高永明，　李　磊

(1. 裝備學(xué)院 信息裝備系, 北京 101416；　2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416)

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空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控語言研究

高永明1，李磊2

(1. 裝備學(xué)院 信息裝備系, 北京 101416；2. 裝備學(xué)院 研究生管理大隊(duì), 北京 101416)

摘要空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)是在實(shí)時(shí)/近實(shí)時(shí)約束的天地協(xié)同操作背景下完成的一類復(fù)雜任務(wù)。這類任務(wù)具有實(shí)時(shí)要求高、約束關(guān)系復(fù)雜、精細(xì)程序高、自主性和協(xié)同性強(qiáng)等特點(diǎn)，根據(jù)這些特點(diǎn)，通過對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外航天試驗(yàn)運(yùn)控語言研究成果，自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套面向空間操控航天器的試驗(yàn)運(yùn)控語言及其運(yùn)行支撐系統(tǒng)，重點(diǎn)突破了語言轉(zhuǎn)換/編譯、語言運(yùn)行調(diào)度及仿真驗(yàn)證技術(shù)。最后通過搭建仿真系統(tǒng)和設(shè)計(jì)典型試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)，對(duì)語言系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞空間操控航天器；試驗(yàn)運(yùn)控語言；編譯技術(shù)；調(diào)度技術(shù)

Control Language of Space Manipulation Spacecraft Experiment

GAO Yongming1，LI Lei2

(1. Department of Information Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Graduate Management， Equipment Academy， Beijing 101416， China)

AbstractAs a whole, test and operation of space manipulation are one kind of complicated tasks in the background of space-earth collaborative operation in real time/near real-time constraint. These tasks feature high requirements on real time operation, complicated constraint relations, high degree of fineness, high degree of autonomous and collaboration, etc. According to these features, through contrastive analysis on the space test and operation language researches home and abroad, a set of test manipulation languages aiming at spatial manipulation of spacecrafts and relevant operational support systems has been designed and realized, significant breakthrough has been made in the respect of language conversion/compilation, operation scheduling and simulation techniques. Finally, the paper makes primary verification on the overall design and key techniques of the language system through building up a simulation system and designing typical test manipulation tasks.

Keywordsspace manipulation spacecraft; experiment control language; compiling technology; scheduling technology

進(jìn)入21世紀(jì)以來，各主要航天國(guó)家都在大力發(fā)展空間技術(shù)，尤以空間操控航天器和在軌服務(wù)試驗(yàn)為核心的空間操控技術(shù)為代表?？臻g操控技術(shù)具有協(xié)同性、精細(xì)性和實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，而傳統(tǒng)航天器的試驗(yàn)運(yùn)控模式難以滿足其試驗(yàn)運(yùn)控需求，因此需要一種新的既能適應(yīng)現(xiàn)有航天試驗(yàn)體制和技術(shù)體系，又能滿足空間操控需求的運(yùn)控模式，其核心是建立一套以航天器試驗(yàn)運(yùn)控語言為核心的試驗(yàn)運(yùn)控系統(tǒng)。美國(guó)宇航局根據(jù)“阿波羅”計(jì)劃的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了面向航天器控制的實(shí)時(shí)高級(jí)編程語言HAL/S[1-2]；美國(guó)接口與控制系統(tǒng)公司于20世紀(jì)80年代開發(fā)了一套基于規(guī)則的航天器命令語言[3]；Draper實(shí)驗(yàn)室為國(guó)際空間站開發(fā)了基于Timeliner系統(tǒng)的用戶接口語言[4-5]；中國(guó)西安衛(wèi)星測(cè)控中心設(shè)計(jì)了一種面向衛(wèi)星測(cè)控的航天器控制語言[6-7]。這些語言系統(tǒng)都不同程度地提升了航天試驗(yàn)運(yùn)控能力，但真正適應(yīng)未來天地協(xié)同條件下精細(xì)操控的試驗(yàn)運(yùn)控語言及其運(yùn)行支撐系統(tǒng)目前還處于技術(shù)探索或?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證階段。通過對(duì)目前國(guó)內(nèi)外航天試驗(yàn)及其語言系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究，從服務(wù)未來空間操控技術(shù)試驗(yàn)的角度，設(shè)計(jì)了基于元模型、基本模型和擴(kuò)展模型的多層次語言模型，解決了航天試驗(yàn)的應(yīng)用拓展問題；同時(shí)對(duì)語言系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、基本語法、擴(kuò)展語法及文件規(guī)范進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，解決了語言系統(tǒng)的規(guī)范性問題；最后結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，重點(diǎn)對(duì)語言轉(zhuǎn)換/編譯、語言運(yùn)行調(diào)度和仿真驗(yàn)證3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，并結(jié)合仿真實(shí)例進(jìn)行了初步驗(yàn)證，可為我國(guó)未來空間在軌自主服務(wù)技術(shù)演示驗(yàn)證試驗(yàn)提供技術(shù)參考。

