基于协同的空间站运营飞行任务规划方法研究

王 帅，张海联，陆 彬

（1.载人航天总体研究论证中心，北京100094；2.北京机电工程研究所，北京100074）

1 引言

我国空间站在轨运行时间将达十年以上，且长期有人驻留，需要持续、实时地进行运营规划与管理，才能确保平台、人员的安全及应用效能的发挥。当前国际空间站（International Space Station，ISS）运营引入了分层规划的概念，提供了可以借鉴的理论和经验［1⁃2］，且 ISS 的任务规划技术已相对成熟，用于不同层级规划的任务规划系统（Inte⁃grated Planning System，IPS）功能也已比较完善［3］。

参考国际空间站开展运营规划的主要做法，根据由远及近、由粗到细的分层思想，本文将我国空间站运营任务分为战略级、中期、飞行任务、执行级四层规划，重点规划不同时间周期内的飞船、事件和物资等相关运营活动。其中飞行任务规划是承上启下的重要一环，一方面确保任务目标与中期规划相协调，与紧邻任务衔接紧密；另一方面作为执行级规划的输入，能够提供明确的指导。因此，为提高飞行任务规划结果的可行性和质量，本文提出一种基于协同的方式开展飞行任务规划（文中简称为“协同规划”），重点研究协同规划方法；在分析协同规划问题的基础上，结合工程实际从协同规划模型、协同策略及支撑环境等方面开展协同规划设计；最后基于分布式网络设计实现协同规划验证环境。

2 协同规划问题分析

参考 ISS 与相关研究［2，4］，本文定义我国空间站运营飞行任务规划是指在任务周期内结合在轨可用资源，在时间线上开展所有要执行事件的规划，重点是制定飞行方案、划分阶段、编排运营事件⁃活动。具体指：通过计算窗口编排飞行方案；在综合考虑在轨资源可用能力和轨道、姿态等约束的基础上，在时间线上将资源分配给相互竞争的多个事件，并检查事件约束满足情况，排解资源冲突，形成规划方案。其中任务周期是指从载人飞船发射到空间站，直至航天员随载人飞船更替撤离的这一飞行阶段。

飞行任务规划涵盖空间科学应用实验／试验、航天医学实验、航天器技术试验、平台维护维修、航天员生活等复杂多样的在轨事件，各事件的资源需求各异，约束条件众多及关系复杂。作为规划的主体，由于认知范围的限制，无论哪一领域的个体也无法完全识别众多复杂多样的规划关联因素，由单个个体无法完成任务规划。在借鉴Max⁃well、涂歆滢等人关于分布式规划、协同设计等思路［5⁃7］的基础上，本文引入协同规划的理念，便于规划过程更精确、专业的处理约束及关联关系等条件，提高飞行任务规划方案的可行性；即在同一个规划平台上，由多方共同参与协同完成任务周期内在轨事件编排，合理分配在轨资源，形成规划方案。

协同规划主要任务是为工程总体与各系统（航天员系统、空间应用系统、平台系统等）的规划专家提供一个协同工作环境，以可视化方式作为实时交互的主要手段，实现分布式环境中实时信息交互与同步，各规划专家按需对在轨事件开展调整操作，逐步迭代完成协同规划。

未来我国空间站飞行任务协同规划的任务周期长短不一，一般约为半年，故而在任务周期内发生的在轨事件往往数量较多、涉及的领域广，且涉及的因素繁杂，参与的规划主体多，因此任务协同规划需要重点解决以下三个方面的问题：

1）协同规划建模问题：协同规划模型建立包含规划主体和规划客体两类。参与协同规划的主体涉及总体、航天员、空间站、空间应用及光学舱等不同系统，需要各层次规划人员的协同工作，如何对众多规划人员建立用户模型是协同规划需要解决的问题之一。协同规划客体涉及的规划对象较多，影响因素繁杂，需要构建通用的规划模型，便于规划关联的数据信息在规划主体间、协同规划平台上交互展示，因此如何对不同领域的规划对象建立统一规划模型是需要解决的问题之一。

