月面無人自動(dòng)采樣返回飛行程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

盛瑞卿，趙洋，鄒樂洋，陳春亮，朱舜杰，黃昊，杜穎，彭兢

北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部，北京 100094

1 引言

嫦娥五號(hào)任務(wù)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)月面自動(dòng)采樣返回，探測(cè)器系統(tǒng)經(jīng)地月和環(huán)月飛行，在月面選定區(qū)域著陸，采集約2 kg月球樣品，經(jīng)月面起飛、月球軌道交會(huì)對(duì)接和樣品轉(zhuǎn)移、月地轉(zhuǎn)移和再入回收等過程，將月球樣品安全送至地面[1]。

上述任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，最終都將通過嫦娥五號(hào)探測(cè)器飛行程序，完成從探測(cè)器臨射前準(zhǔn)備直至回收著陸的任務(wù)過程。飛行程序設(shè)計(jì)是航天器任務(wù)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心環(huán)節(jié)，其設(shè)計(jì)的可靠性、魯棒性和健壯性直接影響任務(wù)成敗。目前，針對(duì)任務(wù)規(guī)劃和飛行程序設(shè)計(jì)的研究大致可分為兩類：一類為理論學(xué)術(shù)研究，通過對(duì)約束條件的簡化抽象為某類數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解[2-3]；另一類為工程實(shí)踐類的總結(jié)，通過對(duì)具體問題解決方案的闡述說明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[4-5]。前者由于最終要轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題進(jìn)行求解，不可避免地對(duì)很多限制條件進(jìn)行刪減，不能直接應(yīng)用于航天器的工程實(shí)踐；后者很多是以某幾個(gè)關(guān)鍵問題作為設(shè)計(jì)要求，以串行方式采用表格化的描述形式給出航天器飛行全過程典型事件的時(shí)序關(guān)系和功能作用。飛行程序的編寫與計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的程序編寫有類似之處。現(xiàn)有工程實(shí)踐類的飛行程序設(shè)計(jì)可以認(rèn)為是直接開展編碼工作，而系統(tǒng)架構(gòu)和邏輯層面的完備性需要靠程序員的經(jīng)驗(yàn)來保證，這對(duì)于簡單飛行任務(wù)是可行的。但對(duì)于過程復(fù)雜、涉及多器并行環(huán)節(jié)的航天器適用度有限。對(duì)于復(fù)雜任務(wù)的飛行程序設(shè)計(jì)，不能直接進(jìn)入代碼編寫階段，需要首先從系統(tǒng)架構(gòu)開始進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用形式化的模型和語言對(duì)程序的邏輯和完備性進(jìn)行描述，然后再開展具體代碼的編寫過程。針對(duì)這一需求，探討飛行程序規(guī)劃、設(shè)計(jì)新方法的研究正在不斷開展，王丹等提出的基于自主規(guī)劃的載人航天器飛行程序設(shè)計(jì)方法[6]，雖提出了飛行程序設(shè)計(jì)自主方面建模的具體框架，但其重點(diǎn)是針對(duì)在軌飛行控制的程序自動(dòng)生成，對(duì)于航天器研制階段的程序設(shè)計(jì)還未開展實(shí)際應(yīng)用；楊勝等提出的基于有限狀態(tài)機(jī)的交會(huì)對(duì)接飛行任務(wù)規(guī)劃方法[7]，首次將有限狀態(tài)機(jī)的概念引入到飛行程序交會(huì)對(duì)接這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)之中，通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了相關(guān)任務(wù)的規(guī)劃。但由于其模型建立的單一性，局限性也較為明顯。

對(duì)于系統(tǒng)過程的描述，在其他領(lǐng)域也有較多的研究與應(yīng)用，如在無人駕駛汽車領(lǐng)域就采用有限狀態(tài)機(jī)模型來對(duì)環(huán)境感知和自動(dòng)控制過程進(jìn)行建模[8]。因此，采用成熟的有限狀態(tài)機(jī)來對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的應(yīng)用過程建模是可行的。本文采用了層次化的模塊狀態(tài)機(jī)的建模方法，從航天器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)入手，通過任務(wù)分解將整個(gè)探測(cè)器的運(yùn)行過程劃分為若干個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)，通過模塊狀態(tài)機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述具體任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程，通過模塊狀態(tài)機(jī)間的銜接實(shí)現(xiàn)了對(duì)整個(gè)航天器在軌運(yùn)行全過程的建模描述。該方法具有通用性、可擴(kuò)展性和可復(fù)用性等特點(diǎn)，對(duì)于規(guī)范飛行程序設(shè)計(jì)，描述復(fù)雜的飛行任務(wù)過程，并進(jìn)行形式化分析具有優(yōu)勢(shì)。采用本文的方法可以有效地指導(dǎo)具體飛行程序指令和代碼的編寫，確保代碼邏輯的完備性和正確性，這為最終確保嫦娥五號(hào)完美實(shí)現(xiàn)月球無人采樣返回任務(wù)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 嫦娥五號(hào)飛行任務(wù)概述

嫦娥五號(hào)探測(cè)器由軌道器、返回器、著陸器和上升器四器組成，包含發(fā)射入軌段、地月轉(zhuǎn)移段、近月制動(dòng)段、環(huán)月飛行段、著陸下降段、月面工作段、月面上升段、交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移段、環(huán)月等待段、月地轉(zhuǎn)移段和再入回收段等11個(gè)飛行階段。

