空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃建模初步研究

李志海，侯永青，嚴(yán)厚民，趙千川

(1.中國(guó)空間技術(shù)研究院，北京100094;2.清華大學(xué)自動(dòng)化系，北京100084)

1 引言

空間站作為長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的航天器，需要在長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行不間斷的任務(wù)規(guī)劃。國(guó)際空間站的建造和運(yùn)營(yíng)提供了可以借鑒的理論和經(jīng)驗(yàn)［1-2］。國(guó)際空間站運(yùn)營(yíng)需要長(zhǎng)周期的規(guī)劃和分步式規(guī)劃。進(jìn)行長(zhǎng)周期的穩(wěn)定的預(yù)先規(guī)劃能有效減少任務(wù)前實(shí)時(shí)重規(guī)劃的頻率。美國(guó)NASA引入了分層規(guī)劃的概念，并開發(fā)一套完整的任務(wù)規(guī)劃系統(tǒng)IPS(integrated planning system)，輔助空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃人員基于用戶提出的約束進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃，包括活動(dòng)規(guī)劃和調(diào)度、資源應(yīng)用調(diào)度、平臺(tái)/有效載荷操作序列(時(shí)間線)集成和分離、條件約束調(diào)度以及沖突檢測(cè)協(xié)調(diào)等等［3-8］。

我國(guó)載人航天工程經(jīng)過(guò)近20年的組織實(shí)施與科學(xué)實(shí)踐，解決了以飛行動(dòng)力學(xué)為核心的發(fā)射窗口規(guī)劃、軌道設(shè)計(jì)、返回再入等飛行任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題，出艙活動(dòng)任務(wù)規(guī)劃問(wèn)題;交會(huì)對(duì)接任務(wù)規(guī)劃技術(shù)在2011年11月天宮一號(hào)與神舟八號(hào)的首次交會(huì)對(duì)接任務(wù)中亦得到了檢驗(yàn)驗(yàn)證。這表明我國(guó)載人航天短周期集中式任務(wù)規(guī)劃技術(shù)已近成熟。而空間站長(zhǎng)期在軌運(yùn)行，涉及多個(gè)艙段、載人飛船、貨運(yùn)飛船等多個(gè)航天器的交會(huì)對(duì)接和組裝，以及大量復(fù)雜任務(wù)的執(zhí)行，任務(wù)規(guī)劃的影響因素極為復(fù)雜，針對(duì)單個(gè)任務(wù)的短期的任務(wù)規(guī)劃方式已經(jīng)滿足不了空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃的需求，迫切需要對(duì)空間站大規(guī)模、長(zhǎng)周期的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

本文介紹了空間站運(yùn)營(yíng)的基本概念，闡述了任務(wù)規(guī)劃的基本任務(wù)和任務(wù)規(guī)劃的一般方法，立足空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)運(yùn)輸規(guī)劃層面，通過(guò)整理空間站運(yùn)營(yíng)的約束條件并分析空間站運(yùn)營(yíng)各個(gè)影響因素之間的耦合關(guān)系，建立空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，初步驗(yàn)證了規(guī)劃方法的可行性，為我國(guó)空間站智能化任務(wù)規(guī)劃提供理論基礎(chǔ)。

2 空間站運(yùn)營(yíng)基本概念

空間站的運(yùn)營(yíng)是指以保證空間站長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全為目標(biāo)，在空間站壽命周期內(nèi)(從空間站發(fā)射入軌至空間站末期離軌)，圍繞空間站正常運(yùn)行、航天員在空間站的生活，以及空間站上應(yīng)用活動(dòng)所進(jìn)行的操作，以及為保證上述任務(wù)順利完成的支持活動(dòng)。

空間站運(yùn)營(yíng)管理是對(duì)空間操作、空間運(yùn)營(yíng)支持和空間后勤支持等運(yùn)營(yíng)活動(dòng)進(jìn)行全過(guò)程任務(wù)管理，以保證空間站長(zhǎng)期穩(wěn)定安全飛行，包括任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)實(shí)施兩個(gè)層面。

空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃是根據(jù)空間站全壽命周期內(nèi)的飛行任務(wù)，基于任務(wù)操作需求，建立包括需求模型、任務(wù)模型、空間站系統(tǒng)和有效載荷模型等的任務(wù)規(guī)劃模型，通過(guò)一定規(guī)劃手段，獲得空間站不同任務(wù)階段內(nèi)的任務(wù)操作計(jì)劃和序列，包括空間站系統(tǒng)任務(wù)操作計(jì)劃和序列及有效載荷任務(wù)操作計(jì)劃和序列。

