王佐偉 張瀾 李建平 張世俊 陳奧 朱文玉 何剛

（北京控制工程研究所，北京市，100094）

航天器制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制（GNC，Guidance Navigation and Control）系統(tǒng)用于確定和控制包括軌道和運(yùn)動(dòng)軌跡的航天器姿態(tài)和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)，是同時(shí)具有制導(dǎo)、導(dǎo)航和姿態(tài)控制功能的系統(tǒng)。GNC系統(tǒng)技術(shù)復(fù)雜程度高，廣泛應(yīng)用于通信平臺(tái)、導(dǎo)航平臺(tái)、探月平臺(tái)、遙感平臺(tái)、載人平臺(tái)、低軌通用化平臺(tái)、風(fēng)云平臺(tái)，是航天器最為關(guān)鍵的系統(tǒng)之一，地位十分重要。

伴隨著我國航天器GNC技術(shù)的發(fā)展，GNC相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)也在不斷豐富。這些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)我國航天器GNC系統(tǒng)的研制與應(yīng)用發(fā)揮了重要作用[1]。在中國航天科技集團(tuán)有限公司 （CASC）構(gòu)建“一個(gè)CASC，一套標(biāo)準(zhǔn)”新格局的統(tǒng)一部署下，GNC標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)取得了豐碩成果[2]。但是，航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系在實(shí)施應(yīng)用方面存在著短板，如何用好標(biāo)準(zhǔn)體系、發(fā)揮標(biāo)準(zhǔn)體系效用是當(dāng)前急需解決的問題。

本文在總結(jié)我國航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)成果的基礎(chǔ)上，對(duì)航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)用的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行分析，聚焦航天器GNC系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)開展研制流程與標(biāo)準(zhǔn)體系的交互式應(yīng)用探討，提出后續(xù)GNC標(biāo)準(zhǔn)體系推廣應(yīng)用的工作建議，探索GNC標(biāo)準(zhǔn)體系在工程實(shí)踐中的應(yīng)用方法。

1 航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)成果

中國航天科技集團(tuán)有限公司于2021年啟動(dòng)了航天卓越標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作，成立了多個(gè)領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)組，由組長單位牽頭開展本領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)。GNC標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)組開展了GNC領(lǐng)域存量標(biāo)準(zhǔn)基線固化、納入本領(lǐng)域增量標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目遴選、GNC領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系框架構(gòu)建與標(biāo)準(zhǔn)明細(xì)表編制等標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)工作。

依據(jù)集團(tuán)公司CASC標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)總體規(guī)劃[3]，遵循各領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系“符合頂層框架”的設(shè)計(jì)原則，對(duì)應(yīng)CASC標(biāo)準(zhǔn)體系頂層框架的10個(gè)專題、57個(gè)分支的框架結(jié)構(gòu)，形成包含2個(gè)專題、3個(gè)一級(jí)分支、12個(gè)二級(jí)分支、23個(gè)三級(jí)分支、6個(gè)四級(jí)分支的GNC領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系框架[1]。

GNC領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目整體情況見表1。GNC領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系共包含標(biāo)準(zhǔn)2339項(xiàng)，按照標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別區(qū)分：國際標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)、國家標(biāo)準(zhǔn)8項(xiàng)、國家軍用標(biāo)準(zhǔn)175項(xiàng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)256項(xiàng)、集團(tuán)公司標(biāo)準(zhǔn)161項(xiàng)、院級(jí)標(biāo)準(zhǔn)166項(xiàng)、廠所級(jí)標(biāo)準(zhǔn)1571項(xiàng)。通過對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步梳理，目前GNC領(lǐng)域現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)2210項(xiàng)（其中集團(tuán)及集團(tuán)以上級(jí)703項(xiàng)），在研標(biāo)準(zhǔn)65項(xiàng)，新增的集團(tuán)（含）以上級(jí)標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目規(guī)劃建議48項(xiàng)。其中涉及航天器GNC系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)90項(xiàng)。

表1 GNC領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)體系標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目整體情況

2 航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)用中存在的問題

在航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系的實(shí)施應(yīng)用中，目前普遍存在標(biāo)準(zhǔn)與科研脫節(jié)的現(xiàn)象。主要體現(xiàn)在：①在科研生產(chǎn)中，各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)性不足、標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施不及時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施的效果主要依賴于設(shè)計(jì)師對(duì)標(biāo)準(zhǔn)重要性的認(rèn)知，標(biāo)準(zhǔn)體系對(duì)研制流程的指導(dǎo)作用有待加強(qiáng)；②科研生產(chǎn)中形成的知識(shí)財(cái)富尤其是各種“教訓(xùn)”，無法及時(shí)傳遞到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定者手中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)制定和實(shí)施過程的全鏈條反饋?zhàn)饔糜写訌?qiáng)[4-6]。這兩方面的脫節(jié)極大制約了標(biāo)準(zhǔn)的工程應(yīng)用價(jià)值。分析其原因，主要在于航天器研制過程中尚未有效建立標(biāo)準(zhǔn)體系與研制流程之間的良性互動(dòng)關(guān)系，同時(shí)也缺乏信息化、智能化手段和工具進(jìn)行推送應(yīng)用。因此，要想使科研生產(chǎn)和各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)兩者之間發(fā)揮互相支持、互相促進(jìn)的作用，必須解決如下關(guān)鍵問題。