長征五號(hào)運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場(chǎng)將嫦娥五號(hào)探測(cè)器直接發(fā)射至地月轉(zhuǎn)移軌道；探測(cè)器與運(yùn)載火箭分離后，完成地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)，進(jìn)入環(huán)月軌道；在環(huán)月軌道，軌道器-返回器組合體(簡稱“軌返組合體”)與著陸器-上升器組合體(簡稱“著上組合體”)分離，著上組合體動(dòng)力下降，在月球正面風(fēng)暴洋預(yù)定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)軟著陸；著陸后，完成樣品采集、封裝、科學(xué)探測(cè)、月面起飛準(zhǔn)備等工作；上升器攜帶樣品密封封裝裝置在月面起飛，經(jīng)多次軌道機(jī)動(dòng)，進(jìn)入交會(huì)對(duì)接目標(biāo)軌道；軌返組合體作為主動(dòng)飛行器，與上升器交會(huì)對(duì)接；完成對(duì)接后，將樣品密封封裝裝置從上升器轉(zhuǎn)移至返回器內(nèi)，隨后，軌返組合體與對(duì)接艙-上升器組合體分離；軌返組合體在預(yù)定時(shí)機(jī)加速進(jìn)入月地轉(zhuǎn)移軌道，距地球約5 000 km高度，返回器與軌道器分離；返回器以半彈道跳躍式再入大氣層，著陸于內(nèi)蒙古四子王旗預(yù)定著陸區(qū)。

嫦娥五號(hào)在軌飛行時(shí)長約23 d左右，其中地月轉(zhuǎn)移、月地轉(zhuǎn)移飛行時(shí)長各約5 d，環(huán)月階段飛行約13 d。其中，在環(huán)月飛行階段，探測(cè)器近月制動(dòng)段飛行1 d，著上組合體環(huán)月飛行至著陸下降約2 d，月面工作段2 d，交會(huì)對(duì)接及樣品轉(zhuǎn)移段約2 d，月地轉(zhuǎn)移入射1 d，其他約5 d時(shí)間為環(huán)月等待。嫦娥五號(hào)全任務(wù)過程如圖1所示。

圖1 嫦娥五號(hào)全過程時(shí)序圖Fig.1 Timing of Chang’e-5 whole process

3 嫦娥五號(hào)飛行程序設(shè)計(jì)特點(diǎn)和難點(diǎn)

嫦娥五號(hào)任務(wù)是我國首次地外天體采樣返回任務(wù), 與以往的近地軌道航天器和深空探測(cè)航天器相比, 其飛行程序設(shè)計(jì)具有以下特點(diǎn)和難點(diǎn)：

(1)飛行階段多，協(xié)同環(huán)節(jié)多，過程復(fù)雜

探測(cè)器從起飛入軌至再入回收，需經(jīng)歷11個(gè)飛行階段。飛行程序設(shè)計(jì)時(shí)不僅需要考慮四器組合體狀態(tài)、對(duì)接組合體狀態(tài)、軌返組合體狀態(tài)、返回器狀態(tài)，還需要考慮軌返組合體與著陸上升組合體并行、軌返組合體與上升器并行、軌道器與返回器并行等飛行狀態(tài)。特別是交會(huì)對(duì)接階段還需要考慮返回器、軌道器、上升器等多航天器、多信道條件下的協(xié)同配合，過程復(fù)雜，耦合性強(qiáng)。

(2)程序復(fù)雜，分支多，失效模式多

嫦娥五號(hào)探測(cè)器在環(huán)月階段存在多個(gè)航天器并行工作環(huán)節(jié)，交叉多，分支多；此外，飛行過程銜接緊密，發(fā)生在關(guān)鍵飛行過程的失效模式可能導(dǎo)致關(guān)鍵動(dòng)作無法順利實(shí)施，進(jìn)而影響后續(xù)任務(wù)的實(shí)施。因此，需要對(duì)關(guān)鍵飛行過程從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度確保其設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

嫦娥五號(hào)飛行程序在設(shè)計(jì)中主要涉及以下關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

(1)近月制動(dòng)過程

近月制動(dòng)的主要目的是實(shí)現(xiàn)月球捕獲，使探測(cè)器進(jìn)入環(huán)月飛行軌道。在嫦娥五號(hào)任務(wù)設(shè)計(jì)中，基于減少近月制動(dòng)重力損耗和縮短近月制動(dòng)時(shí)間的考慮，將近月制動(dòng)過程分為2次。其中，首次近月制動(dòng)的機(jī)會(huì)具有唯一性，一旦錯(cuò)過就無法再次捕獲月球，后續(xù)飛行任務(wù)將無法完成。

(2)月面軟著陸過程

月面軟著陸過程是指著上組合體通過自主控制和著陸緩沖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力下降和月面穩(wěn)定軟著陸。與前期月面軟著陸任務(wù)不同，嫦娥五號(hào)任務(wù)由于其環(huán)月軌道傾角的不同，所有各類著陸導(dǎo)航敏感器等設(shè)備狀態(tài)設(shè)置均在月球背面非測(cè)控弧段進(jìn)行；進(jìn)入測(cè)控弧段后到動(dòng)力下降發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火點(diǎn)僅7 min，需快速完成主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火前的狀態(tài)確認(rèn)。