1空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控問題分析

1.1試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)分析

空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)系統(tǒng)主要分為空間操控系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)和地面系統(tǒng)。其中空間操控系統(tǒng)是空間操控任務(wù)的實(shí)施者，根據(jù)空間操控系統(tǒng)所裝配的不同操控機(jī)構(gòu)可以完成在軌維修、燃料加注、模塊更換等各種操控任務(wù)。雖然空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)系統(tǒng)與傳統(tǒng)航天任務(wù)系統(tǒng)有著相似的系統(tǒng)組成，但是試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)系統(tǒng)中具有的多種執(zhí)行器，以及地面系統(tǒng)具有的任務(wù)規(guī)劃、資源管理、人機(jī)交互等復(fù)雜功能，使得空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)系統(tǒng)的工作模式與傳統(tǒng)航天任務(wù)系統(tǒng)發(fā)生了很大改變。首先，試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)中存在著多種約束關(guān)系，主要包括了天地協(xié)同約束、任務(wù)協(xié)同約束和資源協(xié)同約束，需要考慮任務(wù)間、資源間的復(fù)雜約束關(guān)系，很難通過人工編制計(jì)劃來滿足約束關(guān)系。其次，試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)中需要的操作事件多，計(jì)劃工作模式不能滿足實(shí)時(shí)根據(jù)操作結(jié)果對(duì)任務(wù)進(jìn)行調(diào)整的需求。

1.2試驗(yàn)運(yùn)控語言需求

根據(jù)對(duì)空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)的分析，可以知道支撐試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)的語言系統(tǒng)應(yīng)該具備任務(wù)規(guī)劃描述、控制程序轉(zhuǎn)換、適應(yīng)不同用戶、兼容現(xiàn)有系統(tǒng)等功能，具體功能需求為：

1) 支持任務(wù)規(guī)劃調(diào)度。為了滿足運(yùn)控系統(tǒng)對(duì)任務(wù)計(jì)劃的管理要求，需要提供任務(wù)規(guī)劃功能，因此需要在試驗(yàn)運(yùn)控語言內(nèi)提供任務(wù)規(guī)劃過程中對(duì)各規(guī)劃要素的描述方法，并支持對(duì)規(guī)劃結(jié)果的描述。

2) 支持控制程序生成。為了提高任務(wù)效率、減少人工操作、提高可靠性，在任務(wù)規(guī)劃完成后應(yīng)當(dāng)自動(dòng)生成試驗(yàn)運(yùn)控控制程序。

3) 適應(yīng)不同用戶應(yīng)用。試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)有多個(gè)領(lǐng)域的人員參與，不同領(lǐng)域人員的關(guān)注點(diǎn)不同，對(duì)問題的描述不同，試驗(yàn)運(yùn)控語言應(yīng)該對(duì)不同領(lǐng)域提供支持。

4) 兼容現(xiàn)有運(yùn)控系統(tǒng)。為了保持試驗(yàn)運(yùn)控語言對(duì)傳統(tǒng)航天任務(wù)的支持，試驗(yàn)運(yùn)控語言應(yīng)與現(xiàn)有系統(tǒng)相兼容，同時(shí)提供對(duì)試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)的支持。

2空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控語言總體設(shè)計(jì)

圖1　試驗(yàn)運(yùn)控語言模型框架

2.1試驗(yàn)運(yùn)控語言模型

目前地面試驗(yàn)運(yùn)控各個(gè)崗位分工很細(xì)，負(fù)責(zé)試驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃和負(fù)責(zé)試驗(yàn)控制的是不同的崗位，而且他們對(duì)于任務(wù)的關(guān)注點(diǎn)有很大區(qū)別；同時(shí)試驗(yàn)任務(wù)規(guī)劃程序、試驗(yàn)控制程序和航天器在軌任務(wù)規(guī)劃調(diào)度程序的定義及描述也有很大的不同，需在試驗(yàn)運(yùn)控語言設(shè)計(jì)時(shí)考慮該問題。為此提出包含元模型、基本模型和擴(kuò)展模型3個(gè)層次結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)運(yùn)控語言模型(如圖1所示)，以適應(yīng)未來不同層次的應(yīng)用。其中，元模型主要面向控制人員支持對(duì)控制程序的描述；在元模型的基礎(chǔ)上通過通用航天任務(wù)基本模型和試驗(yàn)運(yùn)控?cái)U(kuò)展模型分別支持對(duì)傳統(tǒng)航天任務(wù)及試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)的描述。