a）如何面向科研生產(chǎn)全過程，構(gòu)建數(shù)字化、結(jié)構(gòu)化的標(biāo)準(zhǔn)體系庫。可以以知識(shí)點(diǎn)為要素、以知識(shí)遷移為目標(biāo)、以知識(shí)圖譜為工具，對(duì)現(xiàn)有GNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)字化解構(gòu)。

b）面向研制流程與標(biāo)準(zhǔn)體系的交互作用，如何實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)的智能化雙向推送。首先進(jìn)行關(guān)聯(lián)知識(shí)點(diǎn)提取，解決標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)的結(jié)構(gòu)化、數(shù)字化表達(dá)問題；再在此基礎(chǔ)上利用知識(shí)圖譜等人工智能技術(shù)，解決結(jié)構(gòu)化知識(shí)的智能推送問題。

3 航天器GNC系統(tǒng)研制流程與標(biāo)準(zhǔn)體系的交互式應(yīng)用范式

3.1 面向GNC系統(tǒng)全生命周期的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)化構(gòu)建

GNC標(biāo)準(zhǔn)體系的結(jié)構(gòu)化構(gòu)建包含兩方面的內(nèi)容：①整個(gè)GNC標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)；②具體標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。這里的“結(jié)構(gòu)化”一詞具有特定含義，是指具有數(shù)字化表達(dá)方式、能夠方便地嵌入到各類數(shù)字化科研生產(chǎn)環(huán)境之中的設(shè)計(jì)范式。結(jié)構(gòu)化的目的在于實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)與科研生產(chǎn)的深度融合。

3.1.1 GNC標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)化構(gòu)建

提出一種針對(duì)航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系的五維結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。將體系內(nèi)的全部標(biāo)準(zhǔn)按5個(gè)維度（專業(yè)維、過程維、業(yè)務(wù)歸口維、層次組成維、級(jí)別維）分別進(jìn)行歸類。即，為每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)賦予5類屬性，以便于按維度檢索。這種建立了維度映射關(guān)系的、具有關(guān)系型數(shù)據(jù)庫特性的標(biāo)準(zhǔn)體系稱之為結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)體系。

圖1 GNC標(biāo)準(zhǔn)體系五維結(jié)構(gòu)圖

這種五維結(jié)構(gòu)圖可結(jié)合信息化工具發(fā)揮實(shí)用價(jià)值。除了用于梳理標(biāo)準(zhǔn)體系架構(gòu)，還可用于標(biāo)準(zhǔn)的分類查詢。利用可視化的標(biāo)準(zhǔn)管理軟件，用戶輸入某個(gè)標(biāo)準(zhǔn)號(hào)或題名，即可在五維結(jié)構(gòu)圖上顯示該標(biāo)準(zhǔn)的各個(gè)維度屬性；用戶也可以在五維結(jié)構(gòu)圖上基于維度和類別信息檢索某一特定專題的標(biāo)準(zhǔn)信息[1]。在上述5個(gè)維度中，與航天器研制流程關(guān)系最為密切的是過程維度。

3.1.2 GNC標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)

從表達(dá)形式上看，目前現(xiàn)有的各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都是基于技術(shù)或管理內(nèi)容、以文本為主體的文檔。為了使標(biāo)準(zhǔn)更好地融合到數(shù)字化科研生產(chǎn)環(huán)境之中，需要對(duì)各個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn)文檔進(jìn)行結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)。

基本思路是，以“面向工程應(yīng)用，服務(wù)科研生產(chǎn)”為原則，將傳統(tǒng)的基于文檔的標(biāo)準(zhǔn)改造成基于維度標(biāo)簽的結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于某個(gè)具體的標(biāo)準(zhǔn)而言，它的具體內(nèi)容也是具有多種維度屬性的。因此，可以將標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容按某種維度進(jìn)行要點(diǎn)分解。在上述5個(gè)維度中，與航天器研制流程關(guān)系最密切的是過程維度。因此，考慮以過程為維度，將每份標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)內(nèi)容整理加工后，賦予不同的過程標(biāo)簽，形成面向航天器研制流程的結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 航天器GNC研制流程中標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)的智能推送