(3)月面采樣封裝過程

月面采樣封裝主要實(shí)現(xiàn)月球表面樣品的采集和封裝。整個(gè)過程時(shí)序緊張，機(jī)構(gòu)動(dòng)作多，不確定因素多，而且需要采用三位一體、天地協(xié)同控制的方式開展采樣任務(wù)，接口復(fù)雜，協(xié)同交互頻繁。

(4)月面起飛上升過程

月面起飛上升過程主要實(shí)現(xiàn)上升器以著陸器為平臺(tái)完成的月面起飛。該過程起飛入軌之后，入軌狀態(tài)判斷和故障處置決策的時(shí)間相對(duì)較短，需要提前將各類故障失效形式納入飛行程序設(shè)計(jì)中。若起飛推遲，將造成交會(huì)對(duì)接任務(wù)重構(gòu)。

(5)月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移過程

月球軌道交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移主要實(shí)現(xiàn)軌返組合體和上升器的交會(huì)對(duì)接，并將密封封裝裝置轉(zhuǎn)移至返回器樣品艙內(nèi)。上升器要在2 d內(nèi)完成4次遠(yuǎn)程導(dǎo)引，軌控時(shí)序緊張，且由于測(cè)控弧段限制，出現(xiàn)故障后將造成交會(huì)任務(wù)重構(gòu)；近程導(dǎo)引段由于測(cè)定軌精度低造成關(guān)鍵事件點(diǎn)執(zhí)行時(shí)刻不確定，而測(cè)控弧段又不連續(xù)，需要考慮如何在該種情況下確保關(guān)鍵事件測(cè)控可見、地面可控。

4 飛行程序設(shè)計(jì)建模

航天器在軌飛行過程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)應(yīng)用過程，其中既包含了對(duì)航天器進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和監(jiān)控的連續(xù)動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)，同時(shí)也包含了由事件驅(qū)動(dòng)的離散事件動(dòng)態(tài)子系統(tǒng)。對(duì)于這種混雜系統(tǒng)可通過有限狀態(tài)機(jī)(finite state machine，F(xiàn)SM)來進(jìn)行系統(tǒng)描述。有限狀態(tài)機(jī)就是對(duì)有限個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)以及在這些狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移和動(dòng)作等行為進(jìn)行描述的數(shù)學(xué)模型。該模型對(duì)航天器飛行程序的描述具有一定的借鑒意義，但采用常規(guī)單一的有限狀態(tài)機(jī)描述嫦娥五號(hào)飛行過程這樣龐大的系統(tǒng)難度較大，如探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)輸入?yún)?shù)多，涉及15個(gè)分系統(tǒng)、655臺(tái)/套儀器設(shè)備、6 000余個(gè)遙測(cè)參數(shù)。因此本文采用了層次化的模塊狀態(tài)機(jī)的建模方法，從航天器系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)入手，通過任務(wù)分解將整個(gè)探測(cè)器的運(yùn)行過程劃分為若干個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)，通過模塊狀態(tài)機(jī)內(nèi)部的狀態(tài)轉(zhuǎn)移描述具體任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過程，通過模塊狀態(tài)機(jī)間的銜接描述任務(wù)間及整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程，從而在設(shè)計(jì)方法上保證了系統(tǒng)的完備性和關(guān)鍵環(huán)節(jié)的正確性。嫦娥五號(hào)飛行程序系統(tǒng)建模方法如圖2所示。

任務(wù)分解是根據(jù)飛行任務(wù)需求，確定全任務(wù)飛行過程的關(guān)鍵事件和飛行動(dòng)作，將整個(gè)飛行階段的關(guān)鍵環(huán)節(jié)用若干模塊狀態(tài)機(jī)(module state machine ，MSM)進(jìn)行描述，并按照事件發(fā)生先后時(shí)序?qū)?duì)應(yīng)飛行事件進(jìn)行編號(hào)，如：M1，M2，M3…，MN，其中N為飛行事件總數(shù)量。

4.1 模塊狀態(tài)機(jī)功能建模

各模塊狀態(tài)機(jī)由狀態(tài)觸發(fā)器(state generator ，SG)、狀態(tài)評(píng)估器(state assessor，SA)、任務(wù)執(zhí)行器(command executor，CE)和狀態(tài)確認(rèn)器(state verifier，SV)組成，其中：

1)狀態(tài)觸發(fā)器(SG)是模塊狀態(tài)機(jī)的輸入接口，狀態(tài)觸發(fā)器接收外部的激勵(lì)信號(hào)，當(dāng)其判定外部激勵(lì)信號(hào)滿足觸發(fā)內(nèi)部的目標(biāo)條件時(shí)，該模塊狀態(tài)被觸發(fā)；

2)狀態(tài)評(píng)估器(SA)是對(duì)當(dāng)前模塊狀態(tài)機(jī)能否進(jìn)入該狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估的機(jī)構(gòu)。狀態(tài)評(píng)估器主要是確認(rèn)當(dāng)前系統(tǒng)是否滿足模塊狀態(tài)機(jī)進(jìn)入該狀態(tài)的條件；

3)任務(wù)執(zhí)行器(CE)是一個(gè)根據(jù)模塊當(dāng)前狀態(tài)的指示，利用模塊狀態(tài)機(jī)的資源來實(shí)現(xiàn)模塊狀態(tài)機(jī)任務(wù)的一個(gè)機(jī)構(gòu)；

4)狀態(tài)確認(rèn)器(SV)是對(duì)任務(wù)執(zhí)行器執(zhí)行結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)的機(jī)構(gòu)，主要是確認(rèn)模塊狀態(tài)機(jī)任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的正確性，是否可以輸出以改變其他模塊的外部環(huán)境。