2）协同流程控制问题：协同规划过程中，由于参与协同规划人员较多、层次有差异，如何保障协同规划过程中规划人员操作的独立性和完整性是需要解决的问题之一。

3）协同过程数据信息一致性问题：协同规划过程中不同规划人员涉及规划方案、在轨资源使用情况、规划对象等众多信息，部分信息是动态变化的，如何在协同过程中为规划人员提供一致性信息是需要解决的问题之一。

3 协同规划设计

3.1 协同规划模型建立

3.1.1 用户模型

为不同层次的协同规划人员构建通用用户模型，便于用户与协同规划系统人机交互，开展协同操作。通用的用户模型定义如式（1）：

1）用户的基本属性UserAttr定义为UserAttr＝ ｛Name，System，Domain｝， 包括用户名称，所属系统及支持领域。

2）用户岗位UserPost分为管理员、总体、设计人员和审批人员四类岗位。

3）用户权限UserLimits指为不同用户岗位分配的权限，区分为总体和系统两类，包括查看、操作、审批等权限。

4）身份认证CA用以保障用户安全访问协同规划环境，开展协同操作。

3.1.2 规划模型

规划模型是协同规划的重点，指通过协同平台为各用户提供统一的数据信息，包括需求模型、约束模型和规划指标模型。本文在总结文献［8⁃10］中关于短期任务规划模型优点的基础上，结合工程实际设计了协同过程的规划模型。其中，需求模型是协同过程中信息交互共享的基本单元，约束模型为协同用户提供统一的约束处理策略，规划指标模型则贯穿在协同规划全过程；在协同过程中，用户按照此模型开展协同操作。规划模型定义如式（2）：

1）规划对象需求模型Object

规划对象是在轨事件⁃活动。作为信息交互共享的基本单元，规划对象需求模型定义为Ob⁃ject＝ ｛StartT， EndT， System， Pr.o， ActT， AstWork⁃Time， ComSup， DevSup， SunAngle， Act Re， …｝，主要包括通用的规划影响因素，如起止时间、所属系统、优先级、活动时长、人时、测控支持、设备支持、光照条件及活动关系等。其中测控支持Com⁃Sup包含测控区需求、测控站、数传速率及测控时长；设备支持DevSup包含功耗、散热、排废气、抽真空、负载能力等需求，还需区分其隶属舱段。

2）约束模型Constrain

任务协同规划约束包含两类，一类是自身工作条件约束，如阳光角、观测目标、微重力、温湿度等，该类约束可由参与协同规划的各系统规划人员结合空间站平台的轨道、姿态、测控区等进行解算，获取约束解空间。另一类是总体资源约束，需各系统规划人员遵循的统一约束，主要包括人时、测控通信、设备的功耗、散热等方面。

（1）人时约束模型

在轨航天员人时约束包括航天员一周工作天数约束和每天工作时间约束，要求活动尽量安排在航天员的工作时间，不占用航天员的休息时间。人时约束模型定义为 Activity.StartTime∈［Astro⁃nautWorkTimeStart， AstronautWorkTimeend］ 且 Activi⁃ty.（StartTim e ＋ Dur） ∈ ［AstronautWorkTimeStart，AstronautWorkTimeend］。

（2）测控通信约束模型

测控通信约束假设只考虑数传约束，由于测控站、通信卫星覆盖等因素影响，数传带宽也是随时间变化的曲线；因此某一时刻在执行活动的总需求带宽不得超过可用带宽总量。测控通信约束模型定 义 为：Bandwidth ≤ BD（t）。

（3）设备约束模型

一些活动在执行过程中需要一个或多个正常工作设备支持，大部分设备存在着功耗、散热、抽真空及排废气等需求，以及舱段、负载能力等约束。同一时刻，同一舱段开展实验的设备功耗、散热、抽真空、排废气满足式（3）所示条件：

由于光照条件约束、太阳帆板供电能力等因素的影响，空间站总功率随时间变化会产生波动；因此同一时刻，空间站所有工作活动的设备功耗不能超出可用总量，满足条件：Device.Power（t） ＜ Power（t）。

3）规划指标模型Fun

规划指标贯穿协同规划全过程，是各层级协同规划制定规划方案的基本依据，不同的规划指标对应输出满足决策者不同偏好的规划结果，可通过合理选取某个规划指标或多个规划指标的组合，确保规划结果达到预期目的。主要从安全性、鲁棒性和效益性三个方面设计规划指标。

