深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)研究與實(shí)現(xiàn)

劉繼忠，尚海濱，劉 勇，任俊杰，葛 平，王 瓊，王銘實(shí)，周國(guó)棟，簡(jiǎn)抗抗，節(jié)德剛，康 焱，陳 鵬

(1. 探月與航天工程中心，北京 100190；2. 深空探測(cè)實(shí)驗(yàn)室，北京 100195；3. 北京理工大學(xué)宇航學(xué)院，北京 100081；4. 北京航天飛行控制中心，北京 100094)

0 引 言

深空探測(cè)領(lǐng)域是國(guó)家利益新的戰(zhàn)略制高點(diǎn),是各國(guó)競(jìng)相爭(zhēng)奪的競(jìng)技場(chǎng)[1]。以月球探測(cè)為代表的深空探測(cè)活動(dòng),不僅可以深化人類對(duì)地球、太陽系以及宇宙起源與演化等方面的研究與認(rèn)識(shí),更可以拓展人類的活動(dòng)疆域,利用豐富的空間資源。

據(jù)歐洲咨詢公司發(fā)布的《空間探索前景》報(bào)告分析,過去10年,美、歐、俄、中、日和印等6個(gè)國(guó)家/機(jī)構(gòu)共發(fā)射超過20次深空探測(cè)任務(wù);未來10年,全球預(yù)計(jì)將陸續(xù)啟動(dòng)近80次探測(cè)任務(wù),其中包括50次月球探測(cè)和10次火星探測(cè)任務(wù)[2]。近年來,美國(guó)成功實(shí)施第9次火星軟著陸[3],“帕克號(hào)”首次飛入日冕[4],“旅行者2號(hào)”飛出日球?qū)覽5],“新視野號(hào)”飛掠柯伊伯帶小行星[6]。同時(shí),美國(guó)密集出臺(tái)國(guó)家月球與行星探測(cè)新戰(zhàn)略,宣布重返月球,并確定了2018—2024年的深空探測(cè)路線圖,提出“5年內(nèi)完成載人登月”;國(guó)際上其他航天大國(guó)或機(jī)構(gòu)也加快了深空探測(cè)的步伐,日本“隼鳥2號(hào)”抵達(dá)目標(biāo)小行星并釋放著陸器[7],俄羅斯公布了其月球計(jì)劃實(shí)施路線圖,歐盟穩(wěn)步推進(jìn)深空探測(cè)計(jì)劃。

中國(guó)探月工程的“繞、落、回”三步走規(guī)劃圓滿收官,首次火星探測(cè)任務(wù)成功實(shí)現(xiàn)了火星的“繞、落、巡”,中國(guó)已進(jìn)入國(guó)際深空探測(cè)領(lǐng)域的先進(jìn)行列[8]。目前,中國(guó)探月工程四期與行星探測(cè)工程已獲得批復(fù)立項(xiàng),后續(xù)將陸續(xù)開展多次的深空探測(cè)任務(wù)。深空探測(cè)任務(wù)普遍具有飛行距離遠(yuǎn)、任務(wù)時(shí)間長(zhǎng)、環(huán)境變化大、狀態(tài)變化多、攝動(dòng)因素雜、自主要求高的特點(diǎn)[9-10]。同時(shí),深空探測(cè)任務(wù)又各有不同,在探測(cè)目標(biāo)、任務(wù)目標(biāo)、飛行方案等方面都體現(xiàn)出各自的特點(diǎn)。如何緊密圍繞深空探測(cè)重大科學(xué)問題的探尋與研究,實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)任務(wù)的整體長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃、構(gòu)建系統(tǒng)體系能力是需要解決的重要問題[11]。

探測(cè)器飛行軌跡是深空探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)線。構(gòu)建適應(yīng)不同探測(cè)目標(biāo)、不同探測(cè)器配置、不同飛行方案,以及能夠覆蓋深空探測(cè)全域的飛行軌跡設(shè)計(jì)能力是開展深空探測(cè)任務(wù)的核心技術(shù)基礎(chǔ),是深空探測(cè)中長(zhǎng)期任務(wù)規(guī)劃、工程立項(xiàng)論證、任務(wù)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的重要手段。國(guó)外相關(guān)航天機(jī)構(gòu)為了提高任務(wù)總體規(guī)劃與設(shè)計(jì)效率,避免各系統(tǒng)之間低效的反復(fù)溝通迭代,開發(fā)了多樣的任務(wù)方案設(shè)計(jì)與分析軟件系統(tǒng)。例如,美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的行星際飛行方案設(shè)計(jì)與分析軟件系統(tǒng)、NASA開發(fā)的用于月球和行星系探測(cè)軌道計(jì)算與仿真軟件平臺(tái)GMAT[12]、ESA開發(fā)的用于全局優(yōu)化設(shè)計(jì)行星系轉(zhuǎn)移軌道的軟件系統(tǒng)PaGMO[13]以及著名的航天器軌道計(jì)算與仿真分析軟件STK等。這些軟件系統(tǒng)的開發(fā)與使用為深空探測(cè)任務(wù)方案的規(guī)劃、設(shè)計(jì)與分析提供了極大的便利。特別是ESA,在集成了STK等軟件基礎(chǔ)上,形成了多學(xué)科協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)CDF[14],大大提高了任務(wù)級(jí)的設(shè)計(jì)能力。

