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(1.航天工程大學(xué)，北京 101416; 2.北京航天飛控中心，北京 101416)

0 引言

“制高點”這一詞，我們并不陌生，現(xiàn)代社會，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，“制高點”可不再是指山頭、高地，而是高新技術(shù)的產(chǎn)物—航天器，無論是現(xiàn)代戰(zhàn)爭還是應(yīng)急救災(zāi)，航天器的運用越來越廣泛，利用這一空間資源獲取空間信息已成為一種趨勢。所以這就對航天器的快速信息支援能力提出了很高的要求。

航天器按照其應(yīng)用方式不同可以分為一體式設(shè)計的傳統(tǒng)航天器和基于模塊化理念的新型航天器。模塊化航天器功能獨立、物理獨立，通過標準接口集成在一起，實現(xiàn)整個航天器系統(tǒng)的功能[1]。傳統(tǒng)航天器主要解決傳統(tǒng)航天任務(wù)，即非突發(fā)情況，按照正常的目標需求進行設(shè)計研制；模塊化航天器主要應(yīng)用在應(yīng)急突發(fā)任務(wù)中，按應(yīng)用需求可分為在軌模塊更換和快速響應(yīng)空間，其中快速響應(yīng)空間按實現(xiàn)方式可以分為在軌快速機動和快速發(fā)射兩種應(yīng)用模式[2]。本文重點研究快速響應(yīng)空間快速發(fā)射應(yīng)用模式，提出了基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系，該體系的運用，可以針對不同突發(fā)任務(wù),以倉儲模塊庫為基礎(chǔ)進行模塊化航天器快速組裝應(yīng)用，達到迅速提升我國空間信息支援能力的目的。

1 基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系實施流程

我國周邊環(huán)境日益復(fù)雜，同時還要擔(dān)負應(yīng)急救災(zāi)任務(wù)，這就對空間信息支援能力有著很大要求。現(xiàn)有航天器無法滿足人員對實時狀況需求，需要具備短時間內(nèi)，快速發(fā)射衛(wèi)星進入空間，增強空間信息支援的能力，然而這種能力是傳統(tǒng)航天器所不具備的[3]。

傳統(tǒng)航天器應(yīng)用體系和基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系流程如圖1、2所示。

圖1 傳統(tǒng)航天器應(yīng)用體系流程圖

圖2 基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系流程圖

傳統(tǒng)航天器應(yīng)用體系也就是人們最熟悉的設(shè)計應(yīng)用方式，其中心思想就是針對具體任務(wù)進行分析與設(shè)計，故航天器與實際任務(wù)需求貼合度強，效果好。但是這種設(shè)計思想也有不足之處：

首先，只能滿足單一任務(wù)需求，不能滿足多任務(wù)需要，使用范圍受限。其次，此類航天器的功能固化，不能滿足突發(fā)任務(wù)需要，一旦有應(yīng)急任務(wù)出現(xiàn)需要進行空間能力的補充或者增強，這類早已經(jīng)設(shè)計好的航天器難以勝任。最后，傳統(tǒng)航天器完成周期長，不能滿足現(xiàn)代化應(yīng)急任務(wù)需要，時效性差，如果不能快速進行空間力量支援，那么一切都沒有意義，若還是想按照傳統(tǒng)設(shè)計方式完成快速響應(yīng)任務(wù)，那么其空間信息時效性肯定不會得到滿足。

所以針對上述問題，本文設(shè)計了基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系，該體系可分為兩部分，第一部分為建立倉儲模塊庫，第二部分為面向快響任務(wù)的倉儲模塊庫應(yīng)用。

1.1 倉儲模塊庫建立

首先對建立倉儲模塊庫的關(guān)鍵環(huán)節(jié)進行說明：

1.1.1 航天任務(wù)

這里指的航天任務(wù)不是憑空假設(shè)的任務(wù)，而是以我國當(dāng)今周邊環(huán)境和世界格局為依據(jù)選取的具有代表性的典型任務(wù)，對這些任務(wù)進行分析，根據(jù)任務(wù)需求得到系列化的倉儲模塊，形成倉儲模塊庫。

