空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)管理研究

陳狀 韓樾夏 胡雨欣 張偉

空間站因其近地軌道位置以及長時間處于微重力、強劑量輻射的獨特環(huán)境，被多國視為太空實驗室，研究價值得到廣泛認可。早在1984年，美國就希望與其他國家合作建立一個“永久性空間站”。在1990年代俄羅斯加盟后，國際空間站計劃正式啟動。1998年，曙光號功能貨艙發(fā)射成功，標志國際空間站正式開始建設(shè)。直至2011年，所有艙段和設(shè)備組裝完成，國際空間站進入運營階段。

雖然國際空間站建設(shè)周期長、投入巨大，但是獲得的科研成果豐碩。開展的實驗項目涉及生物學與生物技術(shù)、技術(shù)開發(fā)與驗證、教育活動與推廣、人體研究、物理科學、地球與空間科學等六大研究領(lǐng)域數(shù)十個研究方向[1-2]。截至2021年11月，國際空間站科研活動已經(jīng)產(chǎn)出2377份科學成果出版物。

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)是供任務(wù)規(guī)劃者參考使用的規(guī)劃工具，科研活動的順利執(zhí)行與其密切相關(guān)?？臻g站的任務(wù)規(guī)劃受時間需求、設(shè)備功率、設(shè)備支持能力、上下行能力、航天員工時等復雜約束條件的限制。上行實驗項目耗費的資金、有效載荷資源、運載能力資源等都非常寶貴，項目培育也會耗費大量的資金和資源，因此任務(wù)規(guī)劃是一項極其重要的工作。

美國國家航空航天局任務(wù)規(guī)劃發(fā)展脈絡(luò)

美國國家航空航天局（NASA）任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)合理規(guī)劃各項應(yīng)用資源，保障航天器的穩(wěn)定運營，解決了阿波羅登月工程、天空實驗室工程、航天飛機工程、國際空間站工程等不同階段面臨的實際難題。

阿波羅登月工程階段的任務(wù)規(guī)劃屬于短周期、集中式。該計劃使用月球軌道交匯法，解決了飛行步驟復雜、步驟精確度要求高的難題。集中式規(guī)劃使得規(guī)劃者能夠訪問有關(guān)運營任務(wù)的所有信息、任務(wù)發(fā)起人的目標和優(yōu)先級，以及可能影響運營計劃的所有約束，保證登月計劃順利進行。

天空實驗室工程階段的任務(wù)規(guī)劃屬于長周期、分布式。工程的每個載人航天任務(wù)通常持續(xù)數(shù)十天，而在任務(wù)開展之前均會制定一份完整詳細的計劃。計劃每12小時修訂一次，任務(wù)期間24小時輪班工作。這樣的規(guī)劃方式有著極好的科學回報，但存在勞動強度極大、難以長期操作的弊端。

航天飛機工程階段既有集中式的飛行任務(wù)，也有航天飛機與“和平號”空間站的聯(lián)合飛行任務(wù)。這一階段進行的太空實驗室工程的任務(wù)規(guī)劃回歸阿波羅工程階段的短周期，產(chǎn)生了PLAN-IT、SLS-PLAN-IT、PLAN-IT-2等大量的規(guī)劃工具，降低了規(guī)劃工作的難度。PLAN-IT是噴氣推進實驗室開發(fā)了四年、基于人工智能的交互式圖形時間軸編輯器。SLS-PLAN-IT是用于支持空間實驗室生命科學任務(wù)-Ⅰ（SLS-Ⅰ）期間的實時反應(yīng)式調(diào)度任務(wù)軟件。PLAN-IT-2對PLAN-IT做了進一步改進，考慮了太空實驗室多個規(guī)劃層次的資源約束，可隨著任務(wù)目標和需求的變化，適應(yīng)相應(yīng)的規(guī)則和策略。