在月球與行星探測(cè)工程牽引下,中國(guó)深空探測(cè)任務(wù)飛行軌跡設(shè)計(jì)工作近年來取得了豐碩的成果,積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)[15]。同時(shí),也存在著以下主要問題:1)復(fù)雜任務(wù)設(shè)計(jì)能力弱,仍以局部?jī)?yōu)化、分段拼接的方式為主,造成整體方案優(yōu)化不足、設(shè)計(jì)效能不高;2)缺乏全域優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng),仍以工程各系統(tǒng)、各單位獨(dú)立設(shè)計(jì)的方式開展工作,任務(wù)設(shè)計(jì)效率低、周期長(zhǎng),難以適應(yīng)不同類型任務(wù)需要;3)缺乏適應(yīng)性、通用性較強(qiáng)的設(shè)計(jì)平臺(tái)。針對(duì)這些問題,本文提出了基于任務(wù)定義的飛行軌跡設(shè)計(jì)概念,給出了復(fù)雜任務(wù)定義、自適應(yīng)模型庫與多環(huán)節(jié)迭代優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)的解決途徑。同時(shí),針對(duì)開發(fā)的深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái),系統(tǒng)介紹了該平臺(tái)的設(shè)計(jì)思想、實(shí)現(xiàn)原理與方案。最后,通過深空探測(cè)任務(wù)實(shí)例對(duì)軟件平臺(tái)的有效性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 基于任務(wù)定義的深空探測(cè)全域軌跡設(shè)計(jì)技術(shù)

1.1 設(shè)計(jì)思想

以實(shí)現(xiàn)深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)為目標(biāo),針對(duì)深空探測(cè)任務(wù)的復(fù)雜性和多樣性,重點(diǎn)解決深空探測(cè)任務(wù)的一般性描述與定義、飛行軌跡模型庫的完備性與重用性,以及復(fù)雜任務(wù)飛行過程流程化建模等關(guān)鍵問題。在此基礎(chǔ)上,發(fā)展探測(cè)任務(wù)全過程飛行軌跡的計(jì)算分析與可視化仿真技術(shù),從而實(shí)現(xiàn)同一平臺(tái)支持快速構(gòu)建任務(wù)場(chǎng)景,支持不同方案論證、總體設(shè)計(jì)、任務(wù)優(yōu)化、技術(shù)協(xié)調(diào)的能力。

1.2 基于XML和Activiti的探測(cè)任務(wù)定義技術(shù)

任務(wù)定義與描述是深空探測(cè)飛行軌跡設(shè)計(jì)及仿真的基礎(chǔ)。深空探測(cè)任務(wù)有兩個(gè)典型特點(diǎn):一是系統(tǒng)組成復(fù)雜,整個(gè)探測(cè)任務(wù)由探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控回收、科學(xué)應(yīng)用等諸多系統(tǒng)組成;二是任務(wù)過程和飛行軌跡復(fù)雜,不同任務(wù)的探測(cè)天體目標(biāo)、探測(cè)方式、發(fā)射窗口、動(dòng)力配置、飛行軌道、科學(xué)載荷類型、返回地球與否各不相同。因此,為了適用不同任務(wù)需求,實(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)的一般性描述與定義,需要綜合考慮時(shí)空基準(zhǔn)、任務(wù)對(duì)象、飛行階段、任務(wù)環(huán)境的特點(diǎn),對(duì)任務(wù)涉及的模型進(jìn)行抽象和轉(zhuǎn)化,約定描述規(guī)則,完成科學(xué)的描述設(shè)計(jì)。本文將探測(cè)任務(wù)定義要素抽象為任務(wù)對(duì)象、行為基準(zhǔn)、行為、行為記錄、環(huán)境、約束等要素,如圖1所示,基于這些要素發(fā)展了復(fù)雜探測(cè)任務(wù)的定義方法。同時(shí),通過對(duì)文本、關(guān)系數(shù)據(jù)庫、XML、自然語言處理等技術(shù)的綜合比較,確定了XML文件作為存儲(chǔ)方式,并確定了相應(yīng)的語法規(guī)則。