（1） 安全性

任务规划的基本目标是确保航天员安全驻留、平台稳定运行，确保与之相关事件编排进规划方案。以安全性指标为主的规划目标函数可定义为式（4）：

其中，事件Eventi是与航天员、平台安全相关事件，γ是重要事件的完成度参考值，β是一般事件完成度参考值，α是指事件规划系数，即被规划为1，未被规划为0。

（2） 鲁棒性

任务规划的鲁棒性主要体现为在扰动的情况下，规划方案不受到影响或者影响较小；即不仅当规划方案按预期计划执行时的收益较好，而且在执行时遇到小的扰动时仍能保持较好的收益。在基于某收益性指标的基础上，设定一个基于关键事件邻域的鲁棒性规划指标，目标函数可定义为式（5）：

其中，U是在一定时间范围内已规划事件的个数，Δt是关键事件调整的时间范围，Eventp.t是关键事件p的执行时长，f1（Eventp）是关键事件在可调整时间范围内的收益。因此规划方案的鲁棒性主要取决于关键事件可调整时间和对应时间范围内的所有事件的收益性，f越大，规划方案的鲁棒性越强。

（3） 效益性

任务规划对效益的影响主要体现在完成事件的总收益以及各类事件的安排比例上。收益高低可以按优先级或完成事件数量等不同指标来衡量；应用效益主要体现在空间应用在轨事件的安排效益总和；人时利用率主要体现在尽可能充分使用在轨人时资源。

①在轨事件完成优先级收益

事件优先级是评价事件重要性的一个重要指标，在空间站运营过程中，希望重要的事件能够尽可能多的得到执行，因此，在满足约束冲突的基础上，将规划方案中事件优先级收益最大设定为目标函数如式（6）：

②应用任务完成收益

为充分利用空间站上有限的资源，开展大规模的空间应用，发挥载人空间站工程大平台、有人参与、天地往返运输等有利条件，可将规划方案中应用任务的收益最大作设定为目标函数如式（7）：

其中，f1（Eventi.priority ＝ 1） 是保障航天员安全驻留、平台稳定运行相关的重要事件能够执行，在此基础上设定应用任务收益目标取最大值。

3.2 基于多级递阶控制的协同规划策略

多级递阶控制结构主要用于解决复杂的决策控制问题，将复杂决策问题分解为子决策问题的序列，每个子决策问题有一个解，是该决策单元的输出，也是下一个决策单元的输入，逐级分解，形成递阶结构。

飞行任务协同规划是一个多约束的复杂规划问题，亦即是一个复杂的决策控制问题，需要把维数高、求解难的复杂协同规划问题分解为若干维数低、较为简单的子问题，分解为不同层级的协同规划，目的是获得一个满足约束的可行解。这样便于各层级建立数学模型和求解，节约运算时间；便于各层级就地控制，快速反应，有利于在线实时协同控制。基于多级递阶控制的设计，协同规划可分解为系统间协同规划与系统内协同规划两个层级，各层次的协同规划参与方按照权限统筹负责，实现系统间、系统内部等不同层级的协同规划及控制，主要流程如图1所示。

图1 多级递阶协同规划流程Fig.1 Procedure of multi⁃level hierarchical Collabo⁃rative planning

1）场景创建

由总体创建场景，确定飞行方案、明确重要事件时间节点、规划指标，给出总体在轨资源与约束信息，在轨资源包括人时、功耗、散热、测控等，约束主要包括空间站的轨道、姿态信息以及在轨物资状态等；作为协同规划的基本输入，总体下发该场景至各系统。

2）系统内协同规划

多个系统同时组织开展本系统内协同规划，结合协同规划模型，由用户模型控制不同层级规划岗位的操作权限与流程；由规划模型的约束模型、规划指标模型实现全局的快速重规划、冲突检查等功能。主要过程：设计规划岗位按照权限，根据新下发的规划场景，构建协同规划相关模型开展初步规划，利用快速重规划、冲突检查、辅助分析工具等功能完成实时在线编排过程；完成后保存并提交，待审批。审批规划岗位通过历史版本对比，审查提交信息，按需调整并审批。以此迭代更新，系统内完成协同编排后上报总体，等待开展系统间协同编排。