國際空間站的主要成員國各自開發(fā)了任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)，其中當屬美國開發(fā)的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)最多。如集成規(guī)劃系統(tǒng)（integrated planning system， IPS）用于規(guī)劃航天飛機任務(wù)和國際空間站任務(wù)，統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)（consolidated planning system， CPS）是其核心子系統(tǒng)[3]；載荷規(guī)劃系統(tǒng)（payload planning system， PPS）由馬歇爾飛行中心開發(fā)，主要是對有效載荷進行規(guī)劃[4]；站載短期計劃查看器（on-board short term plan viewer， OSTPV）適用于查看短期計劃，并允許對計劃進行有限的規(guī)劃[5]；運營規(guī)劃時間軸集成系統(tǒng)（operations planning timeline integration system， OPTIMIS）利用技術(shù)改進和簡化任務(wù)規(guī)劃[6]；Playbook是一款專為航天員設(shè)計的計劃執(zhí)行工具，具有約束檢查和違規(guī)可視化的協(xié)作自調(diào)度、完整活動執(zhí)行狀態(tài)查看、任務(wù)列表查看等功能[7]。

國際空間站任務(wù)規(guī)劃發(fā)展階段

隨著任務(wù)需求的多樣化、規(guī)劃技術(shù)的進步，國際空間站的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)也不斷創(chuàng)新和迭代。根據(jù)系統(tǒng)更替的大事件，國際空間站任務(wù)規(guī)劃的發(fā)展分為多層遞階規(guī)劃、一體化協(xié)同和自調(diào)度三個階段。由于航天工程復雜性極高，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)都有預研階段，且系統(tǒng)更替過程中存在逐步迭代，因此各階段在時間上會有重合。

多層遞階規(guī)劃階段（1980年代—2015年）

在多層遞階規(guī)劃階段，復雜的空間站規(guī)劃被分解為不同顆粒度（granularity）的規(guī)劃子問題。每個子問題產(chǎn)生的解均作為下一個子問題的輸入，逐步分解，形成遞階結(jié)構(gòu)。需要指出的是，NASA將空間站規(guī)劃劃分為戰(zhàn)略規(guī)劃、戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃、任務(wù)級規(guī)劃、執(zhí)行級規(guī)劃四個層次，并將其確定為基線（baseline）。

集成規(guī)劃系統(tǒng)和載荷規(guī)劃系統(tǒng)主要針對任務(wù)級規(guī)劃層級，其分布格局在天空實驗室工程階段形成。集成規(guī)劃系統(tǒng)主要用于規(guī)劃飛行任務(wù)、后勤維護、資源管理等，載荷規(guī)劃系統(tǒng)主要用于規(guī)劃有效載荷。各國開發(fā)的各種規(guī)劃系統(tǒng)都使用集成規(guī)劃系統(tǒng)進行集成整合，詳細計劃國際空間站在軌活動，生成和分析地面活動、在軌活動的時間和安排，實施多項資源編排。站載短期計劃查看器針對執(zhí)行級規(guī)劃層級，是有一定規(guī)劃功能的任務(wù)查看器。任務(wù)級規(guī)劃由集成規(guī)劃系統(tǒng)生成，再細分為執(zhí)行級規(guī)劃加載到站載短期計劃查看器。

集成規(guī)劃系統(tǒng)屬于交互式任務(wù)規(guī)劃與資源管理系統(tǒng)，其研發(fā)工作早在1980年代就已啟動。該系統(tǒng)根據(jù)任務(wù)需求與約束進行任務(wù)規(guī)劃，功能包括任務(wù)規(guī)劃、資源調(diào)度、約束檢測等，主要用于飛行任務(wù)規(guī)劃、平臺規(guī)劃和規(guī)劃集成，能夠開發(fā)針對整個增量期間的精確到某天的計劃、一周內(nèi)將執(zhí)行任務(wù)的綜合計劃、三天任務(wù)的綜合計劃等。它可為各國同時處理時間線，集成各國規(guī)劃方案，發(fā)展出時間線分離與集成法。

載荷規(guī)劃系統(tǒng)從2006年開始啟用，是專門為滿足空間站分布用戶的有效載荷規(guī)劃需求而設(shè)計的規(guī)劃系統(tǒng)。其采用資源分層法和資源包絡(luò)法以適應(yīng)多層遞階結(jié)構(gòu)的特點。資源分層法使得規(guī)劃者了解每一級的所有資源請求，從而確保資源的合理分配，更好滿足規(guī)劃需求[8]。資源包絡(luò)法是將未被占用的設(shè)備負載能力、功率等資源打包成多個資源包絡(luò)，靈活分配給有需要的運營任務(wù)，能夠有效銜接有效載荷規(guī)劃從各個規(guī)劃中心到總體的集成過程，協(xié)助統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)進行系統(tǒng)整體層面的規(guī)劃。

