董 芳，王新波，房 瑩，王 濤，程 磊

(中國(guó)人民解放軍32032部隊(duì)，北京 100974)

0 引言

模擬訓(xùn)練又稱(chēng)模擬仿真，是指通過(guò)建模、仿真技術(shù)模擬戰(zhàn)局、戰(zhàn)略、戰(zhàn)術(shù)的方法[1]。1941年，日本在偷襲珍珠港前，就進(jìn)行了一百多次作戰(zhàn)模擬，不僅精確地將整個(gè)作戰(zhàn)計(jì)劃確定下來(lái)，而且針對(duì)模擬中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題改進(jìn)了武器系統(tǒng)。實(shí)際戰(zhàn)斗時(shí)，日本飛行員輕車(chē)熟路，使用改進(jìn)的武器給美軍以沉重的打擊，整個(gè)作戰(zhàn)過(guò)程與計(jì)劃僅僅相差3 min。

模擬訓(xùn)練對(duì)于指揮演練具有很強(qiáng)的指導(dǎo)作用，在新式裝備的研制和應(yīng)用上可發(fā)揮重大效益，在操作訓(xùn)練與人才培養(yǎng)方面也得到廣泛應(yīng)用。模擬訓(xùn)練在美軍的地位作用無(wú)可替代，在美軍的訓(xùn)練條令中，無(wú)論是指揮、戰(zhàn)術(shù),還是單兵技能訓(xùn)練，模擬訓(xùn)練都是不可或缺的重要組成部分。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)模擬訓(xùn)練的重視程度日益增強(qiáng)，但真正意義上能夠解決指揮、技能訓(xùn)練和裝備論證方面需求的模擬訓(xùn)練系統(tǒng)尚未發(fā)展成熟。

空間資源日益緊張的形勢(shì)下，在軌服務(wù)是解決航天器在軌運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)的各類(lèi)故障和意外情況、航天器失效零部件更換以及燃料加注等問(wèn)題的必備手段[2]。然而由于在軌服務(wù)具有系統(tǒng)復(fù)雜、要素繁多、高度敏感等特點(diǎn)，再加上太空環(huán)境的特殊性，使得在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃、指揮訓(xùn)練、研究實(shí)踐機(jī)會(huì)少，實(shí)裝訓(xùn)練的組織實(shí)施難度大。因此，迫切需要建設(shè)一個(gè)模擬仿真推演環(huán)境，進(jìn)行在軌服務(wù)的任務(wù)規(guī)劃、策略推演、新裝備研制過(guò)程中的試驗(yàn)驗(yàn)證以及訓(xùn)練裝備操作人員的工作。針對(duì)這一需求，本文基于當(dāng)前在軌服務(wù)研究現(xiàn)狀及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，初步探索研究了在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)。

1 在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)總體思路

1.1 建設(shè)目標(biāo)

在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)，主要模擬以天基系統(tǒng)為核心的全信息化環(huán)境，通過(guò)仿真在軌服務(wù)裝備運(yùn)行環(huán)境，模擬星地一體操控，支持多型在軌服務(wù)裝備的仿真模擬與操作訓(xùn)練、開(kāi)展任務(wù)推演，完成效能評(píng)估。

在系統(tǒng)功能方面，在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)需具有3種功能：一是模擬在軌服務(wù)任務(wù)的運(yùn)行環(huán)境；二是支持單型在軌服務(wù)裝備的仿真模擬與操作訓(xùn)練、開(kāi)展任務(wù)推演、完成效能評(píng)估；三是可完成多型在軌服務(wù)裝備的體系化仿真模擬與操作訓(xùn)練、開(kāi)展任務(wù)推演，完成效能評(píng)估。

在訓(xùn)練目的方面，在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)3種目的：一是提高參訓(xùn)人員對(duì)在軌服務(wù)裝備的操作能力；二是熟悉在軌服務(wù)裝備的作業(yè)流程；三是提高部隊(duì)?wèi)?yīng)對(duì)各種在軌服務(wù)任務(wù)的快速反應(yīng)處置能力。

在任務(wù)推演方面，在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)應(yīng)具備3種能力：一是空間態(tài)勢(shì)推演；二是在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃和決策推演；三是在軌服務(wù)試驗(yàn)效能推演。

1.2 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的建設(shè)目標(biāo)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需遵循以下5項(xiàng)基本原則：