1.1.2.任務(wù)分析與可行性論證

任務(wù)分析就是提取用戶需求，也就是把用戶需求目標轉(zhuǎn)化成能夠?qū)崿F(xiàn)這一目的的航天器技術(shù)語言和技術(shù)參數(shù)。本文對所選擇的任務(wù)進行分析，通過分析得到所需航天器的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)。可行性論證是指對初步得到的方案進行分析，驗證其可行性，可行性得到通過，意味著航天任務(wù)分析階段已經(jīng)完成[4]。

本文主要通過建立模型，模型仿真的方法進行可行性論證，同時求出關(guān)鍵子系統(tǒng)模塊或部件的設(shè)計標準。由于本文考慮的是多種航天任務(wù)，所以多次仿真后會得到同一子系統(tǒng)模塊或同一部件的不同設(shè)計參數(shù)，以相同模塊或部件參數(shù)的取值范圍為依據(jù)進行綜合考量，設(shè)計不同子系統(tǒng)模塊或部件的系列化種類和數(shù)量。

設(shè)計工作完成后，就可以開始工程研制和地面測試，形成倉儲模塊庫。

1.2 倉儲模塊庫應(yīng)用

面向快響任務(wù)的倉儲模塊庫應(yīng)用是基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系的重要部分，該體系第一部分建立了倉儲模塊庫，基于第一部分，下面我們就來分析面向快響任務(wù)的倉儲模塊庫應(yīng)用。

面向快響任務(wù)的倉儲模塊庫應(yīng)用使得航天器的應(yīng)用慢慢地從“設(shè)計研制為核心”向“用戶需求為核心”的模式轉(zhuǎn)變，這不單單是設(shè)計方式的改變，而是整個衛(wèi)星應(yīng)用體系的改變。以“用戶需求為核心”的觀點中，航天器設(shè)計人員不是設(shè)計制造一個固化的航天器，而是生產(chǎn)一種半成品，由用戶需求來決定這些半成品最后的組裝方式。這種應(yīng)用理念可以大大地提高任務(wù)響應(yīng)效率，縮短航天器快速發(fā)射時間，眾所周知，響應(yīng)時間將直接影響快響任務(wù)的成敗。

下面對面向快響任務(wù)的倉儲模塊庫應(yīng)用流程進行說明。為了使說明效果更加直觀，本文借鑒了美軍DoDAF體系結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，參考高級作戰(zhàn)概念圖(OV-1)對需要完成的任務(wù)，方式，地點，對象等進行描述，給出了重要的任務(wù)節(jié)點[5-6]，如圖3所示。

圖3 執(zhí)行任務(wù)概念圖

1.2.1 用戶單元

用戶單元是任務(wù)的發(fā)起者，也是最終有效數(shù)據(jù)的接收者。當(dāng)發(fā)生突發(fā)任務(wù)時，用戶單元會根據(jù)不同的情況提出不同的任務(wù)需求。

1.2.2 任務(wù)中心

任務(wù)中心的職能是分析用戶單元的任務(wù)需求，把用戶的需求轉(zhuǎn)化為航天器的設(shè)計依據(jù)，從而提出航天器的設(shè)計方案。以本文為例，要確定模塊選擇以及要對所執(zhí)行方案進行仿真驗證。

倉儲模塊庫是存儲模塊化航天器各個模塊的地方。對任務(wù)需求確定無誤后就要到模塊庫中通過智能算法進行篩選提取相應(yīng)模塊進行模塊化航天器的快速構(gòu)建，倉儲的模塊要確?！盁o故障，可使用”，這就給模塊庫的日常管理提出了很高的要求。

1.2.4 發(fā)射陣地

這一步驟不僅要完成模塊化衛(wèi)星的發(fā)射，在這之前還要完成航天器的快速集成測試以及航天器與運載器的集成測試。

1.2.5 測控中心

測控中心要對在軌執(zhí)行突發(fā)任務(wù)的模塊化航天器進行實時測控。

1.2.6 地面數(shù)據(jù)處理

P2主要與注意資源的分配及對刺激的加工分析有關(guān)[13]。本研究發(fā)現(xiàn)，在由新異刺激誘發(fā)的P2波幅上，術(shù)后化療前組低于化療組和健康對照組，說明該組患者對分心刺激的抑制不夠，從而可能減少對靶刺激的注意資源的投入。

