张学波, 赵东波, 张 奕

(1. 装备学院研究生管理大队，北京 101416； 2. 装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京 100072)

体系结构驱动的空间智能操控装备体系效能仿真评估

张学波1, 赵东波2, 张 奕1

(1. 装备学院研究生管理大队，北京 101416； 2. 装甲兵工程学院装备指挥与管理系，北京 100072)

针对空间智能操控装备体系效能仿真评估问题，提出了评估指标，采用“体系结构模型+性能模型”评估思路，构建了仿真评估系统，重点对其在轨服务任务中的关键环节——指挥控制流程、任务规划、轨道机动和在轨操作——进行了仿真评估，得到了评估指标值，为该类装备体系效能的仿真评估提供了技术支撑。

空间智能操控装备；体系效能；仿真评估；任务规划

空间智能操控装备是指具有对空间合作或非合作目标进行捕获、跟踪、接近和在轨操作能力，兼有智能自主控制模式或地面遥控操作模式，能够执行空间主动防护、在轨状态监测和在轨装备保障等多种任务的新型智能航天器，主要用于完成航天器的在轨服务保障任务，如在轨维修和在轨燃料加注等[1]。近年来，以美、日、欧等为代表的航天大国纷纷开展了空间智能操控装备的研制和试验，如美国的“轨道快车”和“通用轨道修正航天器”、日本的“工程试验卫星”、德国的“实验服务卫星”等。这些研制与试验充分表明了空间智能操控装备在未来航天装备体系中的重要位置，它将成为未来航天装备发展的一个重要方向。

空间智能操控装备体系主要包括上级指挥机关、空间目标监视系统、本级指挥控制中心、测控与通信系统、空间智能操控装备及目标航天器等，如图 1所示。

图1 空间智能操控装备体系

空间智能操控装备体系效能是对在一定条件下完成在轨服务保障任务的各系统综合能力的度量，是构成体系的各组分系统效能贡献度的总和，它与体系中各组成要素之间的交互作用密切相关，并受外界环境等不确定性因素的影响。通过空间智能操控装备体系效能评估能够发现空间智能操控装备体系完成在轨服务保障任务时存在的问题与不足，可为体系优化和装备改进提供指导。

目前，国内外学者研究提出的体系效能评估方法主要有效能指数法、静态综合评估法、探索性分析方法和基于仿真的方法[2]。其中：基于仿真的方法首先采用建模仿真技术建立系统的仿真模型，然后进行仿真实验得到系统数据，并通过对数据的统计处理得到系统效能指标的评估值。因此基于仿真的体系效能评估方法能清晰地反映装备间的交互作用，且评估数据易于获取，数据的可信度高，但由于体系中包含的要素多、交互作用复杂，仿真模型与场景的开发存在一定难度。

在装备体系效能仿真评估研究方面，王震雷等[3]研究了网络中心作战体系效能评估方法；张明智等[4]给出了基于MAS(Muti Agent System)的体系效能综合集成仿真模型；吴炜琦等[5]提出了基于Agent的卫星体系效能评估仿真方法；李昊等[6]给出了基于ABMS(Agent-Based Modeling and Simulation)的多卫星系统效能评估方法；Choon[7]研究了通过自适应Agent对商用航空运输系统的综合评估；Wells[8]研究了通过着色Petri网的性能评估问题；罗雪山[9]研究了基于对象Petri网的离散事件系统建模仿真环境；沈如松等[10]研究了基于Petri网的航天装备体系作战效能评估方法。而对于空间智能操控装备体系效能的仿真评估，国内研究还比较少，蔡洪亮[1]提出了基于扩展GERT(Graphical Evaluation Review Technique)网络的典型军事任务仿真评估方法；吴钰飞[11]提出了基于MAS建模仿真的体系效能评估方法。

基于上述研究成果，本文提出了“体系结构模型+性能模型”的仿真评估思路，并构建了体系效能仿真评估系统，对空间智能操控装备体系效能的仿真评估进行了研究。

1 评估指标

为全面度量空间智能操控装备体系效能，评估时既需要结合专家意见进行定性评估，也需要对其完成任务的成本及能量消耗情况进行定量评估。

在选择评估指标时，首先需要考虑能衡量空间智能操控装备任务完成情况的指标，由于其承担的任务类型较多，每一任务类型又可划分为多个任务阶段，因此很难用一个固定的指标加以描述。本文采用“任务完成质量”来表征空间智能操控装备的任务完成情况，但在不同任务阶段，由于任务目标的不同，这一指标所代表的评价内容也会有所不同，如可用获取图像信息的清晰度、完整度等来衡量空间智能操控装备近距空间目标侦察任务完成质量，且主要由专家基于仿真过程与结果来评判。