1)環(huán)境模擬的真實(shí)性

太空中運(yùn)行的航天器等空間目標(biāo)雖然其運(yùn)動(dòng)是具有規(guī)律性的，但除了特定參數(shù)是在其生產(chǎn)完成之時(shí)就確定的，其他關(guān)于性質(zhì)類(lèi)型、作用范圍、不同時(shí)刻的坐標(biāo)位置以及與其他空間目標(biāo)之間的關(guān)系難以直觀(guān)掌握，而且其活動(dòng)受到攝動(dòng)、光壓、電磁頻譜等環(huán)境因素的影響。在軌服務(wù)是以空間目標(biāo)(航天器)為主要對(duì)象的行動(dòng)，這就要求模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)能夠真實(shí)詳盡地分析和推理空間目標(biāo)活動(dòng)情況。因此，模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)在環(huán)境模擬上，一方面，需要盡量真實(shí)地反映空間目標(biāo)性質(zhì)類(lèi)型、作用范圍、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和目標(biāo)之間相互關(guān)系；另一方面，需要盡量真實(shí)地模擬太空自然天體和其他環(huán)境因素。

2)推理規(guī)則的準(zhǔn)確性

在真實(shí)的太空模擬環(huán)境下，要實(shí)現(xiàn)在軌服務(wù)行動(dòng)的推演、訓(xùn)練和仿真，需要明確在軌服務(wù)裝備與地面操作之間的聯(lián)動(dòng)規(guī)則、目標(biāo)的活動(dòng)規(guī)則以及在軌服務(wù)裝備與目標(biāo)之間相互作用的規(guī)則，確保在推理規(guī)則集的支持下，盡量準(zhǔn)確地推斷出不同操作所引起在軌服務(wù)裝備、空間目標(biāo)以及空間態(tài)勢(shì)的變化。

3)訓(xùn)練操作的真實(shí)性

在操作訓(xùn)練方面，在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)需要盡量確保訓(xùn)練與實(shí)際裝備操作的一致性，這就要求該系統(tǒng)與在軌服務(wù)裝備的系統(tǒng)操作界面和算法規(guī)則相一致，從而保證訓(xùn)練操作的真實(shí)性，進(jìn)而確保訓(xùn)練成果和經(jīng)驗(yàn)可直接服務(wù)于實(shí)際在軌服務(wù)行動(dòng)。

4)模擬裝備的拓展性

在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)瞄準(zhǔn)的是空間領(lǐng)域，在軌服務(wù)包含多類(lèi)裝備，而目前相關(guān)裝備研究正處于起步階段，發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，未來(lái)各類(lèi)裝備必將在數(shù)量和性能上有很大發(fā)展，因此，從可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)考慮，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)需要為后續(xù)裝備留有交互接口，確保在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)改造升級(jí)的可行性和便宜性。

5)效能評(píng)估的合理性

在軌服務(wù)行動(dòng)完成之后，需要對(duì)此次任務(wù)的效能進(jìn)行評(píng)估，系統(tǒng)評(píng)估分為兩大部分：一方面，需構(gòu)建單型裝備的效能評(píng)估體系。同一裝備的參數(shù)項(xiàng)、工作機(jī)制、防御方式應(yīng)基本一致，因此可綜合分析不同任務(wù)條件下裝備消耗、服務(wù)結(jié)果等多方面參數(shù)，給出單型裝備每次任務(wù)的效能評(píng)估結(jié)果(在此基礎(chǔ)上，可研究探索同類(lèi)裝備的效能評(píng)估體系)，為單型裝備的任務(wù)規(guī)劃、指揮控制以及后續(xù)裝備研制提供支撐。另一方面，需構(gòu)建體系化的效能評(píng)估體系。當(dāng)多型裝備聯(lián)合執(zhí)行任務(wù)時(shí)，需將所有的在軌服務(wù)裝備看作是一個(gè)整體，綜合考慮裝備總體投入、空間目標(biāo)總體損耗以及產(chǎn)生的其他效應(yīng)，生成體系化的效能評(píng)估結(jié)果，為聯(lián)合在軌服務(wù)的任務(wù)規(guī)劃、指揮控制、裝備體系發(fā)展等提供參考依據(jù)。