地面數(shù)據(jù)處理就是將執(zhí)行任務(wù)衛(wèi)星的下傳數(shù)據(jù)進行接收和處理，并將有效信息發(fā)送給用戶單元，從而構(gòu)成完整的執(zhí)行任務(wù)過程。

基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系是建立在建模仿真的基礎(chǔ)上的，無論是倉儲模塊庫的建立，還是模塊化航天器快速構(gòu)建都要應(yīng)用到建模仿真，這與美國提出的基于仿真的采辦(Simulation Based Acquisition, SBA)思想不謀而合，即是一種基于仿真的快速響應(yīng)(Simulation Based Quick response, SBQR)。SBQR在保證了航天器性能的前提下，縮短項目開發(fā)周期，降低開發(fā)成本和風(fēng)險。所以說，SBQR的重要價值除了在于它是一種技術(shù)上的創(chuàng)新應(yīng)用，還在于它是一種思想理念和工作方式的變革。

2 基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系能力需求

為了保障基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系能夠順利進行應(yīng)用，需要對該體系進行能力需求分析。從“能力需求”出發(fā)，是基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系設(shè)計的立足點，也是今后該體系進行效能評估的重要參考指標。

“基于能力需求”要求從該體系的總體去把握，考慮系統(tǒng)應(yīng)具備何種最基礎(chǔ)的能力。基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系按能力需求分析的基本思路是：第一，明確任務(wù)目標確定任務(wù)需求，熟悉執(zhí)行任務(wù)過程。第二，對完成任務(wù)的操作流程進行分解，提出保證各個步驟能夠順利實施的能力需求。第三，對得到的多種能力需求進行綜合分析，并確定體系能力需求。

基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系任務(wù)過程劃分及能力需求關(guān)系如圖4所示[7]。

圖4 基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系任務(wù)過程劃分及能力需求關(guān)系圖

如圖4可知，基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系任務(wù)過程主要包括八項活動，與之對應(yīng)十一種能力需求。綜合分析上述能力需求，可得基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系能力需求主要包括以下方面。

1)快速任務(wù)規(guī)劃能力和航天器快速構(gòu)建能力。當(dāng)執(zhí)行突發(fā)任務(wù)時，需要任務(wù)中心快速對任務(wù)作出分析，得到任務(wù)需求，明確如何進行模塊化航天器快速構(gòu)建滿足任務(wù)需求的方案。

2)模塊長期存儲能力。倉儲模塊庫是存儲航天器模塊的倉庫，但與一般倉庫不同。倉儲模塊庫不僅是存放模塊的地方，更是模塊進行定期檢查、維護、更新的地方，要讓各個倉儲模塊的安全可靠性得到實時的保障，確保始終有完好可用的產(chǎn)品，一旦接收到發(fā)射命令，可以迅速投入使用。

3)模塊間靈活配置及快速集成測試能力。模塊化航天器模塊化，標準化設(shè)計準則，保障了模塊間可以靈活組合，構(gòu)造不同功能的航天器，同時即插即用技術(shù)的使用使得模塊化航天器能夠進行快速集成與測試。所以必須要熟練掌握模塊化航天器制造所應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，才能滿足模塊間靈活配置及快速集成測試能力需求。

4)運載器長期儲備與運載器航天器快速集成測試能力。這兩種能力與模塊長期存儲能力和模塊化航天器快速集成測試能力相近，這里不再重復(fù)。

5)快速發(fā)射和快速響應(yīng)測控能力?？焖侔l(fā)射指的就是快速機動發(fā)射技術(shù)。為了保障航天器能夠順利發(fā)射直至完成任務(wù)，地面系統(tǒng)必須對航天器進行快速響應(yīng)測控，監(jiān)視其實時工作運行狀態(tài)，并向航天器發(fā)送指令來控制航天器。

6)快速接收信息與處理應(yīng)用能力。衛(wèi)星在軌運行執(zhí)行任務(wù)期間，要將有效數(shù)據(jù)下傳到地面站，同時地面站要將信息進行快速處理，使用戶能夠及時應(yīng)用。