另外，空间智能操控装备的体系效能评估还需要考虑完成任务的成本，主要包括时间成本和能量成本等定量评估指标。具体评估指标如下。

1) 任务完成时间。任务完成时间是指空间智能操控装备从指挥控制中心接受任务命令到其完成在轨服务任务并开始回撤转移所需的时间,包括规划决策时间、机动运行时间和在轨操作时间。

2) 任务能量消耗。任务能量消耗主要是指空间智能操控装备执行在轨服务任务过程中消耗的能量，包括机动运行能量消耗和在轨操作能量消耗。由于在轨操作能量消耗相对机动运行能量消耗来说很微小，所以常常可被忽略。

2 体系结构驱动的体系效能仿真评估方法

2.1 “体系结构驱动”的内涵

以“体系结构驱动”为特征的现代系统工程思想、方法论以及相应的建模仿真技术，为装备体系效能仿真评估提供了新的思路与技术框架。体系结构建模与仿真技术是以体系结构为核心，从顶层结构(装备体系)入手，逐层细化，通过作战、系统和技术的相关视图来描述装备体系的组成、结构和行为，从而支撑装备体系的建模、仿真与效能评估的技术[12-14]。体系结构建模与仿真技术主要包括体系结构框架(DoDAF,Department of Defense Architecture Framework[15])、体系结构建模方法(面向过程和面向对象的方法)、体系结构的建模语言(UML(Untied Modeling Language),SysML(System Modeling Language))[16-17]和体系结构的建模工具4个方面。体系结构建模仿真技术与传统的建模仿真技术的区别如表 1所示。

表1 体系结构建模仿真技术与传统的

由表1可见:体系结构建模仿真技术与传统建模仿真技术相比存在较大差别。但二者结合将具有更突出的优势，主要体现在：

1) 自底向上和自顶向下相结合，将降低仿真模型的开发难度，节约人力、物力和财力；

2) 丰富了仿真展示的内容和观察角度，既可进行任务过程的展示，也可进行驱动任务的指挥控制及信息交互的展示；

3) 仿真驱动方式更加完善，贴近现实世界的客观实际，在时间驱动方式的基础上结合事件驱动方式，反映系统及装备对事件做出的响应；

4) 能同时服务于不同的仿真目的和用途。

2.2 仿真评估思路

本文将体系结构建模仿真技术建立的体系结构模型与传统建模仿真技术建立的仿真模型相融合，利用可执行的体系结构模型，以事件驱动方式来驱动仿真模型的执行，实现空间智能操控装备的在轨服务任务的全过程仿真，进而支撑其体系效能的评估。

首先，需要基于体系结构建模技术建立空间智能操控装备的作战体系结构模型和系统体系结构模型；然后，明确模型中影响各个活动的因素，建立性能模型来定量描述这些影响关系；再将其嵌入到体系结构模型中，建立“基于体系结构模型+性能模型”的仿真评估模型；最后，将影响因素的数值作为输入，通过仿真得到空间智能操控装备的效能评估指标值。仿真评估思路如图 2所示。

图2 体系结构驱动的空间智能操控装备 体系效能仿真评估思路

在实际建模仿真评估过程中，体系结构模型的层次受性能模型粒度的影响。若能直接提供系统级的性能模型，则不需要建立空间智能操控装备的系统体系结构模型，只需建立其作战体系结构模型；若只能提供分系统或部件级的性能模型，则需要分别建立空间智能操控装备的作战体系结构模型和系统体系结构模型。本文采用前一种方式来构建仿真评估系统。

3 仿真评估系统设计

空间智能操控装备执行在轨服务任务的过程一般分为待机轨道运行、实施轨道机动和执行在轨操作服务。当空间智能操控装备在待机轨道接收到指挥控制中心上传的任务指令时，首先进行任务规划，然后进行轨道机动，在逼近停靠目标航天器之后，即进行在轨操作。

基于空间智能操控装备的任务，结合上述仿真评估的思路，建立了空间智能操控装备体系效能仿真评估系统，其系统架构如图 3所示。

图3 空间智能操控装备体系效能仿真评估系统架构

该系统采用分布式系统架构，由体系结构建模与仿真、仿真控制与效能评估、任务规划、轨道机动仿真、在轨操作仿真和支撑数据库等模块构成。其中，支撑数据库采用Oracle 8.0实现，主要用于存储规划数据、仿真数据和评估数据。

3.1 体系结构建模与仿真模块

该模块描述空间智能操控装备在轨服务任务的作战体系结构的建模过程与视图产品，基于国防体系建模统一平台(United Platform of Defense Modeling, UPDM)来实现。UPDM是装备开发决策与装备方案分析中对体系与系统进行建模与分析的平台，主要包括UPDM Architect、UPDM Designer和UPDM Developer，分别支持体系层( DoDAF)、系统层(SysML)和软件层(UML)的建模与仿真。空间智能操控装备的作战体系结构模型如图 4所示[18-20]。