2 在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練系統(tǒng)建設(shè)具體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)分為空間目標(biāo)與環(huán)境模擬仿真、4類(lèi)在軌服務(wù)裝備模擬與評(píng)估、任務(wù)體系管理、導(dǎo)控與效能評(píng)估等7個(gè)分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)組成

1)空間目標(biāo)與環(huán)境模擬仿真分系統(tǒng)負(fù)責(zé)空間目標(biāo)與環(huán)境的模擬仿真，再現(xiàn)空間目標(biāo)運(yùn)行過(guò)程。

2)按照在軌服務(wù)裝備類(lèi)型將模擬仿真分為4個(gè)模擬與毀傷評(píng)估分系統(tǒng)，每類(lèi)模擬與評(píng)估分系統(tǒng)負(fù)責(zé)該類(lèi)在軌服務(wù)裝備的模擬、參數(shù)化定制與任務(wù)評(píng)估。

3)任務(wù)體系管理分系統(tǒng)負(fù)責(zé)全網(wǎng)在軌服務(wù)裝備系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃、指揮調(diào)度的模擬、參數(shù)化定制與體系效能評(píng)估。

4)導(dǎo)控與效能評(píng)估分系統(tǒng)提供運(yùn)行導(dǎo)調(diào)控制所需的功能(用戶(hù)設(shè)置、權(quán)限分配、席位配置、任務(wù)設(shè)置等)，并重點(diǎn)對(duì)任務(wù)效能進(jìn)行評(píng)估。

2.2 總體流程

空間作業(yè)過(guò)程分為態(tài)勢(shì)感知、指揮決策、任務(wù)實(shí)施和效果評(píng)估4個(gè)階段，對(duì)應(yīng)的在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)總體工作流程如圖2所示?？煞譃榄h(huán)境及裝備仿真、指揮控制仿真、決策推演和效能評(píng)估4個(gè)階段[2]。

圖2 在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)工作流程示意圖

1)環(huán)境及裝備仿真階段。通過(guò)加載多源空間目標(biāo)信息和環(huán)境信息，基于在軌服務(wù)的軌道參數(shù)、類(lèi)型和能力等信息以及空間自然環(huán)境信息，構(gòu)建以天基目標(biāo)為主要對(duì)象的在軌服務(wù)行動(dòng)模擬仿真環(huán)境。

2)指揮控制仿真階段。在構(gòu)建的空間模擬仿真環(huán)境下，根據(jù)空間目標(biāo)信息和在軌服務(wù)裝備信息，進(jìn)行任務(wù)分析，完成任務(wù)規(guī)劃，發(fā)布指揮命令，根據(jù)指揮命令，將任務(wù)行動(dòng)分解成可操作的實(shí)施步驟，通過(guò)系統(tǒng)仿真的操作界面完成相關(guān)操作。

3)決策推演階段。系統(tǒng)根據(jù)具體操作，將操作轉(zhuǎn)換為在軌服務(wù)裝備可識(shí)別的指令，調(diào)用環(huán)境及裝備模型和推理規(guī)則集，模擬推演各類(lèi)在軌服務(wù)裝備(根據(jù)任務(wù)要求從4類(lèi)在軌服務(wù)裝備中選定n型，當(dāng)n為1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行的是單裝備的模擬訓(xùn)練；當(dāng)n大于1時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行的是體系化任務(wù)的模擬訓(xùn)練)接到指令后所產(chǎn)生的動(dòng)作以及對(duì)服務(wù)目標(biāo)的作用，得到在具體操作條件下在軌服務(wù)裝備及天基目標(biāo)活動(dòng)的全過(guò)程和結(jié)果。

4)效能評(píng)估階段。根據(jù)決策推演結(jié)果，分析對(duì)比任務(wù)前后在軌服務(wù)裝備消耗、目標(biāo)狀態(tài)改變以及整體空間環(huán)境態(tài)勢(shì)的變化等多方面指標(biāo)信息，根據(jù)評(píng)估模型，獲得此次在軌服務(wù)任務(wù)的效能評(píng)估結(jié)果。

2.3 外部接口

系統(tǒng)外部接口主要包括兩大部分：一是與態(tài)勢(shì)感知情報(bào)部門(mén)以及各在軌服務(wù)裝備系統(tǒng)間的環(huán)境和空間目標(biāo)信息接口；二是系統(tǒng)與各在軌服務(wù)裝備系統(tǒng)之間的裝備實(shí)時(shí)運(yùn)控?cái)?shù)據(jù)接口，具體如圖3所示。

