一种基于数字空间的空间站任务飞控事件规划方法

高 阳，邱冬阳，姜 萍，周心婷，孟德闯

（北京航天飞行控制中心，北京 100094）

0 引言

空间站是我国首个大型长期在轨运行的空间实验平台，目前已全面建成。随着载人航天及空间站技术的快速发展，空间站在轨需要完成的飞控事件越来越多，事件类型及资源需求多样，任务规划工作繁重、难度大。空间站任务规划技术伴随空间站而生，在应用中不断发展完善。国际空间站已在轨运行多年，国外在该领域研究起步较早，研制出一系列功能比较完善的任务规划系统，如美国约翰逊中心的集成规划系统［1］，欧空局针对其运营舱段开发的操作准备和规划系统［2］，俄罗斯针对其运营舱段开发的自动任务规划系统［3］等。但公开发表的文献主要介绍了软件功能架构，很少有针对空间站任务规划具体模型和方法的研究论述。

国内在空间站任务规划方面的研究已有初步成果。文献［4-6］从顶层设计层面对空间站任务规划关键技术、体系设计提出了建议；文献［7-14］对空间站任务规划模型及长期、短期任务规划进行了研究；文献［15-25］对空间站任务短期任务规划、快速重新规划及建模技术等进行了研究，提出了优化策略。上述研究主要从算法层面开展理论分析，与实际任务条件存在差异，同时，将任务简单按照模块化处理，难以解决实际资源需求表达、事件冲突消解、关联事件统筹规划等问题。

本文结合空间站任务飞控事件规划具体实施，通过构建运控资源、飞控事件需求数字空间，将飞控事件规划问题转化为数值计算及飞控事件时序设计问题，根据规划目标，实现空间站任务运控资源的动态分配和飞控事件的统筹安排。

1 规划问题及模型分析

1.1 飞控事件规划描述

根据分层规划的设计思路，我国空间站运营规划分为长期规划、中期规划、飞行任务规划、月事件计划和飞控实施计划5 个层次。飞控事件规划属于第5 个层次，以上层规划结果为依据，统筹运控资源（航天员人时、航天器平台、测控）和飞控事件需求的关系，明确各飞控事件的资源配置和安排，生成用于任务实施的各类计划文件。

1.2 飞控事件规划模型

飞控事件规划需要综合考虑各个飞控事件需求及运控资源条件，构建任务规划模型，对飞控事件属性、运控资源、约束条件、规划目标等进行描述，将复杂设计问题转化为模型解算问题，其模型为

式中：Events 为飞控事件集合；Resources 为运控资源集合；Functions 为目标函数集合。

1.2.1 飞控事件集合

飞控事件是达成某一任务目标的单次控制活动，是飞控事件规划的基本单元。飞控事件需求主要包括飞控事件优先级、期望执行时间、资源需求及事件间关联关系等内容：

式中：ID 为飞控事件编号；Name 为飞控事件名称；Priority 为飞控事件优先级，按重要和紧急程度分为重大事件、重要事件、普通事件及其他事件等多个等级；Times 为期望执行时间，包括期望时间区间、期望执行时刻、执行时长等，期望时间区间是指飞控事件可执行的最早开始时刻和最晚结束时刻之间的区间；Requirements 为资源需求，主要指飞控事件执行对航天员人时、航天器平台及测控等的资源需求；Relationships 为事件间关联关系，多个事件间具有独立、先后、并行、互斥等多种相互关系。

1.2.2 运控资源集合

运控资源集合可表示为

式中：ID 为资源编号；Name 为资源名称，包括航天员人时、航天器平台、测控等几大类资源，具体如上下行测控链路、能源功耗、平台姿态、光照阴影、数据带宽、图像、话音、机械臂及航天员人时等；Type为资源类型，包括布尔型、枚举型、连续型等；Usage为使用方式，包括独占型、共用型、分享型、消耗型等。

空间站运控资源是时变的，不但会受空间环境条件影响，还与任务占用有关。例如，上行遥控链路资源属于布尔型，只有可用或不可用2 种状态；航天员人时资源属于枚举型，航天员可用数量为0、1、2、3；空间站可用电量为连续型，受光照条件、帆板转动等影响而上下浮动。