任務(wù)規(guī)劃是空間站運(yùn)營(yíng)管理的關(guān)鍵，只有在合理的任務(wù)規(guī)劃方案的指導(dǎo)下，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃所明確的任務(wù)內(nèi)容、任務(wù)時(shí)間，去完成各項(xiàng)任務(wù)，才能維持空間站平臺(tái)的正常運(yùn)營(yíng)，并在此基礎(chǔ)上開展各項(xiàng)空間應(yīng)用項(xiàng)目的研究。

3 任務(wù)規(guī)劃基本任務(wù)

空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)期間，涉及多個(gè)艙段的發(fā)射與組裝、多種運(yùn)行模式下的狀態(tài)維持與控制，每年數(shù)次補(bǔ)給訪問(wèn)，數(shù)量眾多的部件設(shè)備的維護(hù)維修工作，上百種有效載荷的管理及其操作規(guī)劃。因此，空間站任務(wù)需求呈現(xiàn)多樣化和復(fù)雜化，需要進(jìn)行多種資源的優(yōu)化分配，這就演變?yōu)橐粋€(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，必須進(jìn)行合理的任務(wù)規(guī)劃，綜合考慮運(yùn)營(yíng)過(guò)程中各種影響因素的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)綜合集成和整體優(yōu)化，在確保空間站正常運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)上，最小化空間站運(yùn)營(yíng)的成本。

由上分析可知，任務(wù)規(guī)劃的基本任務(wù)就是綜合空間站運(yùn)營(yíng)的多種影響因素，根據(jù)空間站運(yùn)營(yíng)的需求，合理規(guī)劃空間站運(yùn)營(yíng)的任務(wù)執(zhí)行時(shí)間并合理分配資源，以實(shí)現(xiàn)空間站在完成各項(xiàng)任務(wù)的情況下，運(yùn)營(yíng)成本最小的目標(biāo)。

3.1 任務(wù)需求預(yù)測(cè)

空間站任務(wù)需求預(yù)測(cè)是為空間站戰(zhàn)術(shù)級(jí)運(yùn)營(yíng)規(guī)劃提供依據(jù)，它包括:

1)推進(jìn)劑的補(bǔ)給，用于軌道控制和姿態(tài)控制(飛行模式控制);

2)生活物資的補(bǔ)給，飲水、食品、氮?dú)?氧氣由水電解生成)、衛(wèi)生用品、衣物、存儲(chǔ)容器，以及儲(chǔ)備物品;

3)醫(yī)療保健品的補(bǔ)充，醫(yī)療設(shè)備、藥品等;

4)維護(hù)和維修物品的需求預(yù)測(cè)，消耗品、易損品、定期更換和故障的設(shè)備、維修備件的消耗與補(bǔ)充;

5)實(shí)驗(yàn)載荷的需求預(yù)測(cè)，如空間實(shí)驗(yàn)設(shè)備等。

3.2 任務(wù)規(guī)劃內(nèi)容

空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃要覆蓋空間站全壽命周期，不僅持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，而且規(guī)劃內(nèi)容層次復(fù)雜?？梢詫⒖臻g站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)分成多個(gè)任務(wù)周期，將空間站長(zhǎng)期任務(wù)規(guī)劃轉(zhuǎn)換為多個(gè)任務(wù)周期的規(guī)劃問(wèn)題。對(duì)于我國(guó)空間站而言，可以將貨運(yùn)飛船補(bǔ)給任務(wù)周期作為空間站任務(wù)周期。在此基礎(chǔ)上，空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃就成為了一個(gè)多層的，由遠(yuǎn)及近、由粗到細(xì)的過(guò)程。一般將空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃分為戰(zhàn)略級(jí)、戰(zhàn)術(shù)級(jí)、任務(wù)級(jí)和執(zhí)行級(jí)四個(gè)規(guī)劃層次［9］。