圖3 在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)接口示意圖

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)

在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1)空間目標(biāo)與環(huán)境模擬仿真

在空間信息網(wǎng)絡(luò)(目標(biāo)、環(huán)境、情報(bào))的基礎(chǔ)上，補(bǔ)充目標(biāo)冗余、活躍度、覆蓋等效能信息，以及目標(biāo)異動(dòng)、信息保障等特征，建設(shè)空間信息態(tài)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)。

根據(jù)在軌服務(wù)裝備面臨的光學(xué)、電磁等環(huán)境要素，結(jié)合在軌服務(wù)裝備的機(jī)動(dòng)特點(diǎn)，建立基于模擬仿真環(huán)境，包括空間背景環(huán)境模擬子系統(tǒng)[3]、任務(wù)場(chǎng)景模擬子系統(tǒng)、目標(biāo)模擬子系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 環(huán)境模擬涵蓋要素類(lèi)型示意圖

2)在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃

根據(jù)特定的在軌服務(wù)任務(wù)，分析對(duì)航天器目標(biāo)的可探測(cè)、可實(shí)施服務(wù)的時(shí)空間窗口，基于連續(xù)時(shí)空間窗口提供的信息，實(shí)時(shí)生成在軌服務(wù)想定設(shè)計(jì)。

圖6 在軌服務(wù)任務(wù)規(guī)劃流程示意圖

基于多種量化威脅分析條件和在軌服務(wù)梯隊(duì)編組、機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)進(jìn)、任務(wù)展開(kāi)、待機(jī)準(zhǔn)備、任務(wù)實(shí)施、撤收轉(zhuǎn)載等行動(dòng)想定的限制條件，結(jié)合在軌服務(wù)任務(wù)，按照在軌服務(wù)過(guò)程的屬性，過(guò)濾能夠滿(mǎn)足需求的在軌服務(wù)裝備資源，規(guī)劃任務(wù)方案如圖6所示。 3)決策推演與三維演示

由在軌服務(wù)任務(wù)建模、交互模型計(jì)算、觸發(fā)事件機(jī)制，實(shí)現(xiàn)任務(wù)行動(dòng)的時(shí)序事件觸發(fā)控制。設(shè)置推演步長(zhǎng)、啟動(dòng)任務(wù)推演、運(yùn)行想定參數(shù)計(jì)算，產(chǎn)生任務(wù)效能評(píng)估所需的數(shù)據(jù)，供評(píng)估分析使用[4]。

實(shí)時(shí)提供任務(wù)推演控制、數(shù)據(jù)記錄與回放,輸出三維戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)顯示與太空態(tài)勢(shì)圖生成顯示，如圖7所示。

圖7 三維態(tài)勢(shì)推演功能模塊劃分

4)任務(wù)效能評(píng)估

為考核在軌服務(wù)裝備在各種任務(wù)環(huán)境下的工作能力，通過(guò)建立各種模擬試驗(yàn)系統(tǒng)及評(píng)估分析系統(tǒng)，具備對(duì)在軌服務(wù)任務(wù)的綜合效能評(píng)估能力。如圖8所示。

可評(píng)估空間覆蓋范圍、服務(wù)時(shí)間間隔、服務(wù)持續(xù)時(shí)間、可服務(wù)目標(biāo)等系統(tǒng)固有能力指標(biāo)，也可評(píng)估任務(wù)完成率、裝備任務(wù)投入度等系統(tǒng)動(dòng)態(tài)能力指標(biāo)。

可基于用戶(hù)定義的區(qū)域/目標(biāo)、時(shí)間、信息體制、精度要求、任務(wù)效能等輸出體系任務(wù)效能。支持單裝備效能、多星聯(lián)合效能評(píng)估結(jié)果輸出。

3 結(jié)束語(yǔ)

在軌服務(wù)模擬訓(xùn)練仿真系統(tǒng)的建設(shè)關(guān)系到未來(lái)太空力量的發(fā)展，需要盡早著手、全面考慮。目前，在軌服務(wù)裝備尚處于起步階段，已有裝備經(jīng)過(guò)了實(shí)踐檢驗(yàn)，

圖8 效能評(píng)估分系統(tǒng)功能模塊劃分