3 基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系關(guān)鍵技術(shù)

基于倉儲模塊航天器快速發(fā)射是一套全新的航天器應(yīng)用體系，在此過程中對應(yīng)了六種能力需求，為了保障新體系能夠順利進行，同時滿足體系能力需求，必須明確體系中的關(guān)鍵技術(shù)，確保達到體系能力需求要求，保證體系正常運轉(zhuǎn)。體系中包括的主要關(guān)鍵技術(shù)有：模塊化技術(shù)，標準化技術(shù)，即插即用技術(shù)，快速機動發(fā)射技術(shù)。

3.1 標準化技術(shù)

模塊化航天器標準化技術(shù)是指接口實現(xiàn)標準化，即組成航天器的模塊以及航天器與地面任務(wù)中心之間的接口標準化。其中，模塊間接口標準化是應(yīng)對不同快響任務(wù)時航天器快速集成的關(guān)鍵；航天器與地面任務(wù)中心的接口標準化是地面對在軌航天器進行快速響應(yīng)測控以及獲取任務(wù)信息的基礎(chǔ)。同時模塊化航天器通過標準接口連接使得模塊間耦合度減少，各模塊的設(shè)計與生產(chǎn)相對獨立，節(jié)約時間。

3.2 模塊化技術(shù)

模塊化技術(shù)是指在航天器設(shè)計中把航天器的功能分解到各個功能獨立的模塊中，使得航天器可由多個獨立的標準化模塊組件構(gòu)成，這些模塊間能夠靈活組合，因此能夠組裝成實現(xiàn)不同功能，滿足不同任務(wù)的航天器。模塊化分是模塊化技術(shù)的關(guān)鍵，在模塊化分的過程中要保證模塊間接口通用，模塊在系統(tǒng)中方便移動。模塊化技術(shù)使航天器系統(tǒng)裝配難度大大降低，把系統(tǒng)的故障限制到每個模塊中。

3.3 即插即用技術(shù)

即插即用技術(shù)是指將設(shè)備連入后，不必安裝驅(qū)動程序，也不需要復(fù)雜地設(shè)置設(shè)備參數(shù)，能夠?qū)B接的計算機系統(tǒng)進行自動識別。衛(wèi)星即插即用技術(shù)是指衛(wèi)星模塊間具有標準接口，能夠完成自我描述和自動系統(tǒng)配置，該技術(shù)建立在標準接口的基礎(chǔ)上，通過軟硬件兩方面協(xié)調(diào)實現(xiàn)。即插即用技術(shù)使航天器集成得到簡化并且能夠?qū)崿F(xiàn)自動測試。即插即用技術(shù)的應(yīng)用，使模塊化航天器各個模塊只要符合設(shè)計要求就能夠自動連接到系統(tǒng)中，由于模塊間彼此互不影響，可以獨立地對模塊進行并行測試，這樣就可以簡化復(fù)雜的測試過程，提高工作效率。

3.4 快速機動發(fā)射技術(shù)

快速機動發(fā)射技術(shù)主要包括機動靈活發(fā)射和優(yōu)化發(fā)射流程。發(fā)射靈活是航天器進入空間執(zhí)行任務(wù)的重要保證。機動靈活發(fā)射方式主要為空中發(fā)射和陸基發(fā)射，具體采用什么樣的發(fā)射方式還要結(jié)合實際情況。目前，雖然我國有4個航天發(fā)射場，但是發(fā)射能力有限，很難同時進行多個任務(wù)，所以必須提高機動靈活發(fā)射能力，解決發(fā)射工位不足問題，同時也能夠快速提高我國航天器發(fā)射能力，進而增強空間優(yōu)勢。優(yōu)化發(fā)射流程是減少發(fā)射時間的主要手段，包括：提前完成部分航天器與運載器的測試工作，減少發(fā)射場的測試任務(wù)；應(yīng)用自動化測試方式，提高自動化程度；多流程實施并行作業(yè)，縮短發(fā)射準備時間。