站載短期計劃查看器于2007年發(fā)布了最終版本。它起初是為了方便檢測數(shù)據(jù)傳輸活動是否違反國際空間站的S波段約束，后來逐漸演化成為航天員和地面控制人員用來查看和操作國際空間站短期計劃的工具。站載短期計劃查看器的輸出界面是遞階規(guī)劃的最后一步，展示任務(wù)的開始時間、持續(xù)時間以及資源分配與使用方案。航天員可通過它查看當前的短期計劃，包括任務(wù)甘特圖、空間站軌道相關(guān)信息、通信覆蓋范圍和航天員執(zhí)行任務(wù)相關(guān)信息等。

多層遞階規(guī)劃是國際空間站得以成功運營的重要基礎(chǔ)，影響深遠，后續(xù)的空間站規(guī)劃研究都是在此基礎(chǔ)上的延伸與改進。

一體化協(xié)同階段（2012年—）

一體化協(xié)同階段在多層遞階規(guī)劃階段的基礎(chǔ)上，進一步加強各規(guī)劃層次間的聯(lián)系，簡化跨系統(tǒng)平臺的規(guī)劃集成。此階段涉及的運營規(guī)劃時間軸集成系統(tǒng)由約翰遜空間中心與艾姆斯研究中心共同開發(fā)。它是利用技術(shù)升級和協(xié)同簡化的規(guī)劃系統(tǒng)，主要包括Score、規(guī)劃存儲庫、WebAD、OPTIMIS Viewer等組件。運營規(guī)劃時間軸集成系統(tǒng)在集成規(guī)劃系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上進行了進一步升級完善，其各子系統(tǒng)基本與多層遞階規(guī)劃階段的各子系統(tǒng)對應(yīng)，技術(shù)上完成了迭代升級，比起前一階段有了較大提升：無需多個規(guī)劃系統(tǒng)的跨平臺操作，將多個不同的規(guī)劃工具整合到一個規(guī)劃系統(tǒng)和流程中。

自調(diào)度階段（2016年—）

隨著太空探索的深入，空間任務(wù)愈加復雜，目前，任務(wù)控制中心無法對不確定性任務(wù)變更、環(huán)境影響等突發(fā)情況進行實時快速的響應(yīng)。航天員在長期探索任務(wù)（long-duration exploration missions， LDEM）中比在近地軌道飛行任務(wù)中需要進行更多自調(diào)度權(quán)限進而實現(xiàn)任務(wù)。

NASA由此提出航天員自調(diào)度的運營概念，以應(yīng)對長期太空探索會出現(xiàn)的響應(yīng)不及時問題。具體內(nèi)容為，航天員借助規(guī)劃系統(tǒng)和軟件自行安排時間表，規(guī)劃中心從地面轉(zhuǎn)移到航天器中，規(guī)劃者由地面的計劃員轉(zhuǎn)為航天員。未來，機組人員需要在不違反資源可用性、任務(wù)順序等約束條件下，僅靠自身重新安排時間表。Playbook在此背景下由NASA設(shè)計開發(fā)，這是一種自調(diào)度軟件的應(yīng)用，應(yīng)被視為人類長期太空探索的一項科學實驗。

任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)管理理念

“系統(tǒng)工程”是組織管理“系統(tǒng)”的規(guī)劃、研究、設(shè)計、制造、試驗和使用的科學方法。NASA 系統(tǒng)工程體系始建于1980年代后期。挑戰(zhàn)者號航天飛機失事后，NASA認識到每一項航天計劃和項目都是一項復雜的系統(tǒng)工程，于是開始著手全面構(gòu)建航天系統(tǒng)工程的過程與要求的規(guī)章和標準，并在后續(xù)工作中不斷完善。