圖1 航天任務(wù)定義要素示意圖

1.3 基于任務(wù)定義的自適應(yīng)模型庫構(gòu)建技術(shù)

以往深空探測(cè)任務(wù)中,使用的各飛行軌跡模型庫各有特點(diǎn),效率與精度也高低不一。有些模型庫專門針對(duì)特定探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì),難以滿足其他任務(wù)的需求;有些模型庫的模塊化、平臺(tái)化不足,不便于擴(kuò)展新的功能;有些模型庫則停留在自用軟件層面,軟件工程化程度較低、可維護(hù)性較差。

為了滿足深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)開發(fā)需求,本文提出了模型庫構(gòu)建的總體要求:1)系統(tǒng)性,能夠滿足主要探測(cè)任務(wù)的需求;2)開放性,能夠不斷進(jìn)行擴(kuò)充;3)協(xié)同性,能夠相互配合,完成不同飛行過程的描述與計(jì)算;4)適應(yīng)性,模型庫的管理和應(yīng)用要滿足不同模型的實(shí)現(xiàn)、模型出入庫的管理、任務(wù)設(shè)計(jì)過程的調(diào)用、計(jì)算過程的調(diào)度等要求。同時(shí),依據(jù)不同模型的輸入、輸出特性實(shí)現(xiàn)平臺(tái)UI的自適應(yīng),如圖2所示;5)配置性,在調(diào)用過程中不需要用戶進(jìn)行代碼修改與系統(tǒng)編譯,這也是模型庫優(yōu)于函數(shù)庫的重要特點(diǎn)之一。

圖2 模型庫管理調(diào)用技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)模型庫總體要求,結(jié)合探測(cè)任務(wù)多類型場(chǎng)景特點(diǎn),對(duì)各類飛行軌跡模型的輸入、計(jì)算流程與輸出進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了針對(duì)不同任務(wù)需求的自適應(yīng)模型庫構(gòu)建。各模型庫按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)編譯成DLL文件,配置相應(yīng)輸入輸出文件,可快速靈活的嵌入平臺(tái)中。進(jìn)一步,基于已實(shí)施的探月工程歷次任務(wù)(如CE-2、CE-3、CE-5)和首次火星探測(cè)任務(wù)等實(shí)際工程任務(wù)數(shù)據(jù),對(duì)模型庫所采用的軌跡設(shè)計(jì)與計(jì)算方法進(jìn)行數(shù)據(jù)比對(duì)與復(fù)核,驗(yàn)證模型庫的正確性與效率,通過反復(fù)迭代修正各模型庫,提高其計(jì)算精度與效率。

深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)已實(shí)現(xiàn)9大類模型庫的設(shè)計(jì)與開發(fā),具體包括:

1)天體與空間環(huán)境數(shù)據(jù)庫,主要包括天文常數(shù)、時(shí)間系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)、月球與行星星歷庫、地球與火星大氣模型、行星及衛(wèi)星引力場(chǎng)模型、柯伊伯帶和小行星帶引力場(chǎng)模型、小行星數(shù)據(jù)庫等;

2)軌道基礎(chǔ)計(jì)算模型庫,主要包括各天體引力場(chǎng)軌道動(dòng)力學(xué)模型、軌道初值求解模型、軌道邊值求解模型、數(shù)值積分算法模型等;

3)行星發(fā)射軌跡模型庫,主要包括地球發(fā)射模型、月球起飛模型、火星起飛模型等;

4)發(fā)射窗口搜索模型庫,主要包括月球探測(cè)發(fā)射窗口搜索模型、行星發(fā)射窗口搜索模型、小行星探測(cè)目標(biāo)選擇、小行星發(fā)射窗口搜索模型等;

5)月球與行星際飛行模型庫,主要包括、行星際直接轉(zhuǎn)移模型、行星際采樣返回轉(zhuǎn)移模型、行星際脈沖式借力飛行轉(zhuǎn)移模型、行星際連續(xù)推力借力飛行轉(zhuǎn)移模型、平衡點(diǎn)周期軌道模型、奔平動(dòng)點(diǎn)轉(zhuǎn)移模型、平動(dòng)點(diǎn)軌道維持模型等;

6)地球及天體進(jìn)入模型庫,主要包括地球再入返回模型(彈道、半彈道、跳躍式),月球著陸模型,火星著陸模型等;