定義任意模塊狀態(tài)機(jī)Mi中，對(duì)應(yīng)的狀態(tài)觸發(fā)器Gi，狀態(tài)評(píng)估器Ai，任務(wù)執(zhí)行器Ei及狀態(tài)確認(rèn)器Vi。相應(yīng)的，各模塊狀態(tài)機(jī)可以表述為以Gi、Ai、Ei、Vi為輸入的相關(guān)函數(shù)f，即：

Mi=f(Gi,Ai,Ei,Vi),i∈[1,N]

(1)狀態(tài)觸發(fā)器/評(píng)估器/確認(rèn)器建模設(shè)計(jì)

從功能特點(diǎn)上可以看出，Gi、Ai及Vi均可認(rèn)為是對(duì)探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)的一種判定，當(dāng)探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)滿足其判定條件時(shí)，該模塊執(zhí)行并輸出對(duì)應(yīng)結(jié)果。

因此，可以將Gi、Ai、Vi統(tǒng)一建模，其輸入條件為探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)矩陣Si，定義為表征探測(cè)器狀態(tài)的各類外測(cè)數(shù)據(jù)(軌道、姿態(tài)數(shù)據(jù)等)、資源數(shù)據(jù)(能源、推進(jìn)劑、存儲(chǔ)空間等)和儀器設(shè)備狀態(tài)的總和，并可根據(jù)對(duì)應(yīng)功能機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)進(jìn)行刪減，根據(jù)當(dāng)前任務(wù)的不同確定相應(yīng)取值范圍。即有：

Si=[Si1,Si2,Si3,Si4,Si5,Si6,Si7,Si8,Si9]

Sij=(Sij1,Sij2,…,Sijm)T

m∈[1,任意取值)，j∈[1,10)

式中：Si1為Mi對(duì)應(yīng)的軌道及姿態(tài)參數(shù)；Si2為Mi對(duì)應(yīng)的設(shè)備加電狀態(tài)；Si3為Mi對(duì)應(yīng)的資源狀態(tài)；Si4為Mi對(duì)應(yīng)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；Si5為Mi對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)工作模式；Si6為Mi對(duì)應(yīng)的推進(jìn)閥門狀態(tài)；Si7為Mi對(duì)應(yīng)的觸發(fā)信號(hào)狀態(tài)；Si8為Mi對(duì)應(yīng)的重要軟件標(biāo)志狀態(tài)；Si9為Mi對(duì)應(yīng)的所屬環(huán)境狀態(tài)。

同時(shí)定義該函數(shù)中每一個(gè)變量的狀態(tài)都由相關(guān)參數(shù)Pj(j∈[1,任意取值))進(jìn)行表決，當(dāng)且僅當(dāng)各參數(shù)Pj=1(數(shù)字量)或者滿足閾值范圍要求(模擬量)時(shí)，則觸發(fā)，即：

Gi/Ai/Vi→(P1,P2,P3,…)

(2)狀態(tài)執(zhí)行器建模設(shè)計(jì)

當(dāng)狀態(tài)觸發(fā)器Gi和狀態(tài)評(píng)估器Ai完成對(duì)當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)的外部資源和內(nèi)部條件的確認(rèn)后，任務(wù)執(zhí)行器Ei則需要利用這些資源來完成具體的任務(wù)。因?yàn)槿蝿?wù)的不同，其任務(wù)執(zhí)行器的具體實(shí)現(xiàn)也不盡相同。不同的任務(wù)均是通過一系列動(dòng)作的集合完成某一具體任務(wù)。

在狀態(tài)執(zhí)行器構(gòu)建時(shí)，需要對(duì)具體任務(wù)的執(zhí)行過程進(jìn)行層級(jí)分解，由關(guān)鍵事件出發(fā)，梳理相應(yīng)的關(guān)鍵動(dòng)作，以及該過程中器地需要交互的數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的相互作用。

在對(duì)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)、處理方式和相互間的交互形式明確之后，設(shè)計(jì)時(shí)就將其看做為一種面向過程的程序設(shè)計(jì)，可以從軟件工程的角度，采用各類函數(shù)體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的接口，對(duì)重復(fù)多次的動(dòng)作進(jìn)行建模，提高設(shè)計(jì)的封裝性和一致性；采用各類分支、判斷、循環(huán)等語句對(duì)飛行程序中復(fù)雜的邏輯關(guān)系進(jìn)行建模，提高設(shè)計(jì)的全面性和有效性。

4.2 模塊狀態(tài)機(jī)鏈接

各模塊狀態(tài)機(jī)根據(jù)上一個(gè)狀態(tài)機(jī)的確認(rèn)器確認(rèn)結(jié)果觸發(fā)當(dāng)前狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)觸發(fā)器。通過確認(rèn)與觸發(fā)，將各模塊狀態(tài)機(jī)進(jìn)行鏈接，確定模塊間狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程，從而形成完整狀態(tài)機(jī)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程。

M1→M2|V1=G2→…→MN:VN

基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的飛行程序建模流程如圖3所示。

圖3 基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的飛行程序建模流程Fig.3 Modeling flow chart of flight program based on state transition

5 基于模型的嫦娥五號(hào)飛行程序設(shè)計(jì)