如表1所示，戰(zhàn)略級(jí)規(guī)劃定義了組裝次序、5年內(nèi)的訪問(wèn)補(bǔ)給計(jì)劃和乘員輪換計(jì)劃，制定了空間站可用資源和后勤條件，明確了戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃的原則和方向;戰(zhàn)術(shù)規(guī)劃基于任務(wù)周期，給出包括資源分配、任務(wù)優(yōu)先級(jí)和每一任務(wù)周期的飛行載物單，此外還包括資源和工程可行性評(píng)估和有效載荷繼承協(xié)議等;任務(wù)級(jí)規(guī)劃對(duì)任務(wù)周期中所執(zhí)行的操作進(jìn)行了大概規(guī)劃，并安排站上重要資源的應(yīng)用;執(zhí)行級(jí)規(guī)劃對(duì)任務(wù)周期內(nèi)的某一時(shí)期進(jìn)行進(jìn)一步規(guī)劃，得到更加細(xì)化的規(guī)劃結(jié)果。［11-12］

表1 空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃層次［10］Table 1 Hierarchy of space station mission planning

4 任務(wù)規(guī)劃的一般方法

空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)的規(guī)劃相當(dāng)復(fù)雜，必須建立專門的機(jī)構(gòu)、使用專門的系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)籌和管理。在建立健全各部門職能的條件下，由不同的管理部門和職能機(jī)構(gòu)對(duì)空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)進(jìn)行不同層次、不同周期的任務(wù)規(guī)劃。

空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃本質(zhì)上是制定空間站系統(tǒng)任務(wù)(乘員輪換、貨物補(bǔ)給、試驗(yàn)結(jié)果返回、維持維護(hù)、功能改進(jìn)等)和有效載荷任務(wù)(科學(xué)實(shí)驗(yàn)、工程技術(shù)試驗(yàn)等)的操作計(jì)劃和序列，所以任務(wù)規(guī)劃過(guò)程也即是如何制定這兩類操作的過(guò)程。任務(wù)規(guī)劃流程見(jiàn)圖1。

1)首先是操作需求分析，由系統(tǒng)操作執(zhí)行者和有效載荷用戶分別制定系統(tǒng)操作和有效載荷操作的需求及其規(guī)則、約束，形成整體操作需求;

2)由規(guī)則執(zhí)行機(jī)構(gòu)分別進(jìn)行系統(tǒng)操作規(guī)劃和有效載荷操作規(guī)劃;

圖1 空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃過(guò)程圖Fig.1 Flow chart of mission planning during space station operation

3)組織整理規(guī)劃結(jié)果，通過(guò)設(shè)置的數(shù)據(jù)流路徑，傳送到相應(yīng)的綜合管理機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，作為空間站操作指南。

5 建立模型

空間站作為復(fù)雜的大型載人航天器，在其運(yùn)營(yíng)期間涉及多艙段、載人飛船、貨運(yùn)飛船等多個(gè)航天器的組裝和交會(huì)對(duì)接，以及多航天器上大量的平臺(tái)任務(wù)和載荷任務(wù)的執(zhí)行?？臻g站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃作為一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程問(wèn)題，系統(tǒng)內(nèi)部和外部影響因素非常復(fù)雜，必須采用科學(xué)的方法分析空間站運(yùn)營(yíng)各影響因素之間的關(guān)系，優(yōu)化配置資源，綜合考慮運(yùn)營(yíng)成本和空間站應(yīng)用能力，生成任務(wù)規(guī)劃方案?？臻g站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃是個(gè)長(zhǎng)期的、復(fù)雜的規(guī)劃過(guò)程，僅僅依靠人為的定性討論分析得出任務(wù)規(guī)劃方案，很難全面的考慮整個(gè)任務(wù)規(guī)劃過(guò)程，同時(shí)由于空間站運(yùn)營(yíng)狀況總是在不斷的變化，為了適應(yīng)變化了的情況，空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃方案必須能夠動(dòng)態(tài)修正，這就有必要在空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃過(guò)程中，始終有一個(gè)合理的任務(wù)規(guī)劃模型作為指導(dǎo)，借此對(duì)空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃進(jìn)行定性與定量相結(jié)合的分析，既可以節(jié)省大量的人力和時(shí)間，又可以避免可能的風(fēng)險(xiǎn)，為最終的任務(wù)規(guī)劃決策提供科學(xué)依據(jù)。

本文立足空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的運(yùn)輸規(guī)劃層面，通過(guò)整理空間站運(yùn)營(yíng)的約束條件并分析空間站運(yùn)營(yíng)各個(gè)影響因素之間的耦合關(guān)系，建立空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃模型，并通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真，快速有效的得出空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的任務(wù)規(guī)劃方案。主要分三步進(jìn)行展開:

1)根據(jù)空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)的特點(diǎn)，分析空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃的約束條件;