3）系统间协同规划

在总体的组织下开展系统间的协同规划，主要策略是按照优先级等原则化解冲突和远程协商化解冲突。其操作过程与系统内协同规划类似，先是确定资源冲突的事件，按照冲突化解策略初步开展冲突消解。可按照多约束的角度化解冲突，如按照优先级，或同等优先级时，可按照自身强约束、人时需求、测控需求等方式逐步消解。若仍存在不可调解的冲突，可借助远程协商系统面对面交流开展协同编排。以此迭代更新，最终多方均确认后输出规划方案。

3.3 协同规划支撑环境

协同规划支撑环境支持多人在线协同规划同一方案，能够实时同步规划结果和资源使用信息，最终让规划人员共同完成一项规划任务。基于分布式网络，采用B／S架构设计任务协同规划支撑环境，主要框架如图2所示。

图2 协同规划支撑环境基本框架Fig.2 Basic framework of collaborative planning support environment

该支撑环境重点提供如下支持能力：

1）岗位及权限管理。规划过程中涉及总体、航天员、空间应用、平台等不同领域，需要为不同用户设置岗位及权限，主要包括岗位增、删、改及权限配置等功能。

2）多机实时在线协同操作。为各岗位提供实时在线操作环境，提供图形操作、界面输入、方案推荐等功能，能根据在线操作实时进行冲突检测；同时按照需求和岗位权限控制在线操作流程。

3）数据一致性控制。为各岗位提供统一的规划场景、规划方案、在轨资源使用情况、规划对象等数据信息；在协同操作过程中，参与用户间能够实时同步操作信息，保持全局数据的一致性。

4）辅助分析工具集成。包括两方面：一是总体辅助分析软件，如轨道计算分析软件、能源平衡分析软件、热控平衡分析软件等辅助分析软件，为协同规划提供总体约束分析支持。二是各系统规划支持系统、不同载荷约束解算软件等。

其中，数据一致性控制是协同的关键，本文同样采取了多级递阶控制方式实现协同过程的数据一致性控制。分为源数据、系统级数据、用户数据及缓存数据等，结合协同操作实现不同层级数据的发布与同步，如图3所示。程如图4所示。

由系统级数据表同步、分发的用户数据表是统一的，系统内各用户基于用户数据表开展协同操作。主要过程为：各用户分别选择操作对象，按需调整编辑，此时操作对象处于锁定状态；调整完成后该用户保存本地操作至用户数据表；用户数据表实时更新到系统级数据表，至此操作对象处于锁定状态，本地操作对其他用户不可见。系统级数据表实时分发更新信息，同步所有用户数据表，实现当前操作信息系统内可见；同时释放操作对象，便于其他用户再次按需操作调整。

4 实例验证

图3 多级递阶数据一致性控制图示Fig.3 Chart of multi⁃level hierarchical data consis⁃tency control

数据一致性控制分为三层结构，第一层由源数据保障各系统级数据表的分发与同步；第二层由系统级数据表保障各用户数据表的分发与同步；第三层由用户数据表保障本用户缓存数据的存储与同步。以系统内协同为例，数据同步的过

为验证任务协同规划设计思路的正确性，基于B／S架构实现了协同规划验证环境基本功能。基于浏览器登录访问、协同规划、数据一致性等功能，实现多用户分布式实时在线访问操作，主要功能组成如图5所示。

协同规划验证环境基本功能分为三层：第一层是Web浏览器端，包括身份认证、信息展示、信息查询及协同操作等功能；第二层是协同规划主要功能层，重点包括权限管理与工作流控制、协同操作基本功能、方案推荐与定位、数据一致性控制等功能；第三层是数据库，包括用户信息、规划模型、规划方案及协同过程数据等。

图4 系统内协同数据一致性控制序列图Fig.4 Sequence chart of intra⁃system collaborative data consistency control

