楊 健，苗 毅，詹 磊，王 磊

（北京航天飛行控制中心，北京100094）

交會(huì)對(duì)接任務(wù)故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊 健，苗 毅，詹 磊，王 磊

（北京航天飛行控制中心，北京100094）

為了模擬交會(huì)對(duì)接任務(wù)多目標(biāo)情況下的航天測(cè)控故障與應(yīng)急過(guò)程，建立系統(tǒng)級(jí)的故障仿真和綜合性的應(yīng)急處置效能評(píng)估環(huán)境，采用分布式、支持互操作的高層體系結(jié)構(gòu)，研究了故障SPR柔性描述技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于腳本引擎驅(qū)動(dòng)的故障協(xié)同演練控制方法，實(shí)現(xiàn)了故障建模、存儲(chǔ)、提取和組裝全過(guò)程的規(guī)范化，實(shí)現(xiàn)了故障的操作控制、效果監(jiān)視和處置評(píng)估的一體化。解決了我國(guó)重大空間工程地面故障仿真、應(yīng)急過(guò)程演練和人員訓(xùn)練的技術(shù)難題，經(jīng)受了3次交會(huì)對(duì)接任務(wù)的重大工程應(yīng)用考驗(yàn)。

仿真系統(tǒng)；交會(huì)對(duì)接；故障與應(yīng)急；高層體系結(jié)構(gòu)；量化評(píng)估

1 引言

隨著我國(guó)載人航天任務(wù)工程實(shí)踐的不斷拓展，繼突破載人飛船天地往返、多人多天飛行和航天員空間出艙活動(dòng)等關(guān)鍵技術(shù)后，目標(biāo)飛行器和追蹤飛船實(shí)現(xiàn)空間自動(dòng)交會(huì)對(duì)接和手動(dòng)交會(huì)對(duì)接成為當(dāng)前的又一重大航天科技實(shí)踐活動(dòng)［1］。交會(huì)對(duì)接任務(wù)飛行控制過(guò)程的精度和可靠性要求高，風(fēng)險(xiǎn)難度大，可能發(fā)生故障的環(huán)節(jié)多，故障處置流程復(fù)雜［2］。為確保任務(wù)的圓滿成功，亟需建立交會(huì)對(duì)接任務(wù)故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)。當(dāng)前，針對(duì)交會(huì)對(duì)接故障仿真方面開展了大量研究［3?5］，但他們大都側(cè)重于故障原因分析和處置對(duì)策研究。本文主要針對(duì)貼近任務(wù)環(huán)境的各類有預(yù)案故障，驗(yàn)證任務(wù)演練中故障診斷和處置流程的正確性，并對(duì)參試人員的故障處置和應(yīng)急決策能力進(jìn)行訓(xùn)練。

交會(huì)對(duì)接任務(wù)故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)的主要任務(wù)是模擬多目標(biāo)情況下航天器和外部測(cè)控環(huán)境的各類故障與應(yīng)急過(guò)程，針對(duì)地面測(cè)控系統(tǒng)軟硬件測(cè)試、故障應(yīng)急處置、指揮決策演練和參試人員訓(xùn)練等需求，實(shí)現(xiàn)的一套分布式、多模式，支持多任務(wù)一體化仿真的測(cè)控故障與應(yīng)急過(guò)程仿真應(yīng)用軟件系統(tǒng)。

2 體系結(jié)構(gòu)

高層體系結(jié)構(gòu)（High Level Architecture，簡(jiǎn)稱HLA）具有時(shí)間管理策略多、擴(kuò)展配置靈活和選擇性的數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)［6，7］，能夠滿足航天測(cè)控仿真系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性和靈活性的要求。交會(huì)對(duì)接任務(wù)故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)采用了HLA體系結(jié)構(gòu)，整個(gè)仿真系統(tǒng)作為一個(gè)聯(lián)邦，根據(jù)功能劃分為若干聯(lián)邦成員，各聯(lián)邦成員分別代表了故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)子功能的集合（圖1）。通過(guò)設(shè)計(jì)它們之間所共享的對(duì)象模型模版（Object Model Template，OMT），來(lái)規(guī)范其數(shù)據(jù)交換。RTI（Run?Time Infra?structure）提供通用的、相對(duì)獨(dú)立的支撐服務(wù)，將具體的仿真功能實(shí)現(xiàn)、仿真運(yùn)行管理和底層通信傳輸三者分離，隱藏各自的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)，各部分相對(duì)獨(dú)立的進(jìn)行開發(fā)，最大程度的利用各自領(lǐng)域的最新技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的功能和服務(wù)。