图4 空间智能操控装备的作战体系结构模型

UPDM能基于体系结构模型自动生成可执行的仿真模型，其生成方式有2种：1) 基于描述体系的图形直接生成可在UPDM仿真框架中执行的可执行模型；2) 首先基于描述体系的图形生成Library库和相应的.h头文件，然后基于VC++或其他开发语言，如Java和C等在上述Library库和.h头文件基础上进行二次开发，最后编译生成可在UPDM仿真框架中执行的应用程序。具体生成方式如图 5所示。

图5 UPDM可执行仿真模型的生成方式

3.2 仿真控制与效能评估模块

该模块就是基于图5的方式2来实现的。具体过程为：1)从UPDM以.h文件和DLL库的形式导出体系结构模型；2)进行仿真模型和仿真场景开发，需引入步骤1中UPDM生成的.h文件和DLL库；3)加入仿真控制、与UPDM交互(如GEN()和IS_IN())、网络通信和效能指标值计算等功能代码；4)编译生成可执行程序的仿真程序；5)将生成的仿真程序放在UPDM的对象执行框架(OXF)中调度执行，两者紧密耦合在一起；6)得到仿真数据。

3.3 任务规划模块

该模块提供了霍曼转移和Lambert转移2种轨道机动方式[21]:霍曼转移机动方式所需燃料最少，主要用于共面轨道转移，一般在任务时间约束较小的情况下采用;Lambert转移机动方式是一种快速轨道机动方式，可用于共面和异面轨道转移，一般在任务时间要求比较紧的情况下采用，但其燃料消耗较霍曼转移要大。轨道机动规划结果一般包括轨道机动的开始时间、持续时间以及在x、y、z三个方向的轨道机动冲量。

3.4 轨道机动仿真模块

该模块根据轨道机动规划数据进行空间智能操控装备的轨道机动仿真。其嵌入了STK(Satellite Toolkit)仿真场景，并使用了Connect、VO(Visualization Object)和Astrogator等STK组件[22]。其中：Connect组件是STK与外部工具连接的重要桥梁，它提供了用户在应用程序中调用STK的功能；VO组件以控件形式提供用户使用，利用该控件对象可调用Connect组件的各种操作命令来进行相关的仿真分析，且其仿真过程将以三维立体和二维星下点形式显示在VO控件表面；Astrogator组件是STK的机动组件，它根据空间智能操控装备的初始轨道、轨道机动类型、时机和冲量各分量大小等输入参数，计算其转移轨道，并能仿真演示其轨道转移情况。

3.5 在轨操作仿真模块

空间高真空、微重力的特点使机械臂与基座之间存在动力学耦合作用，即机械臂的运动对基座产生干扰，导致基座的位置和姿态发生改变，因此空间智能操控装备的机械臂运动学和动力学建模较固定于地面的常规机械臂要复杂得多，主要有自由漂浮和自由飞行2种控制模式。在不同的控制模式下，机械臂运动学和动力学的约束关系并不相同。

结合空间机械臂的特点，针对空间智能操控装备机械臂的运动学和动力学建模要求，提出2种控制模式下的建模步骤：1)根据空间智能操控装备机械手的质量特性和参数，分别建立在自由漂浮和自由飞行2种模式下的雅克比矩阵；2)基于旋量理论建立空间智能操控装备的正向和逆向运动学模型；3)采用牛顿-欧拉递推方法构建空间智能操控装备的逆向动力学模型，采用拉格朗日方程建立其正向动力学模型；4)在动力学模型的基础上，建立空间智能操控装备的控制模型，实现不同模式的控制；5)对空间智能操控装备目标操作过程中的碰撞检测进行研究，建立目标操作过程中的碰撞动力学模型。

4 仿真评估示例

4.1 任务想定与轨道参数设置

4.1.1 任务想定

仿照美国的“凤凰”计划，假设2020年我国某通信卫星的平台系统将发生故障，无法进行轨道和姿态调整，为了能在大幅降低成本的情况下构建新空间系统的能力，将利用空间智能操控装备回收该故障卫星的天线，并对其加以利用。

4.1.2 轨道参数设置

设本次任务背景下空间智能操控装备轨道参数分别为：半长轴8 163 km，偏心率0，轨道倾角98.5°，升交点赤经0°，近地点幅角0°。目标故障通信卫星的轨道参数分别为：半长轴10 163 km，偏心率0，轨道倾角98.5°，升交点赤经0°，近地点幅角0°。空间智能操控装备的相位为平近点角180°，目标故障通信卫星的相位为平近点角190°，参考时刻为2020年7月1日12:00:00。

