在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)初探

董 芳，王新波，房 瑩，王 濤，程 磊

(中國人民解放軍32032部隊，北京 100974)

0 引言

模擬訓練又稱模擬仿真，是指通過建模、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，就進行了一百多次作戰(zhàn)模擬，不僅精確地將整個作戰(zhàn)計劃確定下來，而且針對模擬中發(fā)現(xiàn)的問題改進了武器系統(tǒng)。實際戰(zhàn)斗時，日本飛行員輕車熟路，使用改進的武器給美軍以沉重的打擊，整個作戰(zhàn)過程與計劃僅僅相差3 min。

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

空間資源日益緊張的形勢下，在軌服務是解決航天器在軌運行過程中出現(xiàn)的各類故障和意外情況、航天器失效零部件更換以及燃料加注等問題的必備手段[2]。然而由于在軌服務具有系統(tǒng)復雜、要素繁多、高度敏感等特點，再加上太空環(huán)境的特殊性，使得在軌服務任務規(guī)劃、指揮訓練、研究實踐機會少，實裝訓練的組織實施難度大。因此，迫切需要建設一個模擬仿真推演環(huán)境，進行在軌服務的任務規(guī)劃、策略推演、新裝備研制過程中的試驗驗證以及訓練裝備操作人員的工作。針對這一需求，本文基于當前在軌服務研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，初步探索研究了在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)。

1 在軌服務模擬訓練系統(tǒng)建設總體思路

1.1 建設目標

在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)，主要模擬以天基系統(tǒng)為核心的全信息化環(huán)境，通過仿真在軌服務裝備運行環(huán)境，模擬星地一體操控，支持多型在軌服務裝備的仿真模擬與操作訓練、開展任務推演，完成效能評估。

在系統(tǒng)功能方面，在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)需具有3種功能：一是模擬在軌服務任務的運行環(huán)境；二是支持單型在軌服務裝備的仿真模擬與操作訓練、開展任務推演、完成效能評估；三是可完成多型在軌服務裝備的體系化仿真模擬與操作訓練、開展任務推演，完成效能評估。

在訓練目的方面，在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)可實現(xiàn)3種目的：一是提高參訓人員對在軌服務裝備的操作能力；二是熟悉在軌服務裝備的作業(yè)流程；三是提高部隊應對各種在軌服務任務的快速反應處置能力。

在任務推演方面，在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)應具備3種能力：一是空間態(tài)勢推演；二是在軌服務任務規(guī)劃和決策推演；三是在軌服務試驗效能推演。

1.2 設計原則

根據(jù)在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)的建設目標，系統(tǒng)的設計需遵循以下5項基本原則：

1)環(huán)境模擬的真實性

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

2)推理規(guī)則的準確性

在真實的太空模擬環(huán)境下，要實現(xiàn)在軌服務行動的推演、訓練和仿真，需要明確在軌服務裝備與地面操作之間的聯(lián)動規(guī)則、目標的活動規(guī)則以及在軌服務裝備與目標之間相互作用的規(guī)則，確保在推理規(guī)則集的支持下，盡量準確地推斷出不同操作所引起在軌服務裝備、空間目標以及空間態(tài)勢的變化。

3)訓練操作的真實性

在操作訓練方面，在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)需要盡量確保訓練與實際裝備操作的一致性，這就要求該系統(tǒng)與在軌服務裝備的系統(tǒng)操作界面和算法規(guī)則相一致，從而保證訓練操作的真實性，進而確保訓練成果和經(jīng)驗可直接服務于實際在軌服務行動。

4)模擬裝備的拓展性

在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)瞄準的是空間領域，在軌服務包含多類裝備，而目前相關(guān)裝備研究正處于起步階段，發(fā)展勢頭強勁，未來各類裝備必將在數(shù)量和性能上有很大發(fā)展，因此，從可預見的將來考慮，系統(tǒng)設計時需要為后續(xù)裝備留有交互接口，確保在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)改造升級的可行性和便宜性。

5)效能評估的合理性

在軌服務行動完成之后，需要對此次任務的效能進行評估，系統(tǒng)評估分為兩大部分：一方面，需構(gòu)建單型裝備的效能評估體系。同一裝備的參數(shù)項、工作機制、防御方式應基本一致，因此可綜合分析不同任務條件下裝備消耗、服務結(jié)果等多方面參數(shù)，給出單型裝備每次任務的效能評估結(jié)果(在此基礎上，可研究探索同類裝備的效能評估體系)，為單型裝備的任務規(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)建體系化的效能評估體系。當多型裝備聯(lián)合執(zhí)行任務時，需將所有的在軌服務裝備看作是一個整體，綜合考慮裝備總體投入、空間目標總體損耗以及產(chǎn)生的其他效應，生成體系化的效能評估結(jié)果，為聯(lián)合在軌服務的任務規(guī)劃、指揮控制、裝備體系發(fā)展等提供參考依據(jù)。

2 在軌服務模擬訓練系統(tǒng)建設具體設計

2.1 系統(tǒng)組成

在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)分為空間目標與環(huán)境模擬仿真、4類在軌服務裝備模擬與評估、任務體系管理、導控與效能評估等7個分系統(tǒng)，各分系統(tǒng)功能如圖1所示。

圖1 在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)組成

1)空間目標與環(huán)境模擬仿真分系統(tǒng)負責空間目標與環(huán)境的模擬仿真，再現(xiàn)空間目標運行過程。

2)按照在軌服務裝備類型將模擬仿真分為4個模擬與毀傷評估分系統(tǒng)，每類模擬與評估分系統(tǒng)負責該類在軌服務裝備的模擬、參數(shù)化定制與任務評估。