4 基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系發(fā)展規(guī)劃

4.1 改變傳統(tǒng)，加深快響理念

從現(xiàn)代局部戰(zhàn)爭和應(yīng)急救災(zāi)任務(wù)中可以明確航天器的應(yīng)用模式已經(jīng)和傳統(tǒng)應(yīng)用模式有著顯著不同。在爭奪空間優(yōu)勢和提高空間信息支援能力方面注重航天器的快速響應(yīng)，快速響應(yīng)是美國在2003年提出的[8]，其目的就是為現(xiàn)場指揮官提供快速進入和利用空間的能力，所以要改變思路，加快快速響應(yīng)理念推廣。我國對此研究較晚，不可避免會遇到大量困難，這種情況下，要加大模塊化航天器快速響應(yīng)理念的宣傳和應(yīng)用，普及快響的知識和典型案例，使快響得到重視，同時把基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系運用到快響中，以期達到快速提升空間信息支援能力的目的。

4.2 基于仿真，提高體系能力

現(xiàn)代戰(zhàn)爭和應(yīng)急任務(wù)的成敗與空間信息支援能力的強弱密不可分。毋庸置疑，快速響應(yīng)技術(shù)將影響空間信息支援能力。無論是從對外作戰(zhàn)還是對內(nèi)應(yīng)急任務(wù)來看，我國必須提高快速響應(yīng)能力，擁有迅速奪取空間優(yōu)勢的實力。本文體系結(jié)構(gòu)就是以此提出的，以倉儲模塊庫和模塊化航天器構(gòu)建為重點研究內(nèi)容。但是，和平時期國家要綜合持續(xù)發(fā)展，軍費有限，在研究生產(chǎn)過程中應(yīng)避免無謂的浪費[9]。因此，快響必須以仿真為依托，即基于仿真的快響(SBQR)。通過對模塊和模塊化航天器構(gòu)建進行仿真，可以很大程度上節(jié)約時間，節(jié)省經(jīng)費，提高體系能力，仿真技術(shù)的應(yīng)用有很高的實際價值。

4.3 打牢基礎(chǔ)，完善設(shè)施建設(shè)

基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系是新的概念，在實施過程中要打牢基礎(chǔ)，完善設(shè)施建設(shè)。從我國發(fā)射場現(xiàn)有資源來看，發(fā)射工位數(shù)量少，應(yīng)急發(fā)射設(shè)施不完整，不能完全地保證航天器快速發(fā)射。其次，模塊化航天器并行測試能力不足，自動化程度差，所以為了縮短航天器快速測試時間，要完善并行測試設(shè)施，提高并行測試技術(shù)。今后，還要建立自主的地面支撐系統(tǒng)和便攜的用戶終端，同時逐步提高設(shè)施建設(shè)水平。

4.4 統(tǒng)籌規(guī)劃，努力開拓創(chuàng)新

我國快速響應(yīng)研究工作起步較晚，本文提出的模塊化航天器應(yīng)用體系又較為新穎，所以該體系的實現(xiàn)是十分困難的。由于我國在技術(shù)，經(jīng)費，資源等客觀條件上同發(fā)達國家還有差距，故要做到統(tǒng)籌規(guī)劃，循序漸進，逐步實施，開拓創(chuàng)新，力爭提高我國基于仿真的快響能力，完善快速發(fā)射設(shè)施建設(shè)。新體系的實施需要借鑒國外先進經(jīng)驗，但更重要的是要立足于我國國情，結(jié)合實際情況，開拓創(chuàng)新，掌握核心技術(shù)，這樣才能更好的服務(wù)于我國空間信息支援建設(shè)工作。

5 結(jié)束語

基于倉儲模塊庫的模塊化航天器應(yīng)用體系是快速增強空間信息支援能力的全新模式，通過建立倉儲模塊庫和快速構(gòu)建模塊化航天器來實現(xiàn)整個體系的功能。在整個體系流程中貫穿建模仿真技術(shù)，基于仿真的快響(SBQR)可以最大程度的整合資源，提升能力，降低成本。今后的研究中，應(yīng)該借鑒美國SBA體系結(jié)構(gòu)進行仿真軟件，基礎(chǔ)設(shè)施和相關(guān)工作的研究，為提高我國快速響應(yīng)能力和空間信息支援能力打下堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。

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