4.1.3 系统构型与外观设计

空间智能操控装备主要由本体卫星及附着在其上的4个机械手组成，其中机械手分为：与目标卫星对接时使用的7自由度的对接机械手、安装了操作测量相机及光源的13自由度的柔性臂以及双臂协调操作的2个7自由度的操作机械手(以下称左臂、右臂)。目标故障通信卫星的平台上主要安装有2个天线和2个太阳能帆板，此时其姿态已失去对地三轴的稳定，空间智能操控装备与目标卫星的构型和外观如图 6所示。

图6 空间智能操控装备与目标卫星的构型和外观

4.2 仿真数据分析

根据仿真精度要求，以空间智能操控装备的在轨天线回收任务为例，进行了5次仿真分析，结果取5次仿真数据的平均值。

4.2.1 指挥控制流程仿真

图7为空间智能操控装备的指挥控制流程仿真，反映了空间智能操控装备在其装备体系范围内完成任务的过程中与其他系统的交互关系，该交互关系是通过装备之间的消息传递来实现的。

图7 空间智能操控装备指挥控制流程仿真

4.2.2 任务规划

空间智能操控装备的任务规划主要是对轨道机动进行规划。经过计算，需要实施2次轨道机动，轨道机动规划共面快速机动冲量如表 2所示。

表2 轨道机动规划共面快速机动冲量数据

4.2.3 轨道机动仿真

基于STK的Connect、VO和Astrogator等模块，空间智能操控装备相对目标航天器的2次快速轨道机动仿真效果如图 8所示。

图8 空间智能操控装备相对目标航天器的2次 轨道机动仿真效果

4.2.4 在轨操作仿真

空间智能操控装备完成在轨天线回收任务需经过3个操作步骤：1)规划支撑臂，使本体卫星到达目标卫星天线附近，调整姿态，以方便双臂系统对天线进行操作；2)展开双臂系统，由左臂扶持天线末端，右臂从工具箱取出夹断器，将夹断器移到天线附近，并夹断天线；3)双臂协调操作,将天线搬离目标卫星。在双臂运动过程中，蛇形臂末端的摄像头和光源始终跟踪双臂末端，实时拍摄双臂的操作画面。在轨天线回收仿真效果如图 9所示。

图9 在轨天线回收仿真效果

4.2.5 仿真评估数据分析

空间智能操控装备体系效能仿真评估的指标值如表 3所示。其中:任务完成质量是依据表 4所示的打分标准，邀请专家通过对仿真过程的严格判断进行评估的。

不同任务阶段其任务完成质量的评价标准并不统一,如:轨道机动阶段一般以空间智能操控装备实

表3 空间智能操控装备体系效能的仿真评估指标值

表4 任务完成质量评价打分标准

施轨道机动后与目标航天器的距离远近来评价；在轨操作阶段一般以完成操作任务的质量来评价。

影响空间智能操控装备任务完成时间的最主要因素是轨道机动时间，其占整个任务完成时间的85.5%；任务能量消耗主要是实施轨道机动所消耗的燃料:因此合理选择待机轨道，减少轨道机动的时间和燃料消耗，对提高空间智能操控装备体系效能而言至关重要。而在轨操作阶段虽然能量消耗和完成时间与轨道机动相比不多，但其是完成在轨操控服务的关键，其完成质量对完成整个在轨服务任务同样非常重要。

5 结论

本文提出的体系结构驱动的仿真评估方法具有如下优势：1)在时间驱动的基础上结合了事件驱动方式，更加贴近现实世界；2)给出了指挥控制流程及信息交互过程的仿真，丰富了仿真展示的内容；3)体系结构建模为仿真模型的开发提供了指导，降低了仿真模型的开发难度；4)利用可执行的体系结构模型来驱动仿真模型的执行，减少了仿真控制部分的开发。下一步将重点研究可执行模型的自动生成、体系结构模型与性能模型的结合，以及2种模型之间的同步机制等。

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(责任编辑:王生凤)

Effectiveness Simulation Evaluation of Space Intelligent Operation Equipment System Driven by Architecture

ZHANG Xue-bo1, ZHAO Dong-bo2, ZHANG Yi1

(1. Brigade of Postgraduate Management, Academy of Equipment, Beijing 101416, China;2. Department of Equipment Command and Administration, Academy of Armored Force Engineering, Beijing 100072, China)

For solving the problem of effectiveness simulation evaluation of the space intelligent operation equipment system, the evaluation index and the evaluation idea of “architecture model + efficiency model” are presented, and an effectiveness evaluation system is built. The key steps of the orbit service task which including command and control process, mission plan, orbit maneuver and orbit operation are evaluated by simulation, and the evaluation index value is obtained, which provides technical support for the simulation evaluation of the system effectiveness.

space intelligent operation equipment; system effectiveness; simulation evaluation; mission plan

1672-1497(2015)02-0011-07

2014-10-29

军队科研计划项目

张学波(1977-)，男，博士研究生。

V57

A

10.3969/j.issn.1672-1497.2015.02.003