7)天體環(huán)繞飛行軌道模型庫,主要包括環(huán)繞軌道變軌模型、軌道調(diào)相模型、交會(huì)對(duì)接模型等;

8)小行星附近飛行模型庫,主要包括小行星伴飛模型、小行星附著模型、小行星采樣模型、小行星捕獲模型等;

9)飛行軌跡分析模型庫,主要包括測(cè)控弧段計(jì)算模型,覆蓋性計(jì)算模型(含發(fā)射、飛行、再入返回),信道電平余量分析模型,光照條件計(jì)算模型等。

平臺(tái)的主要模型庫組成如圖3所示。該平臺(tái)涵蓋了實(shí)現(xiàn)了相對(duì)全面的開放式航天飛行動(dòng)力學(xué)模型庫,可以實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)任務(wù)飛行軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)需求。

圖3 主要的模型庫組成圖

1.4 復(fù)雜深空探測(cè)任務(wù)多環(huán)節(jié)迭代優(yōu)化技術(shù)

對(duì)于天體采樣返回、火星采樣返回,以及太陽系邊際探測(cè)等復(fù)雜深空探測(cè)任務(wù),探測(cè)器全過程飛行軌跡的優(yōu)化難以通過單一的優(yōu)化算法或某幾個(gè)微服務(wù)組合來解決。為了解決這一問題,本文采用了模型級(jí)優(yōu)化與人機(jī)結(jié)合任務(wù)級(jí)(多環(huán)節(jié)迭代)優(yōu)化兩個(gè)層次的優(yōu)化組合來實(shí)現(xiàn)。

1)模型級(jí)優(yōu)化

復(fù)雜深空探測(cè)任務(wù)飛行軌跡設(shè)計(jì)問題(例如多行星借力飛行軌跡)通常具有設(shè)計(jì)參數(shù)維數(shù)高、模型非線性強(qiáng)、局部極小值解多等特點(diǎn)[16],對(duì)于這類飛行軌跡進(jìn)行優(yōu)化求解獲得其高質(zhì)量解是非常困難的。同時(shí),復(fù)雜探測(cè)任務(wù)飛行軌跡的設(shè)計(jì)指標(biāo)通常并不唯一,對(duì)于實(shí)際探測(cè)任務(wù)而言,通常需要從多方面指標(biāo)對(duì)飛行方案進(jìn)行考察,這進(jìn)一步增加了問題的難度[17]。如何通過發(fā)展有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,進(jìn)一步優(yōu)化模型庫是解決這一問題的關(guān)鍵。

以行星際多借力飛行軌跡模型為例,對(duì)模型級(jí)優(yōu)化進(jìn)行說明。該模型采用了外層全局迭代與內(nèi)層局部迭代的雙層優(yōu)化設(shè)計(jì)算法,利用內(nèi)部和外部?jī)纱窝h(huán)相互融合,實(shí)現(xiàn)對(duì)解空間的全方位探索。外層全局搜索負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)解空間進(jìn)行遍歷搜索,直到找到滿足約束條件的可行解;內(nèi)層的局部搜索則在已找到的可行解附近進(jìn)行局部攝動(dòng)探索,直至局部解無法改進(jìn)。通過對(duì)算法進(jìn)行多次隨機(jī)啟動(dòng),可以有效地獲得高質(zhì)量的飛行軌跡最優(yōu)解集,從而為飛行軌跡權(quán)衡分析與任務(wù)級(jí)迭代優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。

2)任務(wù)級(jí)優(yōu)化

在各飛行軌跡模型庫優(yōu)化與封裝基礎(chǔ)上,利用軟件平臺(tái)功能,在發(fā)射窗口搜索選擇、任務(wù)定義、各飛行階段軌跡、不同飛行過程等多個(gè)環(huán)節(jié)通過人機(jī)結(jié)合進(jìn)行各階段軌跡參數(shù)的迭代設(shè)計(jì)與優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)任務(wù)級(jí)飛行軌跡的優(yōu)化。任務(wù)級(jí)優(yōu)化涉及的各環(huán)節(jié)如圖4所示。

圖4 任務(wù)優(yōu)化的不同環(huán)節(jié)

2 深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)

2.1 平臺(tái)設(shè)計(jì)原則

平臺(tái)方案設(shè)計(jì)遵循以下設(shè)計(jì)原則:

1)支持任務(wù)定義,適應(yīng)深空探測(cè)任務(wù)多樣性需求;

2)采用模型庫驅(qū)動(dòng),充分利用模型庫的開放性與協(xié)同性;

3)支持流程化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)直觀的探測(cè)任務(wù)飛行軌跡設(shè)計(jì);