嫦娥五號(hào)飛行程序包含11個(gè)飛行階段，其中環(huán)月飛行段和月面工作段均涉及著上組合體、軌返組合體的協(xié)同控制，交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移段涉及上升器與軌返組合體的協(xié)同控制。同時(shí)月面工作期間，需要根據(jù)落月后月面地形地貌特點(diǎn)、采樣量要求和采樣過程實(shí)時(shí)進(jìn)展情況等確定最終采樣次數(shù)，確保落月2 d后上升器能夠按時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)起飛。

傳統(tǒng)飛行程序設(shè)計(jì)方法通常根據(jù)任務(wù)設(shè)計(jì)的各個(gè)飛行階段，按階段梳理出該階段涉及到的關(guān)鍵事件，之后通過圖表方式以指令鏈形式給出整個(gè)階段的實(shí)現(xiàn)方式。該方法可讀性較差，且較難從中提取關(guān)鍵過程的參數(shù)診斷信息。

本文首先基于任務(wù)設(shè)計(jì)的各個(gè)飛行階段，從每個(gè)飛行階段出發(fā)，通過任務(wù)剖面的分解提取出影響任務(wù)成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，將每個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)定義為一個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)。針對(duì)模塊狀態(tài)機(jī)，從描述探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)的角度，通過一個(gè)9維的向量來表征探測(cè)器當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，從而確定模塊狀態(tài)機(jī)的轉(zhuǎn)入、轉(zhuǎn)出狀態(tài)，并針對(duì)轉(zhuǎn)移過程，采用面向特定過程的程序設(shè)計(jì)思路，將其劃分為若干個(gè)功能函數(shù)進(jìn)行求解。最后，通過將每個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)進(jìn)行銜接，構(gòu)成全流程的層次化狀態(tài)機(jī)模型，實(shí)現(xiàn)整個(gè)飛行過程的設(shè)計(jì)。

5.1 嫦娥五號(hào)任務(wù)分解

根據(jù)嫦娥五號(hào)任務(wù)特點(diǎn)及飛行程序過程中需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對(duì)探測(cè)器在軌全周期工作進(jìn)行任務(wù)分解，具體如圖4所示。

發(fā)射入軌段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)為初始狀態(tài)探測(cè)器射前狀態(tài)M0。探測(cè)器在臨射前15 h開始，通過完成各類儀器設(shè)備的加電及其狀態(tài)設(shè)置，使探測(cè)器具備發(fā)射條件。

地月轉(zhuǎn)移段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)包括器箭分離狀態(tài)M1、軌道器太陽翼展開狀態(tài)M2。探測(cè)器接收器箭分離信號(hào)，消除分離沖擊對(duì)探測(cè)器初始姿態(tài)的干擾，繼而建立對(duì)日定向姿態(tài)；之后，軌道器、著陸器太陽翼依次展開，探測(cè)器建立能源保障供給。

近月制動(dòng)段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)為近月制動(dòng)狀態(tài)M3，若第一次近月制動(dòng)失敗，則探測(cè)器無法捕獲月球，將造成任務(wù)終止。

環(huán)月飛行段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)為四器組合體分離狀態(tài)M4。軌返組合體與著上組合體分離后將進(jìn)入并行協(xié)同控制階段，需要綜合評(píng)估兩組合體間資源的分配與調(diào)度。

著陸下降段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)為著上組合體動(dòng)力下降狀態(tài)M5。從進(jìn)入測(cè)控弧段到動(dòng)力下降7 500 N主發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火僅7 min，需快速完成點(diǎn)火前的狀態(tài)確認(rèn)。

圖4 嫦娥五號(hào)任務(wù)分解Fig.4 Chang’e-5 mission decomposition

月面工作段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)包括著上組合體落月狀態(tài)M6和采樣狀態(tài)M7。落月狀態(tài)的確認(rèn)是建立月面工作的前提條件，要求對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)狀態(tài)、著陸姿態(tài)安全性、著上組合體信道鏈路等進(jìn)行確認(rèn)。采樣過程時(shí)序緊張，機(jī)構(gòu)動(dòng)作多，不確定因素多，器地協(xié)同交互復(fù)雜，要確保在既定時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定質(zhì)量的月球樣品采集任務(wù)。

月面上升段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)為月面起飛狀態(tài)M8。入軌狀態(tài)判斷和故障處置決策的時(shí)間相對(duì)較短，若起飛推遲，將造成交會(huì)對(duì)接任務(wù)重構(gòu)。

交會(huì)對(duì)接與樣品轉(zhuǎn)移段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)包括上升器交會(huì)對(duì)接狀態(tài)M9、軌返組合體交會(huì)對(duì)接狀態(tài)M10以及對(duì)接艙分離狀態(tài)M11。上升器和軌返組合體要求在預(yù)定時(shí)間到達(dá)預(yù)定交班點(diǎn)位置，并滿足預(yù)定的相對(duì)位置和速度關(guān)系時(shí)，方可具備開展自主交會(huì)對(duì)接的條件。一旦出現(xiàn)故障，將造成交會(huì)任務(wù)重構(gòu)，對(duì)任務(wù)影響重大。

月地轉(zhuǎn)移段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)包括月地入射狀態(tài)M12、軌返分離狀態(tài)M13。月地入射窗口嚴(yán)格，錯(cuò)過后將造成月地轉(zhuǎn)移軌道方案重構(gòu)。