2)分析空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃各個(gè)影響因素之間的耦合關(guān)系，初步考慮推進(jìn)劑、乘員消耗品以及其他離散消耗品的質(zhì)量耦合關(guān)系等，并抽象成數(shù)學(xué)模型;

3)基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論，建立空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃的數(shù)學(xué)模型。

5.1 約束條件分析

空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃約束條件，主要包括以下幾點(diǎn)。

1)空間站承重及容量約束:空間站上存儲(chǔ)的推進(jìn)劑，用于維持航天員活動(dòng)、裝配維護(hù)以及載荷實(shí)驗(yàn)的物資總質(zhì)量及總?cè)莘e，不超過(guò)空間站最大可裝載質(zhì)量及容積。

2)乘員駐留約束:由于空間限制，空間站駐留人數(shù)有一定限制，應(yīng)小于最大駐留人數(shù)。

3)飛船承重及容量約束:裝載在各艘飛船上面的推進(jìn)劑，用維持航天員活動(dòng)、裝配維護(hù)以及載荷試驗(yàn)的物資總質(zhì)量及總?cè)莘e，不超過(guò)安全線內(nèi)的各飛船最大可裝載重量及容積。

4)貨運(yùn)飛船發(fā)射周期約束:因發(fā)射場(chǎng)發(fā)射能力限制，貨運(yùn)飛船的發(fā)射周期應(yīng)大于貨運(yùn)飛船最短發(fā)射間隔時(shí)間并小于貨運(yùn)飛船最長(zhǎng)在軌?？繒r(shí)間。

5)載人飛船發(fā)射周期約束:假設(shè)具備至少每月發(fā)射一次載人飛船的能力，載人飛船的發(fā)射時(shí)間間隔應(yīng)大于最短發(fā)射時(shí)間并小于其最長(zhǎng)?？繒r(shí)間。

6)應(yīng)急能力條件約束:維持安全運(yùn)行的貨物的最低儲(chǔ)存量，包括推進(jìn)劑、氣體、航天員生命維持物資、存儲(chǔ)備件等。

5.2 任務(wù)規(guī)劃影響因素耦合分析與建模

空間站長(zhǎng)期運(yùn)行，站上資源隨著任務(wù)執(zhí)行、航天員日常消耗以及維持飛行的消耗而不斷減少，需要貨運(yùn)飛船進(jìn)行定期的補(bǔ)給。因此，可以將空間站看作一個(gè)大型的庫(kù)存系統(tǒng)，利用物流管理的理念分析任務(wù)規(guī)劃各個(gè)影響因素之間的耦合關(guān)系。

5.2.1 定義飛船發(fā)射時(shí)間序列

定義貨運(yùn)飛船的發(fā)射時(shí)間序列，其中為貨運(yùn)飛船第k次交會(huì)對(duì)接距離空間站任務(wù)起始時(shí)間的天數(shù)。

定義載人飛船的發(fā)射時(shí)間序列，其中為載人飛船第k次交會(huì)對(duì)接距離空間站任務(wù)起始時(shí)間的天數(shù)。

5.2.2 推進(jìn)劑質(zhì)量耦合關(guān)系

推進(jìn)劑的儲(chǔ)存量與軌道維持消耗的推進(jìn)劑質(zhì)量、貨運(yùn)飛船補(bǔ)充的推進(jìn)劑質(zhì)量具有耦合關(guān)系。

在第k艘貨運(yùn)飛船來(lái)臨時(shí)，站上儲(chǔ)存的推進(jìn)劑質(zhì)量:

5.2.3 乘員需求質(zhì)量耦合關(guān)系

飛行任務(wù)的安排對(duì)乘組駐留時(shí)間和貨物的補(bǔ)給提出了需求，因此與乘組駐留規(guī)劃和貨物補(bǔ)給規(guī)劃具有直接的耦合關(guān)系。飛行任務(wù)包含組裝任務(wù)、維護(hù)維修任務(wù)、實(shí)驗(yàn)任務(wù)，飛行任務(wù)的執(zhí)行時(shí)間將影響到乘員在軌駐留時(shí)間和載人飛船的發(fā)射時(shí)間;同時(shí)，產(chǎn)生的貨物補(bǔ)給需求，將影響到貨運(yùn)飛船的發(fā)射時(shí)間和貨物配比。

定義航天員駐留消耗品需求序列D0={(τ1，C1)…(τk，Ck)}，對(duì)于 τk=［］，是第k個(gè)需求階段，Ck是在該需求階段站上乘員的人數(shù)。例子:2011年1月1號(hào)至2011年3月20號(hào)，空間站有3名航天員，如果每名航天員對(duì)水的需求率為2500 g/d，那么在此階段，每天水的需求量為7500 g。