結(jié)構(gòu)分解

系統(tǒng)工程將系統(tǒng)作為一個整體進行分析，厘清總體中各部分之間的相互聯(lián)系和相互制約關(guān)系，并使這些部分服從整體優(yōu)化要求。NASA系統(tǒng)設(shè)計的基本步驟[9]如下：第一，考慮初步概念方案和關(guān)鍵系統(tǒng)，確定任務(wù)需求。第二，建立邏輯分解模型/圖表，將需求轉(zhuǎn)變?yōu)橐晥D并顯示它們的關(guān)系。第三，將子組件視為一個獨立產(chǎn)品，考慮新需求和派生需求，進一步向下分解，分解形成子組件后重復，直至最底層。

以國際空間站規(guī)劃系統(tǒng)為例，它的集成規(guī)劃系統(tǒng)不僅負責規(guī)劃集成，還負責飛行任務(wù)規(guī)劃和平臺規(guī)劃，因此，包括了統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)、統(tǒng)一維護后勤規(guī)劃工具、飛行動力學規(guī)劃與分析工具、飛行程序開發(fā)與控制工具、資源利用規(guī)劃與系統(tǒng)模型工具以及機器人規(guī)劃設(shè)備等。國際空間站規(guī)劃系統(tǒng)不斷向下分解，各個系統(tǒng)分解成子系統(tǒng)，彼此之間緊密聯(lián)系，相應(yīng)功能不斷完善，共同構(gòu)成一個完整的規(guī)劃系統(tǒng)。

整體與局部協(xié)調(diào)

系統(tǒng)工程在分析局部問題時，是從整體的需要出發(fā)來尋求問題的解決方法。NASA在進行多個規(guī)劃方案的集成時，考慮了系統(tǒng)工程的管理理念，規(guī)劃系統(tǒng)中產(chǎn)生了多種方法進行規(guī)劃的集成。

以有效載荷規(guī)劃為例，先由載荷規(guī)劃系統(tǒng)對實驗任務(wù)進行規(guī)劃，選用資源分層法和資源包絡(luò)法進行分布式規(guī)劃。資源分層法使需求自下而上層層傳遞，規(guī)劃者只需針對結(jié)構(gòu)的每個級別分別進行規(guī)劃。布什（J. L. Bush）等[10]在1987年為國際空間站研發(fā)的資源包絡(luò)法能夠協(xié)調(diào)不同級別的有效載荷任務(wù)并分別進行規(guī)劃。

在載荷規(guī)劃系統(tǒng)完成載荷規(guī)劃后，國際空間站還需要通過統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)對包括載荷規(guī)劃在內(nèi)的多項活動進行編排。為協(xié)調(diào)規(guī)劃系統(tǒng)整體與局部的關(guān)系，統(tǒng)一規(guī)劃系統(tǒng)采用了一種合并時間線數(shù)據(jù)的方法——時間線分離與集成法。時間線分離用于創(chuàng)建時間線的子集，以便多個用戶同時處理同一時間線。子集創(chuàng)建后，用戶可對任一時間線進行更新，然后使用時間線集成將更新合并至主時間線。

應(yīng)對需求變化

系統(tǒng)開發(fā)的一般流程是首先確定規(guī)劃需求，再對規(guī)劃需求進行分解，從而設(shè)計不同系統(tǒng)與子系統(tǒng)以實現(xiàn)相應(yīng)的功能。然而，在系統(tǒng)開發(fā)的概念研究項目階段到初步設(shè)計項目階段之間的進一步權(quán)衡研究和分析，可能會導致需求發(fā)生變化。NASA開發(fā)團隊運用系統(tǒng)工程方法，設(shè)計出增量開發(fā)法以適應(yīng)不斷變化的用戶需求[11]。增量開發(fā)法能夠滿足不斷變化的需求，應(yīng)對系統(tǒng)的外部變化，使得整個系統(tǒng)處于不斷改善的狀態(tài)。

它在添加新功能時，將新功能作為核心功能的附加部分進行迭代。整個流程形成閉環(huán)：將新增的需求再次分解，設(shè)計出相應(yīng)的子系統(tǒng)以滿足要求，之后再次判斷需求是否變化，直至需求不再變動，最終形成基線。同時，NASA還要求所有變更必須進行評估，以確定其對各層次需求的影響。

若干啟示

當前，中國空間站正處于建成運營初期，任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)需進一步搭建。國際空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計經(jīng)驗則可為中國建立系統(tǒng)、全面、高效的空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)提供重要參考。