試驗(yàn)運(yùn)控語言元模型主要對(duì)航天器控制程序的定義和形式化描述，包括了控制程序所需的基本關(guān)鍵字、數(shù)據(jù)類型、表達(dá)式、語句等。通用航天任務(wù)基本模型和試驗(yàn)運(yùn)控?cái)U(kuò)展模型是一個(gè)以活動(dòng)為核心的集合，通過將任務(wù)分解為基本的操作活動(dòng)建立相應(yīng)的操作集、指令集，配合相應(yīng)的控制模式來對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述。其中，試驗(yàn)運(yùn)控?cái)U(kuò)展模型是對(duì)通用航天任務(wù)基本模型的擴(kuò)充。

2.2試驗(yàn)運(yùn)控語言設(shè)計(jì)

1)語言結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。試驗(yàn)運(yùn)控語言采用了bundle-sequence-subsequence三級(jí)結(jié)構(gòu)，其中bundle是最小的可執(zhí)行單元，一個(gè)bundle中可以包含一個(gè)或多個(gè)sequence和subsequence。所有的結(jié)構(gòu)都以結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字開始，以close與結(jié)構(gòu)關(guān)鍵字結(jié)束。一個(gè)可用的試驗(yàn)運(yùn)控腳本中包含至少一個(gè)bundle，且在執(zhí)行前必須加載bundle，否則bundle中包含的sequence和subsequence將不能被調(diào)用。

2) 基本語法定義。試驗(yàn)運(yùn)控語言的基本語法定義對(duì)應(yīng)了試驗(yàn)運(yùn)控語言元模型，支持了對(duì)試驗(yàn)運(yùn)控程序的控制描述。試驗(yàn)運(yùn)控語言的語句格式為：

Keyword[ …]

試驗(yàn)運(yùn)控語言提供了5類28個(gè)關(guān)鍵字(如表1 所示)，提供了數(shù)據(jù)類型定義、結(jié)構(gòu)定義、流程控制、過程控制和目標(biāo)系統(tǒng)指令支持等功能。其中，數(shù)據(jù)類型定義在4種常用基本類型基礎(chǔ)上，增加了表示字符串的string類型和表示時(shí)間的time類型；流程控制提供了一般的分支結(jié)構(gòu)，同時(shí)提供了面向時(shí)間的流程控制，如when、whenever和every。試驗(yàn)運(yùn)控語言提供了基本的數(shù)據(jù)運(yùn)算符、關(guān)系運(yùn)算符等操作符(如表2所示)。

表1　試驗(yàn)運(yùn)控語言關(guān)鍵字

表2　試驗(yàn)運(yùn)控語言操作符

3) 擴(kuò)展語法定義。試驗(yàn)運(yùn)控語言擴(kuò)展語法是在試驗(yàn)運(yùn)控語言基本語法定義的基礎(chǔ)上，面向任務(wù)規(guī)劃人員對(duì)以活動(dòng)為中心的通用航天任務(wù)基本模型和試驗(yàn)運(yùn)控?cái)U(kuò)展模型進(jìn)行描述。主要包括活動(dòng)類型、狀態(tài)集合、資源集合和約束關(guān)系集合。分別以關(guān)鍵字ACTIVITY、STATEVAR、RESOURCE定義活動(dòng)類型、狀態(tài)集合和資源集合，約束關(guān)系集合定義在ACTIVITY內(nèi)部的RESERVATION中。在ACTIVITY中有6個(gè)默認(rèn)參數(shù)：開始時(shí)間(STARTTIME)、持續(xù)時(shí)間(DURATION)、結(jié)束時(shí)間(ENDTIME)、優(yōu)先級(jí)(PRIORITY)、狀態(tài)資源約束(RESERVATION)和活動(dòng)關(guān)系約束(CONSTRAINT)，此外還可以定義自定義參數(shù)(PARAMTYPE)。通過這些參數(shù)可以描述活動(dòng)的起止時(shí)間、各種約束關(guān)系以及特殊的參數(shù)變化。在STATEVAR包含了3個(gè)參數(shù)：狀態(tài)值(STATE)、轉(zhuǎn)換關(guān)系(CHANGE)以及初始值(DEFAULT)。在RESOURCE中包含2個(gè)參數(shù)：資源類型(TYPR)和資源容量(TYPR)。