再入回收段中涉及的模塊狀態(tài)機(jī)包括返回器120 km狀態(tài)M14、返回器開傘狀態(tài)M15、返回器著陸狀態(tài)M16。返回器進(jìn)入120 km后正常再入大氣直至跳出后二次再入，通過升力控制保證返回器開傘點(diǎn)經(jīng)度，最終返回器攜帶月球樣品按預(yù)定速度在預(yù)定區(qū)域安全著陸。

通過采用該方法進(jìn)行任務(wù)分解，可以全面、系統(tǒng)地確定嫦娥五號(hào)任務(wù)的所有關(guān)鍵環(huán)節(jié)，從狀態(tài)轉(zhuǎn)移流程出發(fā)，后續(xù)可針對(duì)這些關(guān)鍵環(huán)節(jié)確認(rèn)其輸入、輸出關(guān)系，以及各關(guān)鍵環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)過程，確保系統(tǒng)設(shè)計(jì)邏輯的全面性和正確性。

5.2 狀態(tài)評(píng)估器設(shè)計(jì)

通過任務(wù)分解，并建立對(duì)應(yīng)的模塊狀態(tài)機(jī)就可以系統(tǒng)性地對(duì)進(jìn)入該模塊狀態(tài)機(jī)前的探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)是否具備開展這一關(guān)鍵任務(wù)的能力，如可以迅速對(duì)M3近月制動(dòng)、M5動(dòng)力下降狀態(tài)進(jìn)行確認(rèn)，從而保證正確地進(jìn)入該狀態(tài)，避免由于狀態(tài)確認(rèn)不到位導(dǎo)致任務(wù)的不可逆。這里以M5著上組合體動(dòng)力下降狀態(tài)為例，給出狀態(tài)評(píng)估器的設(shè)計(jì)過程。

M5著上組合體動(dòng)力下降模塊狀態(tài)機(jī)中狀態(tài)評(píng)估器A5設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，就是要確認(rèn)能夠成功實(shí)施著陸下降。著陸器7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)具備開機(jī)條件前需要評(píng)估的探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)包括：

S51姿態(tài)：著上組合體已完成著陸下降，7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)開機(jī)前姿態(tài)建立。

S52設(shè)備加電狀態(tài)：著上組合體平臺(tái)設(shè)備、各類著陸導(dǎo)航敏感器加電工作正常。

S53資源狀態(tài)：電源設(shè)備工作正常并能夠支持采樣封裝工作全過程供電需求，大容量存儲(chǔ)設(shè)備中存儲(chǔ)容量滿足采樣過程圖像存儲(chǔ)需求。

S54機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)：太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、星敏防塵機(jī)構(gòu)已按要求收攏或關(guān)閉，符合著陸要求。

S55系統(tǒng)工作狀態(tài)：上升器導(dǎo)航制導(dǎo)單元處于恒星定向模式。

S56閥門狀態(tài)：上升器姿控各閥門、著陸器姿軌控各閥門均處于打開狀態(tài)。

S59環(huán)境狀態(tài)：著上組合體儀器溫度水平能夠支持著陸任務(wù)實(shí)施。

當(dāng)P1(姿態(tài))=1,P2(設(shè)備)=1,P3(資源)&P4(機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng))&P5(系統(tǒng)模式)&P6(閥門)&P9(環(huán)境)=1時(shí)，則可以通過著陸下降實(shí)施工作評(píng)估，評(píng)估器A5的驅(qū)動(dòng)邏輯觸發(fā)如圖5所示。

圖5 動(dòng)力下降模塊狀態(tài)機(jī)狀態(tài)評(píng)估器模型構(gòu)建Fig.5 Model building of SA for lunar lander MSM

采用這個(gè)評(píng)估器就可以很容易地評(píng)估出動(dòng)力下降前探測(cè)器系統(tǒng)狀態(tài)是否滿足著陸下降的要求。

對(duì)于嫦娥五號(hào)任務(wù)，動(dòng)力下降前進(jìn)入地面測(cè)控網(wǎng)監(jiān)控區(qū)域至著陸器7 500 N發(fā)動(dòng)機(jī)開始實(shí)施動(dòng)力下降只有幾分鐘的時(shí)間，從上千個(gè)遙測(cè)中進(jìn)行狀態(tài)確認(rèn)非常緊張。采用本方法，從任務(wù)驅(qū)動(dòng)出發(fā)，通過探測(cè)器9個(gè)維度進(jìn)行分解，逐級(jí)深入，能夠確保狀態(tài)梳理全面、正確、滿足任務(wù)實(shí)施要求。

5.3 狀態(tài)執(zhí)行器設(shè)計(jì)

每一個(gè)狀態(tài)執(zhí)行器都可以看作是面向特定過程的程序設(shè)計(jì)，因此可將其作為特殊的軟件程序進(jìn)行設(shè)計(jì)、控制與管理。在狀態(tài)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)過程中，可以根據(jù)具體執(zhí)行內(nèi)容劃分為若干個(gè)功能函數(shù)，將其標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化，明確其中的常量和變量，按照軟件工程的方法，分析每個(gè)功能函數(shù)的正確性和測(cè)試覆蓋性，進(jìn)而多個(gè)類似的功能函數(shù)可以在不同的狀態(tài)執(zhí)行器中使用，如M3近月制動(dòng)、M12月地入射過程的實(shí)現(xiàn)、M4四器組合體分離、M11對(duì)接艙分離、M13軌返分離過程的實(shí)現(xiàn)，從而達(dá)到整個(gè)飛行程序的通用化。