圖1 故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.1 Architecture of fault and emergency simulation system

3 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 故障模式規(guī)范化描述技術(shù)

為保證故障信息的規(guī)范化、軟件開發(fā)的一致性和故障生成的靈活性，采用故障模式規(guī)范化描述技術(shù)。在語(yǔ)法層面上采用XML（Extensible Makeup Language）規(guī)范［8］進(jìn)行描述，保證了描述的可理解性和通用性。在語(yǔ)義層面上，針對(duì)航天測(cè)控故障天地一體化多模式和非獨(dú)立性特點(diǎn)，將故障模式拆分為若干柔性單元，柔性單元是指故障模式的最小組成結(jié)構(gòu)，由SRP（航天器Space?craft，測(cè)控資源Resources，飛控流程Process）故障描述方法進(jìn)行描述，并建立對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)表進(jìn)行存儲(chǔ)（圖2）。SRP描述分為故障模式結(jié)構(gòu)描述和故障關(guān)聯(lián)關(guān)系描述。

圖2 SRP故障描述方法Fig.2 SPR fault?description method

故障模式結(jié)構(gòu)描述，對(duì)航天測(cè)控過(guò)程中航天器、測(cè)控資源、飛控流程等各個(gè)環(huán)節(jié)的關(guān)鍵故障因素進(jìn)行建模，對(duì)柔性單元的各類特性進(jìn)行抽象和參數(shù)描述。以發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常故障為例，通過(guò)物理建模，可抽象出11個(gè)故障參數(shù)（表1），從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的故障模式描述。

故障關(guān)聯(lián)關(guān)系描述，通過(guò)定義故障模式之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系和組裝接口（包括加+、減?、連接⊕、時(shí)序關(guān)系→等），由運(yùn)算對(duì)象和運(yùn)算符組成的關(guān)系表達(dá)式描述故障間的時(shí)序關(guān)系和邏輯關(guān)系，保證了故障模式的可組裝性。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)工作異常故障描述Table 1 Description of engine failure

3.2 故障信息集成管理平臺(tái)

基于由簡(jiǎn)單到復(fù)雜、由單一到復(fù)合的故障信息管理方式，將故障信息劃分為三個(gè)層次。第一層次是故障模式信息，是構(gòu)成故障實(shí)例的基本單元，主要包括航天器參數(shù)故障模式、航天器邏輯故障模式和測(cè)控傳輸故障模式等基本類型；第二層次是故障模式實(shí)例化組裝后形成的故障實(shí)例信息；第三層次是仿真中所需模擬的包含多個(gè)故障實(shí)例的故障集信息。故障信息集成管理可以保證故障信息的統(tǒng)一存儲(chǔ)和使用，確保故障信息的可復(fù)用性。

故障信息集成管理平臺(tái)采用故障描述方法建立，主要由故障數(shù)據(jù)庫(kù)、故障仿真監(jiān)控平臺(tái)和故障生成器（圖3）組成。其中，故障數(shù)據(jù)庫(kù)負(fù)責(zé)對(duì)已有故障模式和故障實(shí)例進(jìn)行存儲(chǔ)和管理；故障仿真監(jiān)控平臺(tái)負(fù)責(zé)監(jiān)視故障仿真運(yùn)行狀態(tài)，控制各類故障的加載和撤銷；故障生成器用于將各類故障模式實(shí)例化。

故障數(shù)據(jù)庫(kù)是故障信息集成管理平臺(tái)的核心和基礎(chǔ)資源。為保證故障仿真的靈活性和復(fù)用性，基于多個(gè)獨(dú)立故障組裝構(gòu)成復(fù)合型故障的思想，采用多模式單元柔性存儲(chǔ)方法，使用Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)單個(gè)故障模式及故障實(shí)例進(jìn)行獨(dú)立存儲(chǔ)。在使用時(shí)可靈活檢索和提取所需柔性單元，并實(shí)例化各柔性單元之間的組裝接口，實(shí)時(shí)構(gòu)造高層復(fù)雜故障模式，實(shí)現(xiàn)了多模態(tài)航天測(cè)控故障的一體生成和組裝。

在管理模式上，故障信息集成管理平臺(tái)包括靜態(tài)管理和動(dòng)態(tài)管理兩種類型。靜態(tài)管理負(fù)責(zé)對(duì)故障模式和故障實(shí)例信息進(jìn)行存儲(chǔ)維護(hù)，主要指仿真前通過(guò)分析建立各類故障模式并錄入故障數(shù)據(jù)庫(kù)，仿真過(guò)程中存儲(chǔ)生成的故障實(shí)例信息。動(dòng)態(tài)管理是指在仿真過(guò)程中對(duì)故障實(shí)例信息和復(fù)合故障信息的管理，主要包括故障模式實(shí)例化、故障實(shí)例的組裝、故障的加載和撤銷等。在故障仿真中，從故障模式庫(kù)中提取多個(gè)獨(dú)立的故障模式，分別對(duì)其實(shí)例化后，按照SRP方法定義的組裝接口組合形成復(fù)合故障。