4)基于B/S架構(gòu),充分利用服務(wù)器計(jì)算資源與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)傳能力,支持多用戶、多工程、多飛行方案的設(shè)計(jì);

5)支持多類別的模型庫參數(shù)引用,支持模型庫對(duì)任務(wù)常數(shù)、全局變量、前序模塊輸出參數(shù)、用戶錄入?yún)?shù)等的靈活引用;

6)支持多航天器間參數(shù)的相互引用,實(shí)現(xiàn)交會(huì)對(duì)接等多航天器任務(wù)的協(xié)同設(shè)計(jì);

7)支持全過程飛行軌跡計(jì)算與調(diào)度,實(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)全流程設(shè)計(jì)與仿真的監(jiān)視與調(diào)度;

8)支持全過程飛行過程可視化仿真,具備多天體、多視角的飛行軌跡可視化與演示;

9)支持MBSE接口,為后續(xù)開展基于模型的系統(tǒng)工程奠定基礎(chǔ)。

2.2 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)架構(gòu)直接影響到平臺(tái)開發(fā)效率、運(yùn)行效率、擴(kuò)展性、可測(cè)試性、可維護(hù)性與成本。綜合考慮各方面因素,同時(shí)為了更好滿足從多用戶協(xié)同設(shè)計(jì)需求,深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)基于B/S架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。從軟件平臺(tái)開發(fā)角度而言。選取一種邏輯層次清晰、模型可靈活擴(kuò)展、算法策略可靈活選擇的框架模式至關(guān)重要,通過對(duì)MVC[18-19]、HLA[20]等框架進(jìn)行綜合權(quán)衡,深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)選取MVC框架模式進(jìn)行軟件系統(tǒng)開發(fā)。同時(shí),基于SpringBoot自動(dòng)配置的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)對(duì)不同語言開發(fā)的模型庫的統(tǒng)一管理與調(diào)用,降低了平臺(tái)系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜度。

深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)的邏輯層分為四層,分別為服務(wù)層、數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層和交互層。服務(wù)層在最底層,主要為數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)層與交互層提供基礎(chǔ)服務(wù),實(shí)現(xiàn)平臺(tái)內(nèi)部信息交互與系統(tǒng)調(diào)度,同時(shí)完成軟件系統(tǒng)的部署和集成測(cè)試等系統(tǒng)構(gòu)建的輔助工作;數(shù)據(jù)層為業(yè)務(wù)層、交互層提供業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)與系統(tǒng)外部的交換、存儲(chǔ)、查詢工作,并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行管理;業(yè)務(wù)層主要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行業(yè)務(wù)處理,在深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)中主要由各個(gè)模型庫構(gòu)成,負(fù)責(zé)完成探測(cè)任務(wù)飛行軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)與計(jì)算分析等專業(yè)業(yè)務(wù),并負(fù)責(zé)將計(jì)算數(shù)據(jù)提供給交互層進(jìn)行展示,提供給數(shù)據(jù)層進(jìn)行管理;交互層則負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示,并向服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和業(yè)務(wù)層發(fā)送操作人員的控制命令。平臺(tái)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.3 平臺(tái)的組成

由于采用了B/S設(shè)計(jì)架構(gòu),平臺(tái)硬件系統(tǒng)主要由服務(wù)器端設(shè)備和客戶端設(shè)備組成,通過通用的千兆以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端設(shè)備與客戶端設(shè)備的連接。服務(wù)器端的設(shè)備包括計(jì)算服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和磁盤陣列;客戶端目前由2臺(tái)工作站、2臺(tái)移動(dòng)工作站、1臺(tái)MR交互臺(tái)、2臺(tái)大屏幕顯示設(shè)備與1臺(tái)繪圖儀構(gòu)成,后續(xù)可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求對(duì)設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)充。平臺(tái)的硬件系統(tǒng)組成如圖6所示。

圖6 硬件環(huán)境示意圖

平臺(tái)的運(yùn)行環(huán)境方面,操作系統(tǒng)采用Windows系統(tǒng),數(shù)據(jù)庫采用SQL Server。平臺(tái)采用的B/S架構(gòu)使得其可實(shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)、多線程并行計(jì)算,支持多用戶、多任務(wù)的提交、查看與執(zhí)行。基于SpringBoot自動(dòng)配置的便利性,同時(shí)考慮前期模型庫的積累,平臺(tái)中支持C/C++、Java、VUE、Fortran等多種語言對(duì)飛行軌跡模型庫進(jìn)行開發(fā)。

從功能角度,深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)包括平臺(tái)子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、應(yīng)用子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)四個(gè)子系統(tǒng),軟件系統(tǒng)組成如圖7所示。