1.2.3 规划目标

任务规划目标可为

式中：fN为目标函数，根据评价指标不同，规划目标可以是一个函数，也可以是多个函数联合。

任务中，往往希望充分利用可用资源，尽可能多地安排事件，尤其是优先级高的事件。设计事件安排率指标对规划结果进行评价：

式中：U为任务中飞控事件总数；f1为事件安排率，用已安排事件优先级除以所有事件优先级计算。

2 飞控事件规划方法

数字化是空间站技术的重要发展方向，也是解决任务规划问题的可行措施，通过数字表达运控资源、飞控事件需求，构建规划目标函数，将飞控事件规划问题转化为资源满足的数值计算问题。

2.1 飞控事件规划数字模型构建

飞控事件规划中，时间是规划的核心要素，以时间为单位，对运控资源、飞控事件需求进行数字化改造，得到规划的数字空间。

2.1.1 运控资源数字模型

选定某一时刻作为任务时间起点，以某一时长为单位进行运控资源量化取值，得到数组如图1所示。

图1 多维运控资源数字模型Fig.1 Multi-dimensional digital model of operational control resources

式中：资源1 为布尔型，取值用0、1 表示；资源2 为枚举型，取值可为0、1、2、3；资源3 为连续型，此处用理论值Z表示。

2.1.2 飞控事件需求数字模型

选定飞控事件起始时刻作为飞控事件需求时间起点，以某一时长为单位进行飞控事件需求量化取值，得到数组如图2 所示。

图2 多维飞控事件需求数字模型Fig.2 Multi-dimensional digital model of flight control event requirements

事件A 的需求资源1 取值用1 表示，资源2 取值用0、1 表示，资源3 用理论值0、X表示：

事件B 的需求资源1 取值用1 表示，资源2 取值用0 表示，资源3 用理论值0、P表示：

事件C 的需求资源1 取值用0 表示，资源2 取值用0、2 表示，资源3 用理论值Y表示：

2.2 规划过程与结果

按照事件A、B、C 的顺序，采用滑动窗口算法开展规划，按照时序依次计算每一时刻所有资源对事件A 需求的满足情况，得到飞控事件需求的满足序列。

1）计算最早开始时刻资源满足情况

所有资源均满足事件A 需求，该时刻计算结果为1。

2）依次向后滑动，计算资源满足情况

资源1 不能满足事件A 全部需求，该时刻计算结果为0。

3）得到各类资源对事件A 的需求满足序列：

事件A 可在满足序列值为1 的时间区间内安排。

事件A 安排后，以剩余运控资源进行事件B 的规划，事件B 的需求满足序列：

假设X+Y＞Z且P+Y≤Z，事件A、B 安排后，以剩余运控资源进行事件B 的规划，事件C 的需求满足序列：

每个事件对应的需求满足序列即为该事件规划的解空间。

2.3 飞控事件规划设计

由于每个事件都占用运控资源，前序事件会对后序事件产生影响。在数字空间中，可将飞控事件规划问题转化为数字模型构建、数值计算及飞控事件时序设计问题。

1）数字模型构建

以时间为坐标，按照某一时长对运控资源、飞控事件需求进行数字模型构建，得到模型数组。

结合任务实际，运控资源一般按向下取整、飞控事件需求按向上取整策略进行量化处理。

2）飞控事件分级分类处置

实际任务中，需要规划的飞控事件经常有多个，优先级不同，事件间存在关联关系，事件需求也不同，容易产生事件安排冲突问题。

将飞控事件分级分类处置，优先安排高优先级事件，优先安排期望执行时刻固定或期望时间区间短的事件，有利于提高事件安排效率。

3）规划结果寻优

前序事件会对后序事件产生影响，因此飞控事件规划需要在不同时序下进行规划结果寻优。遍历寻优能够计算每一种时序的规划结果，得到全局最优方案。

当事件数量较多时，对应时序数较多，规划计算量大。实际任务中，多数事件有各自期望时间区间和时序关系，仅需对部分事件不同时序进行遍历寻优。

4）区间计算方法

理论上需要计算每个事件期望时间区间的满足情况，在实际任务中，飞控事件时序明确后，只需计算事件满足的时刻即可，可采用并行计算方法在多个区间分别开展计算，实际计算量是有限的。

