàn)槿鄙儇涍\(yùn)飛船測(cè)控資源。后續(xù)可根據(jù)規(guī)劃結(jié)果，進(jìn)行飛控事件需求或運(yùn)控資源調(diào)整，以得到滿足任務(wù)要求的規(guī)劃結(jié)果。

圖5 不同優(yōu)先級(jí)事件的完成情況Fig.5 Completion of different priority events

4 結(jié)束語

本文通過對(duì)空間站任務(wù)飛控事件規(guī)劃問題和模型的研究，提出了一種基于數(shù)字空間的飛控事件規(guī)劃方法，并結(jié)合空間站在軌任務(wù)實(shí)例，給出了數(shù)字化實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的過程，規(guī)劃結(jié)果驗(yàn)證了該方法的有效性。