圖7 軟件系統(tǒng)組成圖

平臺(tái)子系統(tǒng)包括系統(tǒng)管理軟件、任務(wù)定義軟件和任務(wù)調(diào)度軟件。系統(tǒng)管理軟件實(shí)現(xiàn)平臺(tái)系統(tǒng)的用戶管理、日志管理、接口服務(wù)等功能。任務(wù)定義軟件通過可視化界面支持用戶實(shí)現(xiàn)各型深空探測(cè)任務(wù)的模型庫上傳和配置、工程系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)、航天器設(shè)計(jì)、飛行過程設(shè)計(jì)、任務(wù)流程定義等功能。任務(wù)調(diào)度軟件實(shí)現(xiàn)各型任務(wù)流程的統(tǒng)一調(diào)度和管理,對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控,收集模型庫執(zhí)行狀態(tài)和異常信息。

數(shù)據(jù)子系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)庫支持軟件、模型庫管理軟件、任務(wù)流程管理軟件和方案庫管理軟件。數(shù)據(jù)管理主要內(nèi)容如圖8所示。數(shù)據(jù)庫支持軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建與維護(hù)。模型庫管理軟件、任務(wù)流程管理軟件、方案庫管理軟件對(duì)各類型模型庫參數(shù)和輸入數(shù)據(jù)、任務(wù)流程數(shù)據(jù)、軌跡優(yōu)化計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)等全流程模型及數(shù)據(jù)進(jìn)行存檔、管理與維護(hù)。

圖8 數(shù)據(jù)庫與模型庫組成

應(yīng)用子系統(tǒng)主要包括軌跡設(shè)計(jì)與優(yōu)化軟件和軌道動(dòng)力學(xué)模型軟件。實(shí)現(xiàn)的功能包括不同探測(cè)任務(wù)的發(fā)射窗口搜索、發(fā)射彈道設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)移軌跡設(shè)計(jì)、目標(biāo)環(huán)繞軌道設(shè)計(jì)、目標(biāo)捕獲軌跡設(shè)計(jì)、月球/火星軟著陸軌跡和起飛軌跡設(shè)計(jì)、地球返回再入軌跡設(shè)計(jì)、小行星探測(cè)目標(biāo)選擇、小行星附近軌道設(shè)計(jì)等功能,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)探測(cè)任務(wù)全過程飛行軌道的拼接與計(jì)算。

顯示子系統(tǒng)包括顯示分析軟件和二、三維可視化軟件。顯示分析軟件具備文本、表格、曲線、圖形等顯示分析能力。二、三維可視化軟件支持讀取軌道數(shù)據(jù)文件,支持二維圖形和三維圖形顯示方式。二維圖形中,可以顯示飛行軌道的星下點(diǎn)軌跡等信息,三維圖形中,可以以不同視角顯示空間天體與探測(cè)器飛行軌道。同時(shí)能夠?qū)唧w探測(cè)器進(jìn)行精細(xì)化模型顯示,例如對(duì)深空探測(cè)器、火箭等模型的三維顯示。

2.4 平臺(tái)接口設(shè)計(jì)

2.4.1外部接口

平臺(tái)系統(tǒng)的外部輸入主要包括模型庫、配置參數(shù)、三維模型文件等,輸出為XML、TXT等格式的任務(wù)定義文件、飛行軌道星歷文件、關(guān)鍵飛行事件數(shù)據(jù)文件等。

2.4.2內(nèi)部接口

平臺(tái)系統(tǒng)的內(nèi)部接口如圖9所示。

圖9 軟件子系統(tǒng)間接口示意圖

1)平臺(tái)子系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)軟件的核心,用戶通過平臺(tái)子系統(tǒng)的交互界面完成對(duì)應(yīng)用子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)的模型庫提交、任務(wù)定義、任務(wù)流程配置、任務(wù)仿真計(jì)算分析等工作。應(yīng)用子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)子系統(tǒng)和顯示子系統(tǒng)之間則沒有直接的調(diào)度和數(shù)據(jù)接口;

2)用戶和平臺(tái)子系統(tǒng)間的接口,通過Web界面進(jìn)行系統(tǒng)配置,模型庫配置,任務(wù)定義,全域軌跡任務(wù)計(jì)算和分析;

3)應(yīng)用子系統(tǒng)與平臺(tái)子系統(tǒng)之間存在模型庫提交接口,平臺(tái)子系統(tǒng)與應(yīng)用子系統(tǒng)間有模型庫調(diào)度接口,包括指令和參數(shù)文件;