各分離過程通用流程主要包括：

1)注入分離期間需要執(zhí)行的各類延時(shí)指令，確保分離關(guān)鍵指令通過器上自主執(zhí)行和地面指令發(fā)送兩種方式進(jìn)行備份；

2)注入分離前軌道數(shù)據(jù)以及分離調(diào)姿參數(shù)，用于器上自主建立分離姿態(tài)和自主控制定向天線捕獲地球；

3)分離前調(diào)姿機(jī)動(dòng)，建立目標(biāo)分離姿態(tài)；

4)分離前太陽翼回零設(shè)置；

5)分離前測(cè)控?cái)?shù)傳鏈路設(shè)置，用于圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳；

6)分離期間監(jiān)視相機(jī)設(shè)置；

7)組合體停控、分離、啟控；

8)分離后監(jiān)視相機(jī)狀態(tài)恢復(fù)；

9)自主建立分離后姿態(tài)。

對(duì)于各次分離，均可以按此流程展開狀態(tài)執(zhí)行器的設(shè)計(jì)，其中不變量為太陽翼回零設(shè)置、測(cè)控鏈路設(shè)置，而變量則包括分離期間延時(shí)指令、軌道數(shù)據(jù)、目標(biāo)分離姿態(tài)、監(jiān)視相機(jī)設(shè)置、分離面分離指令以及分離后姿態(tài)等。從而建立了分離狀態(tài)執(zhí)行的基線，實(shí)現(xiàn)了各分離過程設(shè)計(jì)的統(tǒng)一。

同時(shí)，基于狀態(tài)執(zhí)行器，還可對(duì)M7著上組合體采樣狀態(tài)機(jī)的最長時(shí)間路徑進(jìn)行分析。在表取采樣及其封裝執(zhí)行器建構(gòu)過程中，對(duì)每項(xiàng)工作的執(zhí)行時(shí)間必須建立強(qiáng)約束。由于采樣總時(shí)長的限制，最終采樣次數(shù)應(yīng)在滿足時(shí)長要求的范圍內(nèi)盡可能裝滿表取初級(jí)封裝裝置；同時(shí)，在采樣過程中要重點(diǎn)從采樣區(qū)域環(huán)境、系統(tǒng)資源、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及重要軟件標(biāo)志等方面對(duì)著上組合體進(jìn)行綜合確認(rèn)，確保系統(tǒng)執(zhí)行狀態(tài)滿足要求。具體建模結(jié)果如圖6所示。

采用這種建模方法可以清晰地獲取單次采樣的最長路徑、最短路徑、需要地面協(xié)同配合的確認(rèn)環(huán)節(jié)等內(nèi)容，對(duì)于掌控飛行過程的最大包絡(luò)范圍有很大的好處。而傳統(tǒng)的飛行程序設(shè)計(jì)，直接具體到了指令級(jí)別，無法從宏觀和頂層識(shí)別相關(guān)的狀態(tài)關(guān)聯(lián)。

單次采樣的最長時(shí)間路徑是：機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至觸月上方點(diǎn)→機(jī)械臂觸月→機(jī)械臂抬升→機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至采樣位置→機(jī)械臂采樣器采樣→機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放樣位置→放樣位置精調(diào)→采樣器放樣→機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放樣中間點(diǎn)→機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至狀態(tài)確認(rèn)點(diǎn)→樣品容器狀態(tài)確認(rèn)→機(jī)械臂返回至放樣中間點(diǎn)。

單次采樣的最短時(shí)間路徑是：機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至采樣位置→機(jī)械臂采樣器采樣→機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放樣位置→采樣器放樣→機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放樣中間點(diǎn)。

表取機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)過程中地面協(xié)同配合的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是：機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放樣位置、機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至抓罐位置以及機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放罐位置。機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)至放樣位置決定了表取機(jī)械臂能否將樣品準(zhǔn)確地傾倒至表取初級(jí)封裝裝置；而抓罐、放罐則直接決定了整個(gè)表取任務(wù)是否成功。這些環(huán)節(jié)需要在軌實(shí)施時(shí)予以重點(diǎn)關(guān)注。

基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的飛行程序設(shè)計(jì)方法不僅能夠在飛行程序設(shè)計(jì)階段，通過對(duì)每一個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)中狀態(tài)評(píng)估器和狀態(tài)確認(rèn)器的建模，實(shí)現(xiàn)對(duì)相應(yīng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的全面梳理，確保系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)滿足探測(cè)器進(jìn)入、轉(zhuǎn)出該關(guān)鍵環(huán)節(jié)的要求；同時(shí)狀態(tài)執(zhí)行器通過邏輯語言對(duì)該環(huán)節(jié)的各個(gè)執(zhí)行分支進(jìn)行描述，確保過程轉(zhuǎn)移的正確性和完備性。該方法對(duì)于飛行控制在軌實(shí)施也有很大的指導(dǎo)意義。按照類似的思路，制作了采樣過程的狀態(tài)監(jiān)視頁面，從實(shí)際遙測(cè)數(shù)據(jù)展示和判讀飛行程序的執(zhí)行情況，可以從頂層全面、宏觀地判斷任務(wù)的執(zhí)行進(jìn)度和完成情況，有效支持了采樣任務(wù)的在軌高效完成。

6 嫦娥五號(hào)飛行程序在軌實(shí)現(xiàn)