图5 功能组成Fig.5 Functional components

为了在实际工程中验证协同规划的可行性，本文参考空间实验室任务的相关数据，设定任务周期为2个月，在轨驻留2人，假定总体可用的功耗、带宽等具体数值，在轨事件⁃活动包括载荷实验、航天医学实验及技术实验等，共1329项。基于该环境开展系统内协同与系统间协同。在协同过程中假定了人时、功耗的相关冲突。以人时冲突为例，在同一时刻存在两个事件抢占航天员人时的情况，基于事件优先级策略进行调整。由低优先级事件的关联用户进行规划调整操作，通过推荐方案功能快速计算给出待调整事件的可调整区间；该功能是在不修改其他事件的基础上，结合总体可用资源和约束，计算得到能够满足该事件的可行解，不影响已编排的方案。同时，其他用户可按需调整其它资源冲突关联事件；通过多轮迭代操作完成协同规划。协同调整操作流程示例如图6所示。

图6 协同操作流程示例Fig.6 Sample of collaborative operation procedure

本次协同规划实例应用，一方面验证了多用户实时在线协同规划的过程；另一方面验证了协同规划的高效性，区别于传统的会议模式协调冲突，该环境减少了工作的人时成本。无论是系统内或系统间协同，可按系统→领域→类别→具体事件的层次明确参与冲突化解的用户，避免多轮全员参与开会讨论的状况。

5 结论

本文针对我国空间站飞行任务协同规划的特性，结合大系统控制论中的“多级递阶控制”理论提出的基于多级递阶控制的协同规划策略和协同数据一致性控制方法，可有效地保证多用户协同规划过程中资源、约束等信息的一致性和有效性，可作为我国空间站运营飞行任务规划的一条可行的技术途径。

［1］ Leuttgens R， Volpp J.Operations planning for the interna⁃tional space station［J］.ESA bulletin， 1998， 94（1998）： 1⁃7.

［2］ 罗亚中，林鲲鹏，唐国金.空间站运营任务规划技术评述［J］.载人航天， 2012， 18（2）： 7⁃13.

Luo Yazhong， Lin Kunpeng， Tang Guojin.Review on space station operation mission planning technology［J］.Manned Spaceflight， 2012， 18（2）： 7⁃13.（in Chinese）

［3］ Popov A.Mission planning on the international space station program， concepts and systems［C］ ／／IEEE Aerospace Con⁃ference， Big Sky， MT， USA.2003： 3427⁃3434.

［4］ Lubin D，Conley C，Bilodeau J.Space station freedom flight crew integration ground rules and constraints［C］／／Space Programs and Technologies Conference.2013：188⁃194.

［5］ Maxwell T G，Mcnair A R.Lessons learned in developing multiple distributed planning systems for the International Space Station［C］ ／／Space Ops 2002， the Seventh for the In⁃ternational Symposium on Space Mission Operations and Ground Data System.Houston， Texas， October 2002.

［6］ 涂歆滢，杨雷.国外航天器协同设计中心现状分析［J］.航天器工程， 2009， 18（1）： 83⁃88.

Tu Xinying， Yang Lei.Overview of satellite concurrent design center［J］.Spacecraft Engineering， 2009， 18（1）： 83⁃88.（in Chinese）

［7］ 孟新，杨震.空间科学探测任务集同论证平台［J］.科研信息化技术与应用，2011，2（3）： 56⁃65.

Meng Xin， Yang Zhen.The space science mission concurrent design platform［ J］.e⁃Science Technology ＆ Application，2011， 2（3）： 56⁃65.（in Chinese）

［ 8 ］ Bu H J， Zhang J， Luo Y Z， et al.Multi⁃objective optimiza⁃tion of space station short⁃term mission planning［J］.Science China Technological Sciences， 2015， 58（12）： 2169⁃2185.

［9］ 卜慧蛟，张进，罗亚中，等.基于本体理论的空间站短期任务规划领域建模研究［J］.载人航天，2016，22（2）：191⁃201.

Bu Huijiao， Zhang Jin， Luo Yazhong， et al.Modeling of space station short⁃term mission planning domain based on on⁃tology theory［J］.Manned Spaceflight， 2016， 22（2）： 191⁃201.（in Chinese）

［10］ 邱冬阳，卜慧蛟，王帅，等.空间站运营在轨任务并行规划技术研究［J］.载人航天， 2016，22（6）： 680⁃686.

Qiu Dongyang， Bu Huijiao， Wang Shuai， et al.Research on parallel planning technology for on⁃board mission planning of space station operation［J］.Manned Spaceflight， 2016， 22（6）： 680⁃686.（in Chinese）