4)平臺(tái)子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)子系統(tǒng)之間有模型參數(shù)和數(shù)據(jù)庫查詢接口,數(shù)據(jù)子系統(tǒng)向平臺(tái)子系統(tǒng)反饋系統(tǒng)參數(shù)、模型參數(shù)和小行星數(shù)據(jù)庫等查詢結(jié)果;

5)顯示子系統(tǒng)負(fù)責(zé)接收應(yīng)用子系統(tǒng)的顯示調(diào)度指令和軌道星歷計(jì)算結(jié)果,啟動(dòng)二三維展示界面,并完成數(shù)據(jù)展示。

2.5 平臺(tái)運(yùn)行流程

平臺(tái)系統(tǒng)基于發(fā)展的深空探測(cè)任務(wù)定義技術(shù),能夠?qū)崿F(xiàn)月球、火星、小行星、太陽系邊際等探測(cè)任務(wù)的發(fā)射窗口搜索,以及轉(zhuǎn)移軌道、交會(huì)對(duì)接軌道、探測(cè)器著陸/上升/返回軌跡等全過程任務(wù)軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析功能。平臺(tái)系統(tǒng)的主要運(yùn)行流程分為4個(gè)步驟,如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

具體而言,用戶首先上傳按標(biāo)準(zhǔn)格式編譯完成的模型庫,配置發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控站、運(yùn)載火箭等任務(wù)相關(guān)信息;然后,創(chuàng)建探測(cè)任務(wù),進(jìn)行工程系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)和航天器設(shè)計(jì)參數(shù)配置;進(jìn)一步,通過任務(wù)流程配置界面進(jìn)行飛行過程設(shè)計(jì),按時(shí)間順序配置探測(cè)器從發(fā)射、飛行、返回、著陸等步驟的任務(wù)流程,明確各步驟運(yùn)行的約束條件;最后,調(diào)度軟件自動(dòng)調(diào)用各階段飛行軌跡模型庫,依次完成計(jì)算過程,生成探測(cè)器任務(wù)全過程飛行軌跡方案,并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析與展示。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用

3.1 平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)

3.1.1總體思路

遵循提出的任務(wù)定義的設(shè)計(jì)思想,在突破關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,建設(shè)了硬件環(huán)境,綜合運(yùn)用宇航動(dòng)力學(xué)知識(shí)、運(yùn)載火箭總體知識(shí)、天文知識(shí)及工作流、數(shù)據(jù)庫、模型庫、三維顯示等軟件技術(shù),合理分解分系統(tǒng)功能,科學(xué)設(shè)計(jì)分系統(tǒng)接口,按照軟件工程過程,開發(fā)實(shí)現(xiàn)了具備任務(wù)定義、全過程任務(wù)飛行軌跡計(jì)算和三維仿真功能的全時(shí)域、全空域深空探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)平臺(tái)。

3.1.2模型庫建立

深空探測(cè)任務(wù)飛行軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)需要基于模型庫開展,模型庫管理則是平臺(tái)系統(tǒng)能力擴(kuò)展重要環(huán)節(jié)。平臺(tái)的模型庫管理實(shí)現(xiàn)了模型導(dǎo)入、模型查詢、參數(shù)配置、模型刪除等功能。在研發(fā)各類模型庫時(shí),盡量降低模型與任務(wù)之間耦合性,為后期平臺(tái)軟件系統(tǒng)的可升級(jí)與可擴(kuò)展提供基礎(chǔ)[21]。同時(shí),各類飛行軌跡模型錄入模型庫時(shí),接口需按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則進(jìn)行定義并進(jìn)行正確性檢測(cè)。平臺(tái)目前具備了9大類模型庫共50余種飛行軌跡設(shè)計(jì)模型,這些模型的組合應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)多類型深空探測(cè)任務(wù)設(shè)計(jì)與分析。

3.1.3任務(wù)的定義

平臺(tái)支持以任務(wù)定義的方式完成深空探測(cè)工程的飛行軌跡設(shè)計(jì)與分析。采用多用戶多任務(wù)模式,對(duì)用戶任務(wù)進(jìn)行統(tǒng)一管理顯示,提供任務(wù)增加、刪除、修改等入口。每一名用戶可以創(chuàng)建多個(gè)工程,每一個(gè)工程可以創(chuàng)建多個(gè)飛行方案。任務(wù)定義主要通過以下任務(wù)設(shè)計(jì)過程實(shí)現(xiàn)。

1)創(chuàng)建工程。選擇不同的工程類型,創(chuàng)建新的航天工程,如嫦娥五號(hào)工程,平臺(tái)系統(tǒng)將建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)體系。