4) 文件規(guī)范定義。試驗(yàn)運(yùn)控語言文件分為2種：試驗(yàn)運(yùn)控腳本文件和模型文件。試驗(yàn)運(yùn)控腳本文件是對(duì)應(yīng)模型文件生成的控制腳本，模型文件是對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)的操作集描述。模型文件又包括了領(lǐng)域描述文件和問題描述文件。其中，領(lǐng)域文件描述領(lǐng)域內(nèi)的公共信息，可重用；問題文件描述了任務(wù)目標(biāo)。領(lǐng)域描述文件主要由3個(gè)文件組成：自定義參數(shù)文件、活動(dòng)類型定義文件和資源狀態(tài)文件。(1) 自定義參數(shù)文件，一般命名為namePARAME.MDL，包含了用戶定義的全局參數(shù)；(2) 活動(dòng)類型定義文件，一般命名為nameACTIVITYTYPE.MDL，描述該領(lǐng)域內(nèi)的活動(dòng)；(3) 資源狀態(tài)文件，一般命名為nameRESOURCE.MDL，定義了領(lǐng)域內(nèi)包含的資源和狀態(tài)。

3空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控語言關(guān)鍵技術(shù)

3.1試驗(yàn)運(yùn)控語言轉(zhuǎn)換/編譯技術(shù)

試驗(yàn)運(yùn)控語言的轉(zhuǎn)換/編譯問題涉及3個(gè)方面：一是由試驗(yàn)運(yùn)控建模語言向試驗(yàn)運(yùn)控語言的轉(zhuǎn)換問題；二是試驗(yàn)運(yùn)控語言的編譯問題；三是執(zhí)行代碼的自動(dòng)生成問題。

1) 試驗(yàn)運(yùn)控建模語言的轉(zhuǎn)換方法。根據(jù)對(duì)試驗(yàn)運(yùn)控語言的設(shè)計(jì)，試驗(yàn)運(yùn)控語言采用了bundle-sequence-subsequence三級(jí)結(jié)構(gòu)，而試驗(yàn)運(yùn)控建模語言是以活動(dòng)為單位進(jìn)行組織的，二者都具有結(jié)構(gòu)化的特點(diǎn)。根據(jù)這一特點(diǎn)，由試驗(yàn)運(yùn)控建模語言向試驗(yàn)運(yùn)控語言轉(zhuǎn)換時(shí)可以采取由結(jié)構(gòu)到結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換方法，實(shí)際就是為每個(gè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個(gè)模板，當(dāng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)將源程序的相應(yīng)參數(shù)填入模板就可以完成轉(zhuǎn)換過程。

2) 試驗(yàn)運(yùn)控語言的編譯方法。編譯的目的是識(shí)別源語言，并將其翻譯成與源語言在某種程度上等價(jià)的目標(biāo)語言。考慮到試驗(yàn)運(yùn)控語言的可讀性、可維護(hù)性和擴(kuò)展性，在實(shí)現(xiàn)其編譯器的過程中沒有采用已有的自動(dòng)化工具，而采取了手工方法構(gòu)建編譯器。分別基于狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和遞歸下降算法實(shí)現(xiàn)了詞法分析和語法分析過程。詞法分析的作用是讀入源程序的字符串，并將字符串分割識(shí)別為試驗(yàn)運(yùn)控語言中的詞法單元。在本文中使用了狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來描述詞法單元的模式，并以此進(jìn)行詞素的識(shí)別。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖由一組代表狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)和一組連接節(jié)點(diǎn)的有向邊組成，描述在一個(gè)過程中所有狀態(tài)間的轉(zhuǎn)移關(guān)系。狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖具有一個(gè)初始狀態(tài)作為入口，若干個(gè)接受狀態(tài)作為結(jié)束狀態(tài)。在匹配過程中，當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)字符串符合多個(gè)模式時(shí)，以所匹配的模式中最長(zhǎng)的為準(zhǔn)，即在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中以深度優(yōu)先為匹配原則。為了區(qū)別關(guān)鍵字與標(biāo)識(shí)符，為關(guān)鍵字單獨(dú)建表，每識(shí)別一個(gè)標(biāo)識(shí)符就查詢一次關(guān)鍵字表。語法分析的作用是驗(yàn)證識(shí)別的詞法單元串符合語言的語法規(guī)則，同時(shí)構(gòu)建一顆描述源程序結(jié)構(gòu)、語義的語法樹供后續(xù)使用。語法的結(jié)構(gòu)比詞法的結(jié)構(gòu)復(fù)雜很多，使用了表達(dá)力更強(qiáng)的上下文無關(guān)文法[8-9]來描述語法的模式，在語法結(jié)構(gòu)中大量存在著由自身組成自身的遞歸情況，根據(jù)這一特點(diǎn)，使用了遞歸下降算法[10]來處理語法的識(shí)別過程，為了提高識(shí)別效率，采用向前看的方式，因?yàn)檫@時(shí)只要將公共部分提出作為一個(gè)產(chǎn)生式，就可以只向前讀入一個(gè)符號(hào)即匹配到唯一產(chǎn)生式。