定義在時(shí)間段［t1，t2］的乘員駐留消耗品總需求質(zhì)量:

第k艘貨運(yùn)飛船補(bǔ)給時(shí)，空間站儲(chǔ)存的乘員消耗品質(zhì)量:

式中，ML_HY第(k-1)貨運(yùn)飛船攜帶乘員消耗品的質(zhì)量;ML_ss(k)為第k艘貨運(yùn)飛船訪問(wèn)時(shí)空間站上乘員消耗品的儲(chǔ)存量。

5.2.4 離散補(bǔ)給品質(zhì)量耦合關(guān)系

空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)，需要周期性地進(jìn)行ORU備件更換，一些環(huán)控生保設(shè)備也要定期進(jìn)行更換;航天員出艙執(zhí)行任務(wù)，艙外航天服內(nèi)部設(shè)備也要定期進(jìn)行維護(hù)和更換。此外，空間站平臺(tái)設(shè)備、科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的運(yùn)送需求也是離散的。定義={(ti1)，di1，…，(tih(i)，di，h(i))}的離散需求序列，i=1，…，n。對(duì)于(tih，dih)，tih是第h個(gè)需求日期，dih為相應(yīng)的需求數(shù)量。

定義Zi(t1，t2)為離散需求物品，即物品pi，i=n1+1，…，n，在時(shí)間段［t1，t2］的總需求個(gè)數(shù)，因此，

第k艘貨運(yùn)飛船補(bǔ)給時(shí)，站上儲(chǔ)存的離散補(bǔ)給品質(zhì)量:

其中，MLS_HY(i)(k-1)為第(k-1)貨運(yùn)飛船攜帶離散補(bǔ)給品的質(zhì)量;MLS_ss(i)(k)為編號(hào)i補(bǔ)給品在第k艘貨運(yùn)飛船訪問(wèn)時(shí)航天器上的存儲(chǔ)量

對(duì)于特殊情況，空間站無(wú)法儲(chǔ)存的設(shè)備或者物品，有

即

5.2.5 離散補(bǔ)給品與乘員在軌狀態(tài)耦合關(guān)系

小節(jié)5.2.4中提到的離散補(bǔ)給品的使用，都需要有航天員參與，因此離散補(bǔ)給品的需求日期與航天員的在軌狀態(tài)具有耦合關(guān)系。

利用載人船在軌狀態(tài)矩陣:(式中，航天器均改為空間站)

得出耦合關(guān)系式:

5.2.6 貨物運(yùn)輸耦合關(guān)系

由于貨運(yùn)飛船的運(yùn)輸能力是一定的，貨運(yùn)飛船上所載不同貨物的質(zhì)量之間存在耦合關(guān)系。

5.3 建立任務(wù)規(guī)劃模型

可以將空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃看作是一個(gè)多任務(wù)周期(即多階段)的決策問(wèn)題。而動(dòng)態(tài)規(guī)劃正是一種把多階段決策問(wèn)題作為研究對(duì)象，使整個(gè)長(zhǎng)周期任務(wù)規(guī)劃的結(jié)果為最優(yōu)的方法［13］。綜合前面的分析結(jié)果，這里給出基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃理論的空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃模型。

定義x(k)i為在k貨運(yùn)飛船到達(dá)時(shí)刻Th(k)的物品pi的預(yù)期庫(kù)存質(zhì)量/數(shù)量，目標(biāo)為在滿足需求約束，供給約束的前提下，最小化飛船發(fā)射成本以及加權(quán)多余供給質(zhì)量/數(shù)量:

其中Ck為 發(fā)射飛船k的成本;ωi為pi供給多余質(zhì)量/數(shù)量的權(quán)重。

公式(11)表明連續(xù)需求物品在第一艘飛船到達(dá)時(shí)的庫(kù)存水平;公式(12)為連續(xù)需求物品在其后飛船到達(dá)時(shí)的庫(kù)存水平;公式(13)和公式(14)計(jì)算離散物品在每艘飛船到達(dá)時(shí)的庫(kù)存;物品在每艘飛船上所受的質(zhì)量約束體現(xiàn)在公式(15)和公式(16);公式(17)表示飛船的發(fā)射時(shí)間間隔約束;公式(18)約束航天器上庫(kù)存，以及貨運(yùn)飛船各類補(bǔ)給品運(yùn)輸量不小于零。