2)工程系統(tǒng)組成設(shè)計(jì)。完成工程各大系統(tǒng)組成設(shè)計(jì),如探月工程一般由探測(cè)器、運(yùn)載火箭、發(fā)射場(chǎng)、測(cè)控與回收、地面應(yīng)用系統(tǒng)組成。

3)探測(cè)器模塊及總體參數(shù)設(shè)計(jì)。為任務(wù)執(zhí)行設(shè)置艙段組成,初始條件,任務(wù)設(shè)計(jì)探測(cè)器長(zhǎng)寬高、重量參數(shù)、姿態(tài)控制發(fā)送機(jī)參數(shù)等,艙段參數(shù)(位置、尺寸、重量)等。探測(cè)器模塊組成與總體參數(shù)設(shè)計(jì)界面如圖11所示。

4)任務(wù)過程設(shè)計(jì)。創(chuàng)建任務(wù)節(jié)點(diǎn)以及任務(wù)節(jié)點(diǎn)邏輯順序,設(shè)置各節(jié)點(diǎn)局部參數(shù)以及綁定相關(guān)模型,并以流程圖形式創(chuàng)建任務(wù)流程,直觀顯示任務(wù)流程,其中每個(gè)節(jié)點(diǎn)均配置相應(yīng)的模型及模型的輸入?yún)?shù)。設(shè)計(jì)完成后,平臺(tái)將任務(wù)轉(zhuǎn)化至系統(tǒng)可識(shí)別的規(guī)則文件,保證自動(dòng)調(diào)度模塊根據(jù)規(guī)則進(jìn)行模型調(diào)用和任務(wù)計(jì)算。飛行任務(wù)流程設(shè)計(jì)界面如圖12所示。

圖12 嫦娥五號(hào)任務(wù)定義設(shè)計(jì)示意圖

3.2 典型任務(wù)應(yīng)用

基于深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)對(duì)嫦娥五號(hào)月球探測(cè)任務(wù)、火星交會(huì)探測(cè)任務(wù)、太陽系邊界探測(cè)任務(wù)的全過程飛行軌跡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

首先采用上節(jié)介紹的任務(wù)定義過程對(duì)各探測(cè)任務(wù)流程進(jìn)行設(shè)計(jì),基于流程設(shè)計(jì)后的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則文件,自動(dòng)調(diào)度模塊依據(jù)設(shè)計(jì)師保存的標(biāo)準(zhǔn)流程文件,逐一調(diào)用模型庫中的相應(yīng)模型進(jìn)行各階段飛行軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過人工交互與平臺(tái)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各飛行軌跡的拼接與迭代優(yōu)化。各模型計(jì)算完成后將標(biāo)準(zhǔn)格式星歷文件數(shù)據(jù)傳遞給顯示子系統(tǒng),通過對(duì)數(shù)據(jù)文件進(jìn)行解析后,選用合適的視角和坐標(biāo)系實(shí)現(xiàn)任務(wù)全過程飛行軌跡的顯示。

嫦娥五號(hào)全過程飛行軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)調(diào)度界面、運(yùn)載火箭飛行可視化仿真與探測(cè)器飛行可視化分別如圖13和14所示。

圖13 運(yùn)載火箭發(fā)射彈道仿真界面

圖14 探測(cè)器飛行過程仿真界面

采用該平臺(tái)設(shè)計(jì)的火星交會(huì)探測(cè)任務(wù)和太陽系邊際探測(cè)任務(wù)的飛行軌跡分別如圖15和16所示。

圖15 火星探測(cè)任務(wù)飛行軌跡

圖16 太陽系邊際探測(cè)任務(wù)飛行軌跡

4 結(jié) 論

本文提出了基于任務(wù)定義的復(fù)雜航天任務(wù)軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)概念,研制開發(fā)了深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái);詳細(xì)闡述了該平臺(tái)的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)途徑;利用該平臺(tái)對(duì)嫦娥五號(hào)探月任務(wù)、火星交會(huì)探測(cè)任務(wù)以及太陽系邊際探測(cè)任務(wù)的全過程飛行軌跡進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析。深空探測(cè)全域軌跡優(yōu)化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了知識(shí)產(chǎn)權(quán)自主可控,支持與MBSE和工程全要素管理系統(tǒng)接口,將直接服務(wù)于探月工程四期、行星探測(cè)工程的深空探測(cè)任務(wù)論證與設(shè)計(jì)工作,可為提升工程任務(wù)方案探索、工程論證、總體設(shè)計(jì)能力提供重要技術(shù)支撐,也為后續(xù)國(guó)際合作、協(xié)同設(shè)計(jì)等工作奠定了平臺(tái)基礎(chǔ)。