3) 執(zhí)行代碼生成方法。試驗(yàn)運(yùn)控語言提供了一個(gè)最小指令集，只包含了空指令(null)、表達(dá)式(expr)、條件跳轉(zhuǎn)(ifnotjump)、跳轉(zhuǎn)(jump)和返回(return)5條指令。與一般的指令集相比，最小指令集將操作數(shù)相關(guān)的操作都并入了表達(dá)式指令中。執(zhí)行代碼的生成同樣是基于模板的。比較特殊之處是對(duì)表達(dá)式的處理。表達(dá)式在語法樹中以運(yùn)算符為根節(jié)點(diǎn)，操作數(shù)為葉子節(jié)點(diǎn)，處理時(shí)以先根順序處理左子樹，然后以相同步驟處理右子樹并將值賦予左子樹，最后返回左子樹的值。

3.2試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行調(diào)度技術(shù)

試驗(yàn)運(yùn)控語言的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是以活動(dòng)為單位來組織任務(wù)過程，一個(gè)試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)會(huì)被劃分為若干個(gè)活動(dòng)，經(jīng)過編譯后生成的執(zhí)行代碼也是以活動(dòng)為單位進(jìn)行組織的，因此就需對(duì)活動(dòng)的執(zhí)行時(shí)間、順序等進(jìn)行調(diào)度控制，使得活動(dòng)的執(zhí)行能滿足任務(wù)要求。通過對(duì)最早截止期優(yōu)先調(diào)度(Earliest Deadline First，EDF)算法[11]在優(yōu)先級(jí)和資源控制2個(gè)方面的改進(jìn)，可提高運(yùn)行效率。

資源控制是為了解決因?yàn)閷?duì)資源競(jìng)爭(zhēng)而引起的優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)蛢?yōu)先級(jí)任務(wù)占用資源將導(dǎo)致高優(yōu)先級(jí)的任務(wù)因等待資源而阻塞，同時(shí)由于低優(yōu)先級(jí)任務(wù)容易被搶占，使得阻塞的高優(yōu)先級(jí)任務(wù)長(zhǎng)時(shí)間等待，引發(fā)調(diào)度失敗。在資源控制協(xié)議中，規(guī)定所有需要占用某個(gè)資源的任務(wù)中最高的優(yōu)先級(jí)稱為該資源的最高限度優(yōu)先級(jí)。只有當(dāng)資源為空閑，且該任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于當(dāng)前任務(wù)集的最高限度優(yōu)先級(jí)或者該任務(wù)已經(jīng)占有一個(gè)最高限度優(yōu)先級(jí)與當(dāng)前任務(wù)集最高限度優(yōu)先級(jí)相同的資源時(shí)，任務(wù)可以占用這個(gè)資源。否則，若是占用資源的任務(wù)優(yōu)先級(jí)低于提出請(qǐng)求任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，那么占用資源的任務(wù)繼承提出請(qǐng)求任務(wù)的優(yōu)先級(jí)，當(dāng)該任務(wù)釋放資源時(shí)，恢復(fù)其原來的優(yōu)先級(jí)。

4空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控語言仿真驗(yàn)證

4.1試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)

圖2　試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)