3)任務體系管理分系統(tǒng)負責全網(wǎng)在軌服務裝備系統(tǒng)的任務規(guī)劃、指揮調(diào)度的模擬、參數(shù)化定制與體系效能評估。

4)導控與效能評估分系統(tǒng)提供運行導調(diào)控制所需的功能(用戶設置、權(quán)限分配、席位配置、任務設置等)，并重點對任務效能進行評估。

2.2 總體流程

空間作業(yè)過程分為態(tài)勢感知、指揮決策、任務實施和效果評估4個階段，對應的在軌服務模擬訓練仿真系統(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、決策推演和效能評估4個階段[2]。

圖2 在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)工作流程示意圖

1)環(huán)境及裝備仿真階段。通過加載多源空間目標信息和環(huán)境信息，基于在軌服務的軌道參數(shù)、類型和能力等信息以及空間自然環(huán)境信息，構(gòu)建以天基目標為主要對象的在軌服務行動模擬仿真環(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)空間目標信息和在軌服務裝備信息，進行任務分析，完成任務規(guī)劃，發(fā)布指揮命令，根據(jù)指揮命令，將任務行動分解成可操作的實施步驟，通過系統(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)換為在軌服務裝備可識別的指令，調(diào)用環(huán)境及裝備模型和推理規(guī)則集，模擬推演各類在軌服務裝備(根據(jù)任務要求從4類在軌服務裝備中選定n型，當n為1時，系統(tǒng)進行的是單裝備的模擬訓練；當n大于1時，系統(tǒng)進行的是體系化任務的模擬訓練)接到指令后所產(chǎn)生的動作以及對服務目標的作用，得到在具體操作條件下在軌服務裝備及天基目標活動的全過程和結(jié)果。

4)效能評估階段。根據(jù)決策推演結(jié)果，分析對比任務前后在軌服務裝備消耗、目標狀態(tài)改變以及整體空間環(huán)境態(tài)勢的變化等多方面指標信息，根據(jù)評估模型，獲得此次在軌服務任務的效能評估結(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)勢感知情報部門以及各在軌服務裝備系統(tǒng)間的環(huán)境和空間目標信息接口；二是系統(tǒng)與各在軌服務裝備系統(tǒng)之間的裝備實時運控數(shù)據(jù)接口，具體如圖3所示。

圖3 在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)接口示意圖

2.4 系統(tǒng)架構(gòu)

在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)架構(gòu)

1)空間目標與環(huán)境模擬仿真

在空間信息網(wǎng)絡(目標、環(huán)境、情報)的基礎上，補充目標冗余、活躍度、覆蓋等效能信息，以及目標異動、信息保障等特征，建設空間信息態(tài)勢網(wǎng)絡。

根據(jù)在軌服務裝備面臨的光學、電磁等環(huán)境要素，結(jié)合在軌服務裝備的機動特點，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]、任務場景模擬子系統(tǒng)、目標模擬子系統(tǒng),如圖5所示。

圖5 環(huán)境模擬涵蓋要素類型示意圖

2)在軌服務任務規(guī)劃

根據(jù)特定的在軌服務任務，分析對航天器目標的可探測、可實施服務的時空間窗口，基于連續(xù)時空間窗口提供的信息，實時生成在軌服務想定設計。

圖6 在軌服務任務規(guī)劃流程示意圖

基于多種量化威脅分析條件和在軌服務梯隊編組、機動轉(zhuǎn)進、任務展開、待機準備、任務實施、撤收轉(zhuǎn)載等行動想定的限制條件，結(jié)合在軌服務任務，按照在軌服務過程的屬性，過濾能夠滿足需求的在軌服務裝備資源，規(guī)劃任務方案如圖6所示。 3)決策推演與三維演示

由在軌服務任務建模、交互模型計算、觸發(fā)事件機制，實現(xiàn)任務行動的時序事件觸發(fā)控制。設置推演步長、啟動任務推演、運行想定參數(shù)計算，產(chǎn)生任務效能評估所需的數(shù)據(jù)，供評估分析使用[4]。

實時提供任務推演控制、數(shù)據(jù)記錄與回放,輸出三維戰(zhàn)場態(tài)勢顯示與太空態(tài)勢圖生成顯示，如圖7所示。

圖7 三維態(tài)勢推演功能模塊劃分

4)任務效能評估

為考核在軌服務裝備在各種任務環(huán)境下的工作能力，通過建立各種模擬試驗系統(tǒng)及評估分析系統(tǒng)，具備對在軌服務任務的綜合效能評估能力。如圖8所示。

可評估空間覆蓋范圍、服務時間間隔、服務持續(xù)時間、可服務目標等系統(tǒng)固有能力指標，也可評估任務完成率、裝備任務投入度等系統(tǒng)動態(tài)能力指標。

可基于用戶定義的區(qū)域/目標、時間、信息體制、精度要求、任務效能等輸出體系任務效能。支持單裝備效能、多星聯(lián)合效能評估結(jié)果輸出。

3 結(jié)束語

在軌服務模擬訓練仿真系統(tǒng)的建設關(guān)系到未來太空力量的發(fā)展，需要盡早著手、全面考慮。目前，在軌服務裝備尚處于起步階段，已有裝備經(jīng)過了實踐檢驗，

圖8 效能評估分系統(tǒng)功能模塊劃分