3.3 故障與應(yīng)急協(xié)同演練控制方法

在故障與應(yīng)急協(xié)同演練中，為了提高演練的效率和真實(shí)性，一方面需要根據(jù)當(dāng)前測(cè)控狀態(tài)自動(dòng)觸發(fā)并加載故障，模擬故障狀態(tài)，另一方面需要模擬地面故障處置效果，便于地面故障診斷和排查。面對(duì)交會(huì)對(duì)接故障演練實(shí)體多、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、模型間交互關(guān)系和控制邏輯復(fù)雜等需求，設(shè)計(jì)了基于引擎驅(qū)動(dòng)技術(shù)的故障與應(yīng)急協(xié)同演練控制方法。

故障與應(yīng)急協(xié)同演練控制方法由驅(qū)動(dòng)策略定義模塊、狀態(tài)感知模塊、計(jì)算決策模塊和行為模塊構(gòu)成，能夠及時(shí)感知故障仿真系統(tǒng)內(nèi)外部狀態(tài)變化，按照驅(qū)動(dòng)策略開展計(jì)算和決策，自動(dòng)完成對(duì)故障加載與恢復(fù)等控制行為。

驅(qū)動(dòng)策略定義模塊由多個(gè)腳本項(xiàng)組成，每個(gè)腳本項(xiàng)由條件（Condition）集合、條件運(yùn)算表達(dá)式Exp和行為（Act）集合3部分組成。每個(gè)條件項(xiàng)定義了若干故障與應(yīng)急狀態(tài)變量S和條件滿足算法F（S）。條件運(yùn)算表達(dá)式明確了該腳本項(xiàng)中各條件的邏輯運(yùn)算關(guān)系，當(dāng)表達(dá)式Exp為“真”時(shí)，執(zhí)行對(duì)應(yīng)行為；否則，終止該集合中所有行為。同時(shí)，驅(qū)動(dòng)策略也定義了各個(gè)腳本項(xiàng)之間的轉(zhuǎn)入關(guān)系與約束條件。

狀態(tài)感知模塊針對(duì)每個(gè)條件項(xiàng)對(duì)應(yīng)的狀態(tài)變量S都設(shè)置監(jiān)聽器，當(dāng)S發(fā)生變化時(shí)，監(jiān)聽器將其最新狀態(tài)發(fā)送到計(jì)算決策模塊，同時(shí)繼續(xù)監(jiān)聽。

計(jì)算決策模塊根據(jù)獲取的狀態(tài)變量S，計(jì)算對(duì)應(yīng)條件運(yùn)算結(jié)果F（S）和條件運(yùn)算表達(dá)式Exp，并將最終決策向?qū)?yīng)行為模塊發(fā)送。

圖3 故障信息集成管理Fig.3 Integrated management of fault information

行為模塊收到?jīng)Q策信號(hào)后，按照驅(qū)動(dòng)策略定義，完成或終止行為集合中規(guī)定的各項(xiàng)動(dòng)作。

3.4 故障狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)故障加載、地面處置和故障恢復(fù)過(guò)程的全過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)視，采用故障響應(yīng)報(bào)告和故障狀態(tài)訂閱相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了故障仿真監(jiān)控平臺(tái)。故障響應(yīng)報(bào)告是指故障解析仿真成員在收到引擎腳本或人工發(fā)送的故障加載、撤銷等控制命令，以及故障模擬成員在收到地面的處置措施后，向監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送故障響應(yīng)報(bào)告；故障狀態(tài)訂閱是指故障加載后，監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)故障內(nèi)容，實(shí)時(shí)向航天器、測(cè)控網(wǎng)或數(shù)據(jù)收發(fā)故障模擬成員訂閱相關(guān)故障狀態(tài)，獲取對(duì)應(yīng)的遙測(cè)參數(shù)狀態(tài)、兩目標(biāo)航天器飛行狀態(tài)、交會(huì)對(duì)接狀態(tài)、軌道與姿態(tài)信息、遙／外測(cè)數(shù)據(jù)組幀信息和數(shù)據(jù)天地傳輸狀態(tài)等故障信息。