3.2.1 基本思路

為了充分發(fā)揮各級(jí)各類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)科研生產(chǎn)的指導(dǎo)作用，必須將標(biāo)準(zhǔn)與航天器研制流程結(jié)合起來。結(jié)合手段很多，但數(shù)字化、智能化是大勢(shì)所趨。將標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)嵌入航天器GNC研制流程的基本思路是：以GNC研制流程為綱，將各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化解構(gòu)，形成基于知識(shí)要點(diǎn)的過程標(biāo)簽；以主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)為觸發(fā)條件，將帶有過程標(biāo)簽的標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)要點(diǎn)向責(zé)任主體進(jìn)行智能推送，如圖2所示。

圖2 嵌入航天器GNC系統(tǒng)研制流程的結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)示意

3.2.2 典型標(biāo)準(zhǔn)解構(gòu)

GNC標(biāo)準(zhǔn)種類繁多、數(shù)量巨大，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)難度很大。作為前期研究，考慮以航天器GNC系統(tǒng)V型研制流程中的關(guān)鍵項(xiàng)目為依據(jù)，在存量標(biāo)準(zhǔn)中選取若干典型標(biāo)準(zhǔn)按知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行解構(gòu)。典型標(biāo)準(zhǔn)的選取原則：一是應(yīng)涵蓋GNC系統(tǒng)開發(fā)全鏈條，包括方案論證、方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、技術(shù)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成、地面測(cè)試、在軌驗(yàn)證等；二是應(yīng)盡量涵蓋國軍標(biāo)、航天行標(biāo)、院標(biāo)、廠所標(biāo)等不同標(biāo)準(zhǔn)層級(jí)。

典型標(biāo)準(zhǔn)的解構(gòu)思路如下。首先，對(duì)GNC系統(tǒng)研制流程進(jìn)行階段劃分和編目。將研制階段劃分為5個(gè)階段：策劃、方案設(shè)計(jì)、初樣研制、正樣研制、在軌運(yùn)行，再對(duì)每個(gè)階段的主要事件節(jié)點(diǎn)（項(xiàng)目）進(jìn)行編目。其次，對(duì)每份標(biāo)準(zhǔn)按知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行分解，對(duì)每個(gè)要點(diǎn)進(jìn)行層級(jí)編目和流程編目。其中，層級(jí)編目用于知識(shí)要點(diǎn)的邏輯組織，流程編目用于與研制流程對(duì)應(yīng)。例如，在《航天器控制分系統(tǒng)故障容限設(shè)計(jì)指南》中，“軌道確定功能的邊界需求”作為一個(gè)知識(shí)要點(diǎn)，其層級(jí)編目為C-5-1-2，流程編目為C2D2。通過編目映射，將標(biāo)準(zhǔn)的知識(shí)要點(diǎn)和研制流程的事件節(jié)點(diǎn)建立起映射關(guān)系。

3.2.3 智能推送方案設(shè)計(jì)

智能推送功能主要根據(jù)用戶提供的研制流程節(jié)點(diǎn)信息，完成標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化知識(shí)點(diǎn)的自動(dòng)發(fā)送和推薦。智能推送系統(tǒng)首先根據(jù)用戶當(dāng)前所處的GNC系統(tǒng)研制流程節(jié)點(diǎn)信息，獲得該節(jié)點(diǎn)的流程編目?；谠摿鞒叹幠啃畔?，在數(shù)據(jù)庫中掃描搜索，得到相關(guān)的全部標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)。由于全部標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)數(shù)量龐大，需要合理編排后方能便于用戶使用。該功能由軟件系統(tǒng)基于模糊排序等智能算法自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。編排后的標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)以樹狀圖、分頁圖等多種形式進(jìn)行直觀顯示。方案原理如圖3所示。

圖3 智能推送方案原理框圖

3.3 航天器GNC研制流程中基于負(fù)面清單的標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)

航天科研實(shí)踐中產(chǎn)生的知識(shí)財(cái)富數(shù)量巨大，歸零和問題分析報(bào)告中的知識(shí)財(cái)富尤其寶貴，應(yīng)該及時(shí)反饋到各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制定和升級(jí)中。利用信息化、智能化手段實(shí)現(xiàn)基于負(fù)面清單的標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)是非常有意義。主要思路闡述如下。首先，將歸零報(bào)告和問題分析報(bào)告等歸檔文件形成負(fù)面清單并入庫。其次，利用知識(shí)圖譜和模糊推理等手段從負(fù)面清單中進(jìn)行關(guān)鍵詞提取，并與結(jié)構(gòu)化標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)要點(diǎn)進(jìn)行關(guān)聯(lián)度匹配。最后，對(duì)匹配結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)判斷，形成標(biāo)準(zhǔn)修訂建議并向用戶自動(dòng)推送。推送原理如圖4所示。