嫦娥五號(hào)探測(cè)器在北京時(shí)間2020-11-24 04:30:21發(fā)射入軌，經(jīng)歷地月轉(zhuǎn)移、近月制動(dòng)、環(huán)月飛行組合體分離后，著上組合體于2020-12-01 23:11:21安全著陸月面；通過開展19 h的鉆取采樣封裝、表取采樣封裝工作，成功獲取月球樣品1.731 kg；上升器于2020-12-03 23:10:21實(shí)施月面上升，經(jīng)2 d的遠(yuǎn)程導(dǎo)引控制與軌返組合體于2020-12-06 02:13實(shí)施交會(huì)對(duì)接，將月球樣品由上升器轉(zhuǎn)移至返回器中。之后軌返組合體經(jīng)環(huán)月等待、月地轉(zhuǎn)移，于2020-12-17 01:13:16實(shí)施分離，返回器在2020-12-17 02:00著陸于內(nèi)蒙古四子王旗[1]。所有過程均按照飛行程序設(shè)計(jì)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程正確執(zhí)行。

圖6 采樣模塊狀態(tài)機(jī)狀態(tài)執(zhí)行器(表取采樣及其封裝)模型構(gòu)建Fig.6 Model building of CE for surface-sampling MSM

在實(shí)際任務(wù)在軌實(shí)施過程中，根據(jù)探測(cè)器任務(wù)分解，對(duì)16個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)的評(píng)估器、執(zhí)行器和確認(rèn)器分別設(shè)定相應(yīng)的遙測(cè)監(jiān)視參數(shù)、正常值范圍和判斷準(zhǔn)則，構(gòu)建16個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移監(jiān)顯頁面，每個(gè)監(jiān)顯頁面包含狀態(tài)轉(zhuǎn)入監(jiān)視(對(duì)應(yīng)狀態(tài)評(píng)估)、狀態(tài)執(zhí)行過程監(jiān)視(對(duì)應(yīng)狀態(tài)執(zhí)行)和狀態(tài)轉(zhuǎn)出監(jiān)視(對(duì)應(yīng)狀態(tài)轉(zhuǎn)出確認(rèn))，實(shí)現(xiàn)了各關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)入、轉(zhuǎn)出狀態(tài)的一鍵式判斷和執(zhí)行過程的集中式診斷。

其中，16個(gè)模塊狀態(tài)機(jī)中的M5著上組合體動(dòng)力下降模塊狀態(tài)機(jī)，由于其特殊性，在軌測(cè)站接收到器上狀態(tài)信息至進(jìn)入該狀態(tài)的判斷決策時(shí)間僅7 min，需要對(duì)該狀態(tài)進(jìn)行快速診斷。由于引入了該模塊狀態(tài)機(jī)狀態(tài)評(píng)估的監(jiān)顯頁面，通過該頁面從該狀態(tài)評(píng)估器涉及的7個(gè)維度對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行診斷，實(shí)現(xiàn)了秒級(jí)的狀態(tài)確認(rèn)與判斷決策，極大地提升了在軌任務(wù)判斷的能力。

針對(duì)采樣模塊狀態(tài)機(jī)的執(zhí)行過程，按照預(yù)定程序歷時(shí)16 h完成了全部表取采樣工作。表取采樣/放樣共實(shí)施了12次，12次表取采樣是在預(yù)定的4個(gè)采樣點(diǎn)開展了2次觸月采樣放樣和10次非觸月采樣放樣，最終裝有鉆取初級(jí)封裝容器和表取初級(jí)封裝容器的密封封裝裝置完成密封閉蓋與金屬擠壓密封，圓滿完成月面采樣工作。其中，12次表取采樣執(zhí)行時(shí)長統(tǒng)計(jì)如表1所示。由此可見，最大時(shí)間路徑和最小時(shí)間路徑均與預(yù)估一致，最大時(shí)間路徑為首次采樣及其放樣過程，期間實(shí)施了觸月采樣、精調(diào)以及放樣后樣品觀測(cè)，時(shí)長為106 min；最小時(shí)間路徑為不觸月、不觀測(cè)，時(shí)長為33～46 min，期間由于涉及天地操作，因此存在一定的差異性。

表1 月面單次表取采樣時(shí)長分析

7 結(jié)論

飛行程序設(shè)計(jì)是航天器總體設(shè)計(jì)的重要組成部分。更自主、更聰明、更智能是未來深空探測(cè)器的發(fā)展方向，這有賴于更強(qiáng)大、更規(guī)范和更高效的飛行程序和飛行軟件的編制方法進(jìn)行支撐。

本文將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的有限狀態(tài)機(jī)理論引入到航天器飛行程序設(shè)計(jì)工作中，開展了利用有限狀態(tài)機(jī)對(duì)復(fù)雜航天器任務(wù)規(guī)劃與飛行程序設(shè)計(jì)的探索，實(shí)現(xiàn)了對(duì)航天器復(fù)雜飛行任務(wù)過程的數(shù)字化建模，并通過在軌飛行試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

該方法相比傳統(tǒng)依賴設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)的飛行程序編制方法，具有計(jì)算機(jī)程序語言的模塊化、通用化和可復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于飛行過程和狀態(tài)復(fù)雜航天器的飛行程序編制。

本文提出的基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的飛行程序設(shè)計(jì)方法對(duì)于規(guī)范飛行程序設(shè)計(jì)、描述復(fù)雜的飛行任務(wù)過程并進(jìn)行形式化分析具有優(yōu)勢(shì)，可為后續(xù)復(fù)雜深空探測(cè)任務(wù)和未來載人登月任務(wù)的飛行程序設(shè)計(jì)提供參考。