3.5 故障與應(yīng)急處置量化評(píng)估方法

根據(jù)交會(huì)對(duì)接任務(wù)的職責(zé)分工，對(duì)故障數(shù)據(jù)庫(kù)中的每一個(gè)故障模式，都明確其對(duì)應(yīng)故障責(zé)任崗位，主要包括硬件管理、網(wǎng)絡(luò)通信、軟件平臺(tái)、數(shù)據(jù)庫(kù)、二／三維顯示、遙測(cè)遙控、總體監(jiān)視、計(jì)劃生成、軌道與姿態(tài)計(jì)算和注入生成等崗位。對(duì)交會(huì)對(duì)接測(cè)控故障與應(yīng)急處置進(jìn)行量化評(píng)估是對(duì)任務(wù)系統(tǒng)針對(duì)故障狀態(tài)采取措施進(jìn)行評(píng)價(jià)的前提，同時(shí)通過(guò)量化分析可以為人員訓(xùn)練效果和處置流程合理性的改進(jìn)提供判斷決策依據(jù)。故障處置效果綜合評(píng)估主要指標(biāo)為故障監(jiān)視判斷及時(shí)性和故障處置準(zhǔn)確性。

故障監(jiān)視判斷及時(shí)性：從故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)加載故障模式，到相關(guān)崗位發(fā)現(xiàn)故障并經(jīng)過(guò)分析做出正確的故障判斷所經(jīng)歷的時(shí)間稱為故障診斷時(shí)間。故障診斷時(shí)間越短，故障處置預(yù)留時(shí)間越充分，對(duì)任務(wù)過(guò)程的不利影響將可能更低。故障監(jiān)視判斷及時(shí)性指標(biāo)N1的計(jì)算方法如公式（1）。

其中t為故障診斷時(shí)間，tq為故障診斷最長(zhǎng)允許時(shí)間，如果超過(guò)此時(shí)間則無(wú)法完成處置。

故障處置準(zhǔn)確性：故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)對(duì)故障地面處置對(duì)策進(jìn)行智能響應(yīng)，并對(duì)故障對(duì)策的準(zhǔn)確程度進(jìn)行評(píng)估。評(píng)估依據(jù)主要有：故障預(yù)案中的處置措施是否得到執(zhí)行；故障狀態(tài)的恢復(fù)程度，或是否按計(jì)劃進(jìn)入最佳的應(yīng)急處置流程（比如組合體緊急撤離，推遲對(duì)接）。下面給出故障處置準(zhǔn)確性N2的計(jì)算方法如公式（2）。

其中K為已正確實(shí)施的處置步驟所得評(píng)分，KA為處置對(duì)策總分，每項(xiàng)處置步驟的分值由其關(guān)鍵程度所決定。

在一次故障演練中，故障監(jiān)視判斷權(quán)值為w，診斷處置權(quán)值為1?w，如果演練結(jié)果兩項(xiàng)指標(biāo)得分分別為N1和N2，則最終評(píng)分（滿分為100）如公式（3）。

4 應(yīng)用

4.1 交會(huì)對(duì)接任務(wù)航天器典型故障與應(yīng)急模型

針對(duì)發(fā)射入軌、遠(yuǎn)距離導(dǎo)引、自主與人工控制交會(huì)對(duì)接、組合體運(yùn)行、撤離返回等交會(huì)對(duì)接關(guān)鍵過(guò)程，本節(jié)建立了相應(yīng)故障模型，實(shí)現(xiàn)了多目標(biāo)關(guān)聯(lián)故障信息的實(shí)時(shí)互傳，完成了載人飛船大氣層外應(yīng)急救生模式、自主應(yīng)急返回、一次調(diào)姿不正常三艙推遲返回、二次調(diào)姿不正常兩艙推遲返回、B組發(fā)動(dòng)機(jī)制動(dòng)返回、GNC失效手控半自動(dòng)返回和數(shù)管失效手控半自動(dòng)返回，以及交會(huì)對(duì)接過(guò)程中推遲對(duì)接、取消交會(huì)對(duì)接和組合體緊急撤離等典型故障模擬，以及對(duì)上述故障地面處置對(duì)策的智能響應(yīng)。

4.2 測(cè)控網(wǎng)／天地信息傳輸故障模型

為了模擬陸海天基測(cè)控設(shè)備故障和天地信息傳輸故障對(duì)交會(huì)對(duì)接任務(wù)的影響，以及當(dāng)任務(wù)出現(xiàn)應(yīng)急情況（比如推遲對(duì)接、緊急返回等）時(shí)模擬測(cè)控資源使用計(jì)劃的適應(yīng)性調(diào)整，設(shè)計(jì)了測(cè)控網(wǎng)／天地信息傳輸故障與應(yīng)急模型。