圖4 基于負(fù)面清單的標(biāo)準(zhǔn)升級(jí)推送原理框圖

4 航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系推廣應(yīng)用的工作建議

航天器GNC系統(tǒng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用范式旨在進(jìn)行先期探索，預(yù)期成果經(jīng)實(shí)用化拓展后，可先在航天器GNC系統(tǒng)研制流程中試點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，以航天器GNC系統(tǒng)組成單機(jī)產(chǎn)品為對(duì)象，按照GNC系統(tǒng)構(gòu)成逐級(jí)分解并梳理產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)過程執(zhí)行的各級(jí)各類標(biāo)準(zhǔn)，基于單機(jī)產(chǎn)品研制流程構(gòu)建執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)清單，開展標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)化分析，按知識(shí)要點(diǎn)進(jìn)行解構(gòu)后納入單機(jī)研制流程進(jìn)行智能推送應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系的全面應(yīng)用。

航天器GNC系統(tǒng)的構(gòu)成，可分為信息感知類單機(jī)、信息處理類單機(jī)、執(zhí)行類單機(jī)3個(gè)大類，每一大類下還可進(jìn)一步細(xì)分。例如，信息感知類主要分為光學(xué)敏感器和慣性敏感器兩大類，光學(xué)敏感器包括星敏感器、太陽敏感器、地球敏感器等，慣性敏感器包括慣性姿態(tài)敏感器、加速度計(jì)、慣性測(cè)量單元等。執(zhí)行類主要分為動(dòng)量交換裝置、指向調(diào)節(jié)裝置、質(zhì)量排出裝置3大類，動(dòng)量交換裝置包括飛輪、控制力矩陀螺，指向調(diào)節(jié)裝置包括太陽電池陣驅(qū)動(dòng)裝置、天線驅(qū)動(dòng)裝置等，質(zhì)量排出裝置包括液體推進(jìn)系統(tǒng)、電推進(jìn)系統(tǒng)、冷氣推進(jìn)系統(tǒng)等。信息處理類包括星載計(jì)算機(jī)、中心控制單元、驅(qū)動(dòng)控制單元、網(wǎng)絡(luò)交換單元等。

按照產(chǎn)品在GNC系統(tǒng)中的邏輯層次以及標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)中的過程維度，設(shè)計(jì)矩陣清單，每一類單機(jī)展開進(jìn)行執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的再梳理。針對(duì)梳理形成的標(biāo)準(zhǔn)，以本文提出的范式，先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)解構(gòu)形成基于知識(shí)要點(diǎn)的過程標(biāo)簽，再依托產(chǎn)品生命周期管理系統(tǒng)（PLM），以過程標(biāo)簽為對(duì)象、以單機(jī)產(chǎn)品研制流程為綱、以主要時(shí)間節(jié)點(diǎn)為觸發(fā)條件，向責(zé)任主體進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)知識(shí)要點(diǎn)的智能推送，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)在科研生產(chǎn)過程中的落地應(yīng)用。同時(shí)結(jié)合單機(jī)產(chǎn)品研制過程中形成的具有反面教訓(xùn)的知識(shí)和管理財(cái)富，以及在應(yīng)用過程中發(fā)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)中存在的缺陷和不足，對(duì)現(xiàn)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的適用性進(jìn)行分析，進(jìn)而提出缺項(xiàng)和待優(yōu)化升級(jí)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂建議，經(jīng)GNC標(biāo)準(zhǔn)專業(yè)組專家評(píng)審?fù)ㄟ^后納入標(biāo)準(zhǔn)體系，從而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)體系的改進(jìn)和完善。

5 結(jié)論

本文對(duì)我國航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系在工程實(shí)踐中的應(yīng)用實(shí)施進(jìn)行了分析和探討?；诮陙砗教炱鱃NC標(biāo)準(zhǔn)體系的建設(shè)成果，對(duì)航天器GNC標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)用的現(xiàn)狀和問題進(jìn)行分析，聚焦標(biāo)準(zhǔn)體系中的航天器GNC系統(tǒng)層級(jí)標(biāo)準(zhǔn)開展應(yīng)用模式的先期探索，并提出后續(xù)GNC標(biāo)準(zhǔn)體系推廣應(yīng)用的工作建議。文中給出的標(biāo)準(zhǔn)體系應(yīng)用思路和方法，可先在航天器GNC系統(tǒng)和單機(jī)研制流程中試點(diǎn)，試點(diǎn)成功后也可推廣應(yīng)用于航天器其他系統(tǒng)的科研生產(chǎn)活動(dòng)。