5）飞控事件规划结果评估方法

在求解规划问题时，根据不同的规划需求，设定不同的目标函数。如在给定的时段内，尽可能多地安排事件。

事件安排率是较为常见的评估方法。其他如有利于航天员作息、有利于地面应急处置等，均可作为规划结果的评估指标。

3 飞控事件规划实例化应用

根据任务性质，可将空间站运控任务分为日常、重大、应急3 类。日常运控包括轨道控制、姿态控制、帆板控制等事件，重大运控包括交会对接、航天员出舱、载荷进出舱等事件，应急运控包括碰撞规避控制、应急及故障处置等事件。

3.1 实例模型设计

根据前述分析，飞控事件需求主要包括飞控事件名称、优先级、期望执行时间、资源需求及飞控事件间关联关系等内容。

假定任务时长为1 d，航天员3 人，需规划的飞控事件包括：微生物采样、医学实验（心血管研究）、梦天实验舱载荷项目在轨实验、问天实验舱载荷设备在轨测试、舱外服检查及测试、航天员医学检查、机械臂操作在轨训练、出舱航天员着服训练、空间站平台软件升级、货运飞船设备巡检、站务管理等，见表1。

表1 飞控事件规划任务列表Tab.1 List of flight control event planning missions

3.2 规划实施

按照前文构建的规划模型及方法，设计规划流程如图3 所示。

图3 飞控事件规划流程Fig.3 Implementation process of flight control event planning

3.2.1 模型构建

按照2.1 节飞控事件规划数字模型构建方法将飞控事件需求、运控资源转化为0-1 数字模型，得到飞控事件集合、运控资源集合。

3.2.2 规划设计

事件分级分类处置：11 个飞控事件中，1 个为二级事件、7 个为三级事件、3 个为四级事件。其中“舱外服检查及测试”和“出舱航天员着服训练”有先后时序关系。

确定事件时序：按照二、三、四级的优先级顺序及先后时序关系初步排序，对同一优先级事件，按照不同时序进行多种时序的设计。

明确规划计算的时间区间：按照飞控事件期望时间区间和执行时长，明确每个事件规划计算的起止时间。

3.2.3 规划实施

规划实施：按照某一时序，在事件对应的时间区间内，利用数字模型依次计算每个事件对应的需求满足序列，得到在该时序下事件规划的解空间。同步计算不同时序下的解空间。

结果评估：按照事件安排率评价指标对不同时序计算结果进行评估比较，得到结果最优的事件时序。

规划结果生成：按照最优时序生成飞控实施计划，用于任务实施。

3.3 结果分析

飞控事件规划的一种结果如图4 所示。

图4 飞控事件规划实例结果Fig.4 Results of the flight control event planning example

实例结果中11 个飞控事件安排了10 个，二、四级事件全部安排，三级事件1 个未安排。

1）6 个航天员相关飞控事件全部安排，“舱外服检查及测试”与“出舱航天员着服训练”按照先后时序安排，“机械臂操作在轨训练”与“微生物采样”并行实施。

2）5 项测控资源相关事件，“空间站平台软件升级”与“舱外服检查及测试”“出舱航天员着服训练”并行实施，由于缺少货运飞船测控资源，“货运飞船设备巡检”事件无法安排，

3）2 项空间站能源相关事件，空间站额定功率能够满足需求，“问天实验舱载荷设备在轨测试”与“梦天实验舱载荷项目在轨实验”已安排并行实施。

4）1 项网络数据资源相关事件，“站务管理”已根据需求安排。

不同优先级事件的完成情况如图5 所示。其中优先级二、四级的事件安排率达100%，三级事件的完成率为85.7%，实现了较高的飞控事件安排率，其事件未执行的主要原因为缺少货运飞船测控资源。后续可根据规划结果，进行飞控事件需求或运控资源调整，以得到满足任务要求的规划结果。

图5 不同优先级事件的完成情况Fig.5 Completion of different priority events

4 结束语

本文通过对空间站任务飞控事件规划问题和模型的研究，提出了一种基于数字空间的飞控事件规划方法，并结合空间站在轨任务实例，给出了数字化实现设计的过程，规划结果验证了该方法的有效性。