為了對(duì)試驗(yàn)運(yùn)控的過程進(jìn)行模擬仿真，并對(duì)試驗(yàn)運(yùn)控語言的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)，如圖2所示。系統(tǒng)主要由4部分組成：編譯環(huán)境、執(zhí)行環(huán)境、共享數(shù)據(jù)庫和仿真驗(yàn)證軟件，試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)涵蓋了試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)從建模、生成控制程序到執(zhí)行的全過程。各分系統(tǒng)間通過文件或網(wǎng)絡(luò)交換數(shù)據(jù)。編譯環(huán)境提供建立模型、編輯代碼的編輯環(huán)境，由模型生成控制程序的控制程序生成器和編譯代碼的編譯器；執(zhí)行環(huán)境接受編譯生成的中間文件，并通過解釋器生成執(zhí)行指令，有調(diào)度器進(jìn)行執(zhí)行調(diào)度；共享數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)了任務(wù)相關(guān)信息；仿真驗(yàn)證軟件根據(jù)執(zhí)行器狀態(tài)進(jìn)行相應(yīng)顯示。試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3　試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)運(yùn)行流程

4.2試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)仿真

試驗(yàn)運(yùn)控語言的設(shè)計(jì)主要是面向試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)的，同時(shí)兼顧了傳統(tǒng)航天任務(wù)，其典型應(yīng)用場(chǎng)景以空間操控為主。為了驗(yàn)證試驗(yàn)運(yùn)控語言的能力，針對(duì)典型試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)進(jìn)行了仿真。

以美國(guó)軌道快車任務(wù)為例，首先通過分析任務(wù)系統(tǒng)的執(zhí)行能力，以試驗(yàn)運(yùn)控建模語言建立目標(biāo)系統(tǒng)的操作集；在設(shè)定了系統(tǒng)的初始狀態(tài)后對(duì)任務(wù)過程進(jìn)行了規(guī)劃，同時(shí)將規(guī)劃結(jié)果轉(zhuǎn)換生成了試驗(yàn)運(yùn)控控制程序；最后執(zhí)行器加載控制程序并予以執(zhí)行。

圖4a)顯示的是試驗(yàn)運(yùn)控建模語言的建模過程，描述了系統(tǒng)每個(gè)活動(dòng)的具體參數(shù)；圖4b)顯示的是根據(jù)規(guī)劃結(jié)果轉(zhuǎn)換生成的試驗(yàn)運(yùn)控控制程序。在任務(wù)的仿真過程中，假設(shè)任務(wù)中突發(fā)狀況，臨時(shí)調(diào)整了任務(wù)目標(biāo)，插入了3個(gè)活動(dòng)，試驗(yàn)運(yùn)控語言運(yùn)行支撐系統(tǒng)對(duì)任務(wù)進(jìn)行了重新規(guī)劃、執(zhí)行。圖5a)為調(diào)整任務(wù)前一時(shí)刻的執(zhí)行情況，圖5b)為調(diào)整后的執(zhí)行情況。

a) 試驗(yàn)運(yùn)控語言建模

b) 試驗(yàn)運(yùn)控控制程序圖4　試驗(yàn)運(yùn)控語言建模、編輯/轉(zhuǎn)換運(yùn)行界面

a) 試驗(yàn)運(yùn)控語言規(guī)劃前結(jié)果

b) 試驗(yàn)運(yùn)控語言規(guī)劃后結(jié)果圖5　試驗(yàn)運(yùn)控語言調(diào)度執(zhí)行界面

5結(jié) 束 語

空間操控航天器試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)由于其實(shí)時(shí)要求高、約束關(guān)系復(fù)雜、精細(xì)程序高、自主性和協(xié)同性強(qiáng)等特點(diǎn)，對(duì)試驗(yàn)運(yùn)控及其運(yùn)行支撐系統(tǒng)提出了更高的要求。本文在對(duì)比分析國(guó)內(nèi)外航天試驗(yàn)運(yùn)控語言研究成果的基礎(chǔ)上，自主設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套面向空間操控航天器的試驗(yàn)運(yùn)控語言及其運(yùn)行支撐系統(tǒng)，并通過典型試驗(yàn)運(yùn)控任務(wù)的過程仿真，初步驗(yàn)證了試驗(yàn)運(yùn)控語言的正確性和有效性，可服務(wù)于未來在軌自主服務(wù)任務(wù)。

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(編輯：李江濤)

中圖分類號(hào)TP314

文章編號(hào)2095-3828(2016)01-0080-06

文獻(xiàn)標(biāo)志碼A DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.01.017

作者簡(jiǎn)介高永明(1972-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g操控任務(wù)規(guī)劃、航天地面軟件。gym1701@163.com

基金項(xiàng)目國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目

收稿日期2015-05-26