6 模型驗(yàn)證

設(shè)一空間站組裝完成后已長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)3年，現(xiàn)對(duì)其2022～2028年長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃。

6.1 任務(wù)需求分析

1)軌道高度為338 km，軌道維持區(qū)間為±14 km，空間站總質(zhì)量123 t，帆板面積300 m2根據(jù)推進(jìn)劑需求分析模型，求得運(yùn)行推進(jìn)劑的需求量;

2)航天員3人長(zhǎng)期駐留，其每人每天消耗資源質(zhì)量為3kg，由此可計(jì)算乘員消耗品需求量;

3)空間站上要開展各項(xiàng)空間實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并定期進(jìn)行維護(hù)維修任務(wù)，會(huì)產(chǎn)生各種離散補(bǔ)給品需求，包含維護(hù)維修備件、試驗(yàn)載荷等，需求時(shí)間間隔和質(zhì)量如表2所示。

表2 離散補(bǔ)給品需求表Table 2 Requirements of discrete supplies

6.2 任務(wù)規(guī)劃約束條件

1)空間站承重約束:空間站儲(chǔ)存推進(jìn)劑最大值為1.7 t，乘員消耗品為1 t;

2)貨運(yùn)飛船承重約束:貨運(yùn)飛船攜帶推進(jìn)劑最大量為3 t，最大可裝載物資總質(zhì)量為5 t;

3)貨運(yùn)飛船發(fā)射周期約束:貨運(yùn)飛船最短發(fā)射時(shí)間間隔為1.5月，最長(zhǎng)發(fā)射時(shí)間間隔為10個(gè)月;

4)應(yīng)急能力條件約束:維持空間站運(yùn)行，推進(jìn)劑在軌最低存儲(chǔ)量為0.5 t，乘員消耗品最低存儲(chǔ)量為0.5 t。

6.3 仿真結(jié)果對(duì)比分析

若采用人為的分析決策，需要不斷進(jìn)行分析迭代，得到貨運(yùn)飛船發(fā)射時(shí)間及每艘貨運(yùn)飛船上載貨單如表3所示。

利用第5章所得動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型求解，可得貨運(yùn)飛船發(fā)射時(shí)間及每艘貨運(yùn)飛船上載貨單如表4所示(其中，貨運(yùn)飛船空載率為貨運(yùn)飛船剩余運(yùn)輸能力(只考慮質(zhì)量)與貨運(yùn)飛船總運(yùn)輸能力的比值)。

表3 貨運(yùn)飛船發(fā)射時(shí)間及補(bǔ)給品配比Table 3 Launch time and supplies matching of cargo spaceships

表4 貨運(yùn)飛船發(fā)射時(shí)間及補(bǔ)給品配比Table 4 Launch time and supplies matching of cargo spaceships

對(duì)比分析可知，采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型求解得出的規(guī)劃方案，在滿足空間站在軌正常運(yùn)行，并完成平臺(tái)和載荷任務(wù)的情況下，2022～2028年六年間，貨運(yùn)飛船發(fā)射次數(shù)為10次，平均發(fā)射時(shí)間間隔為8月;人為任務(wù)規(guī)劃方案，飛船發(fā)射間隔為7個(gè)月，2022～2028年間需要發(fā)射11艘貨運(yùn)飛船。進(jìn)行人為任務(wù)規(guī)劃，需要不斷進(jìn)行分析迭代，工序繁瑣，消耗大量時(shí)間，容易產(chǎn)生錯(cuò)誤和遺漏，同時(shí)由表3看出，人為規(guī)劃方案上行了大量多余物資，占用空間站上空間。采用動(dòng)態(tài)規(guī)劃模型求解，能夠節(jié)省大量時(shí)間，準(zhǔn)確地得出優(yōu)化方案結(jié)果，從而一定程度上減少空間站運(yùn)營(yíng)的成本。

7 結(jié)論

本文給出了一種基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法的空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃建模方法，并以一空間站為例對(duì)模型進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。從驗(yàn)證結(jié)果可知，本文建立的數(shù)學(xué)模型能夠初步滿足空間站長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃的需求。未來(lái)可基于該任務(wù)規(guī)劃模型，進(jìn)行空間站運(yùn)營(yíng)任務(wù)規(guī)劃的深入研究，開發(fā)出一套適用于我國(guó)空間站的智能化的任務(wù)規(guī)劃軟件。

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