為實(shí)現(xiàn)與正常功能的松耦合連接，在測(cè)控網(wǎng)／天地信息傳輸仿真模型中加入故障處理層（圖4），完成對(duì)故障與應(yīng)急功能的仿真。如未收到故障加載命令，數(shù)據(jù)通過(guò)故障層時(shí)不會(huì)產(chǎn)生變化。故障層包含兩個(gè)關(guān)鍵模型，數(shù)據(jù)組幀故障模型和測(cè)控計(jì)劃故障模型。

數(shù)據(jù)組幀故障模型分別針對(duì)數(shù)據(jù)幀格式頭隨機(jī)碼、數(shù)據(jù)內(nèi)容隨機(jī)碼、數(shù)據(jù)幀正常與隨機(jī)碼交替、擴(kuò)頻或降頻傳輸、收發(fā)時(shí)機(jī)不當(dāng)?shù)裙收犀F(xiàn)象進(jìn)行了模擬。

測(cè)控計(jì)劃故障模型設(shè)計(jì)了陸海天基測(cè)控資源使用計(jì)劃的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)配置方法，可模擬陸海天基測(cè)站對(duì)交會(huì)對(duì)接任務(wù)雙目標(biāo)航天器的跟蹤狀態(tài)、數(shù)據(jù)上下行能力和船位變化等故障狀態(tài)。當(dāng)飛行任務(wù)計(jì)劃發(fā)生變更時(shí)，終止當(dāng)前正常的測(cè)控計(jì)劃，按照應(yīng)急方案規(guī)定的陸海天基測(cè)控設(shè)備使用原則，便捷靈活地生成應(yīng)急測(cè)控資源使用計(jì)劃，并加載啟用。操作員可人工在線對(duì)測(cè)控計(jì)劃進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。

圖4 測(cè)控網(wǎng)／天地信息傳輸故障體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Fault architecture of measurement?control network and information transmission

5 結(jié)論

交會(huì)對(duì)接任務(wù)故障與應(yīng)急仿真系統(tǒng)采用了高層體系結(jié)構(gòu)，擴(kuò)展性好，重用性高，具備多任務(wù)、多目標(biāo)故障演練支持等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)高復(fù)雜度、高協(xié)同性和高精度交會(huì)對(duì)接故障和應(yīng)急過(guò)程的系統(tǒng)仿真。

本系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)3次交會(huì)對(duì)接任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用，支持了地面飛行控制系統(tǒng)軟硬件環(huán)境的穩(wěn)定性測(cè)試，驗(yàn)證了交會(huì)對(duì)接任務(wù)故障處置流程的有效性和正確性，支持了測(cè)控通信指揮部緊急重大故障的應(yīng)急處置聯(lián)試與指揮決策演練，為提高參試人員的故障發(fā)現(xiàn)、診斷和應(yīng)急處置能力發(fā)揮了巨大作用，有效保障了3次交會(huì)對(duì)接任務(wù)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的順利進(jìn)行。

本系統(tǒng)具有通用性的特點(diǎn)，在螢火一號(hào)任務(wù)和嫦娥二號(hào)任務(wù)故障仿真中已得到成功應(yīng)用，在后續(xù)的載人空間站工程和月球深空探測(cè)任務(wù)等領(lǐng)域具備良好的應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of Fault and Emergency Simulation System for Rendezvous and Docking Missions

YANG Jian，MIAO Yi，ZHAN Lei，WANG Lei
（Beijing Aerospace Control Center，Beijing 100094，China）

To simulate the TT＆C fault and emergency of multi?spacecrafts in rendezvous and docking missions，the evaluation environment for systematic fault simulation and integrative emergency response was developed.Utilizing the distributed and interoperable high level architecture，the Space?craft，Resources，Process（SPR）flexible fault?description method was studied，the collaborative exercise control mode drived by scenario engines was designed，and the normalization of faultmodeling，storage，extracting and assembling was relized.The integration of fault operations，effect monitoring，and response evaluation was also achieved.The technical problems of fault simulation，emergency exercises and manpower training in Chinese key space projects were solvedwhich was validated by 3 rendezvous and docking missions.

simulation system；rendezvous and docking；fault and emergency；high level architecture（HLA）；quantizing evaluation.

TP391.9；V556

A

1674?5825（2014）01?0032?05

2013?10?25；

2014?01?11

楊?。?982?），男，碩士，研究方向?yàn)楹教鞙y(cè)控。E?mail：kkyjian＠163.com