注重系統(tǒng)性思維，加強頂層設(shè)計 加強空間站任務(wù)規(guī)劃頂層設(shè)計，在操作方面，有助于形成結(jié)構(gòu)清晰、層次清楚的規(guī)劃系統(tǒng)，極大簡化操作流程，顯著提升規(guī)劃效率；在協(xié)調(diào)方面，有助于分析多個層級任務(wù)之間的相互作用關(guān)系和制約關(guān)系，提高資源利用效益。

全面考慮規(guī)劃要素，提供連續(xù)性規(guī)劃方案 充分考慮各類規(guī)劃要素，分析各個要素的屬性，以生成全面的規(guī)劃方案，從而有助于實現(xiàn)空間站的復雜約束，提升方案可行性。通過檢驗規(guī)劃周期內(nèi)各離散時間段的開始時間和結(jié)束時間，實現(xiàn)連續(xù)規(guī)劃，有助于保證短期任務(wù)規(guī)劃和總體任務(wù)規(guī)劃方案的連續(xù)性，增強對系統(tǒng)外部變化的適應(yīng)性。

明確任務(wù)先后關(guān)系，提升規(guī)劃效率 規(guī)劃效率是保證空間站各項任務(wù)高效開展的又一重點。中國空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)分析各項任務(wù)的關(guān)鍵信息，明確任務(wù)的先后關(guān)系，并滿足任務(wù)開始時刻與結(jié)束時刻的約束，從而大幅減少計算量，突破計算速度的限制。

未來，中國空間站任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足任務(wù)規(guī)劃的需求，符合空間站實際情況，從全局層面考慮多層次任務(wù)的協(xié)調(diào)規(guī)劃問題，加強對規(guī)劃要素、規(guī)劃時期的全面分析，有效梳理各項任務(wù)的執(zhí)行順序，生成高效、可行的任務(wù)規(guī)劃方案，提升空間站運營效率。

[1] THUMM T L， ROBINSON J A， BUCKLEY N， et al. International Space Station benefits for humanity//The 63rd International Astronautical Congress（IAC2012）. Naples： IAF， 2012：3780-3789.

[2]韓淋，王海名，范唯唯，等. 2020年國際空間站科研與應(yīng)用進展.載人航天， 2021， 27（4）： 530-536.

[3]POPOV A. Mission planning on the International Space Station program， concepts and systems//IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE， 2003： 3427-3434.

[4]HAGOPIAN J， HOWELL E. Architecture for Payload Planning System （PPS） software distribution//Space Programs and Technologies Conference. Huntsville： AIAA， 1995： 1-6.

[5]FRANK J， MORRIS P H， GREENE J， et al. The challenge of evolving mission operations tools for manned spaceflight//The International Symposium on Artificial Intelligence， Robotics and Automation in Space. Los Angeles： IEEE， 2008： 1-9.

[6]SMITH E E， KORSMEYER D J， HALL V. Exploration technologies for operations]//SpaceOps 2014 Conference. Pasadena： AIAA， 2014： 1-10.

[7]MARQUEZ J J， HILLENIUS S， HEALY M. Increasing human spaceflight capabilities： Demonstration of crew autonomy through self-scheduling onboard International Space Station//International Space Station Research & Development Conference. San Francisco： NASA， 2018： 1-22.

[8]HAGOPIAN J， MAXWELL T， REED T. A distributed planning concept for space station payload operations// The 3rd International Symposium on Space Mission Operations and Ground Data Systems. Greenbelt： NASA， 1994： 287-294.

[9]HIRSHORN S R， VOSS L D， BROMLEY L K. NASA systems engineering handbook. Washington， D.C.： NASA Headquarters， 2017.

[10]BUSH J L， CRITCHFIELD A， LOOMIS A. Space station Platform Management System （PMS） replanning using resource envelopes//1987 Goddard Conference on Space Applications of Artificial Intelligence（AI） and Robotics. Greenbelt： NASA Goddard Space Flight Center， 1987： 1-17.

[11]SAINT R. Lessons learned in developing an international planning software system//SpaceOps 2002 Conference. Houston： American Institute of Aeronautics and Astronautics， 2002： 1-10.

關(guān)鍵詞：空間站 任務(wù)規(guī)劃 規(guī)劃系統(tǒng) 系統(tǒng)工程 系統(tǒng)設(shè)計 ■