航天器GNC系统研制流程与标准体系的交互式应用初探_王佐伟.pdf

航天标准化2022 年第 4 期航天器 GNC系统研制流程与标准体系的交互式应用初探*王佐伟张澜李建平张世俊陈奥朱文玉何刚（北京控制工程研究所，北京市，100094）航天器制导、导航与控制（GNC，GuidanceNavigation and Control）系统用于确定和控制包括轨道和运动轨迹的航天器姿态和质心运动，是同时具有制导、导航和姿态控制功能 的 系 统。GNC系统技术复杂程度高，广泛应用于通信平台、导航平台、探月平台、遥感平台、载人平台、低轨通用化平台、风云平台，是航天器最为关键的系统之一，地位十分重要。伴随着我国航天器GNC技术的发展，GNC相关的标准也在不断丰富。这些标准对我国航天器GNC系统的研制与应用发挥了重要作用1。在 中 国 航 天 科 技 集 团 有 限 公 司（CASC）构 建“一个CASC，一套标准”新格局的统一部署下，GNC标准体系建设取得了丰硕成果2。但是，航天器GNC标准体系在实施应用方面存在着短板，如何用好标准体系、发挥标准体系效用是当前急需解决的问题。本文在总结我国航天器GNC标准体系建设成果的基础上，对航天器GNC标准体系应用的现状和问题进行分析，聚焦航天器GNC系统级标准开展研制流程与标准体系的交互式应用探讨，提出后续GNC标准体系推广应用的工作建议，探索GNC标准体系在工程实践中的应用方法。1航天器GNC标准体系建设成果中国航天科技集团有限公司于2021年启动了航天卓越标准体系建设工作，成立了多个领域的标准专业组，由组长单位牵头开展本领域的标准体系建设。GNC标准专业组开展了GNC领域存量标准基线固化、纳入本领域增量标准项目遴选、GNC领域标准体系框架构建与标准明细表编制等标准体系建设工作。依 据 集 团 公 司CASC标 准 体 系 建 设 总 体 规划3，遵循各领域标准体系“符合顶层框架”的文摘：航天器制导、导航与控制（GNC）是航天器最为关键的系统之一，涉及多专业、多学科、多单位大协作。集团GNC标准专业组开展了GNC领域标准体系建设等工作，但仍需解决领域标准知识如何在航天器研制流程中发挥针对性作用，以及航天器研制流程中积累的经验教训如何及时反馈到标准的制定或修订中的问题。文章研究航天器GNC系统研制流程与标准体系的交互式应用范式，重点阐述了结构化标准体系的构建和标准的智能化推送，并据此提出后续GNC标准体系推广应用的若干建议和设想。关键词：航天器；制导、导航与控制（GNC）；研制流程；标准体系；标准嵌入。*本文源于集团公司标准化共性基础研究项目（项目编号：2022BZHZX010）。专业实践17-DOI:10.19314/ki.1009-234x.2022.04.010航天标准化2022 年第 4 期表1GNC领域标准体系标准项目整体情况标准体系分支名称国际标准数量国家标准数量国家军用标准数量行业标准数量集团公司标准数量院级标准数量厂所级标数量总计数量设计标准系统设计标准11736254281193单机设计标准0114361425517607软件设计标准0000042630地面支持设备设计标准005410104675试验标准系统试验标准00943112133117系统仿真标准113142132761单机试验标准0243623716636796软件测试标准0000021012地面支持设备试验标准0025331023产品标准系统产品标准006201211单机产品标准0372485927178387地面支持设备产品标准0014602527标准项目总量2817525616116615712339设计原则，对应CASC标准体系顶层框架的10个专题、57个分支的框架结构，形成包含2个专题、3个一级分支、12个二级分支、23个三级分支、6个四级分支的GNC领域标准体系框架1。GNC领域标准体系标准项目整体情况见表1。GNC领域标准体系共包含标准2339项，按照标准级别区分：国际标准2项、国家标准8项、国家军用标准175项、行业标准256项、集团公司标准161项、院级标准166项、厂所级标准1571项。通过对相关标准进行进一步梳理，目前GNC领域现行标准2210项（其中集团及集团以上级703项），在研标准65项，新增的集团（含）以上级标准项目规划建议48项。其中涉及航天器GNC系统级标准90项。2航天器GNC标准体系应用中存在的问题在航天器GNC标准体系的实施应用中，目前普遍存在标准与科研脱节的现象。主要体现在：在科研生产中，各级标准的指导性不足、标准实施不及时，标准实施的效果主要依赖于设计师对标准重要性的认知，标准体系对研制流程的指导作用有待加强；科研生产中形成的知识财富尤其是各种“教训”，无法及时传递到相关标准制定者手中，对标准制定和实施过程的全链条反馈作用有待加强4-6。这两方面的脱节极大制约了标准的工程应用价值。分析其原因，主要在于航天器研制过程中尚未有效建立标准体系与研制流程之间的良性互动关系，同时也缺乏信息化、智能化手段和工具进行推送应用。因此，要想使科研生产和各级标准两者之间发挥互相支持、互相促进的作用，必须解决如下关键问题。a）如何面向科研生产全过程，构建数字化、结构化的标准体系库。可以以知识点为要素、以知识迁移为目标、以知识图谱为工具，对现有GNC系统标准进行数字化解构。b）面向研制流程与标准体系的交互作用，如何实现标准知识的智能化双向推送。首先进行关联知识点提取，解决标准知识的结构化、数字化表达问题；再在此基础上利用知识图谱等人工智能技术，解决结构化知识的智能推送问题。航天器 GNC 系统研制流程与标准体系的交互式应用初探 王佐伟/张澜/李建平 等18-航天标准化2022 年第 4 期3航天器GNC系统研制流程与标准体系的交互式应用范式3.1面向GNC系统全生命周期的标准体系结构化构建GNC标准体系的结构化构建包含两方面的内容：整个GNC标准体系架构的结构化设计；具体标准的结构化设计。这里的“结构化”一词具有特定含义，是指具有数字化表达方式、能够方便地嵌入到各类数字化科研生产环境之中的设计范式。结构化的目的在于实现标准知识与科研生产的深度融合。3.1.1GNC标准体系结构化构建提出一种针对航天器GNC标准体系的五维结构图，如图1所示。将体系内的全部标准按5个维度（专业维、过程维、业务归口维、层次组成维、级别维）分别进行归类。即，为每个标准赋予5类属性，以便于按维度检索。这种建立了维度映射关系的、具有关系型数据库特性的标准体系称之为结构化标准体系。这种五维结构图可结合信息化工具发挥实用价值。除了用于梳理标准体系架构，还可用于标准的分类查询。利用可视化的标准管理软件，用户输入某个标准号或题名，即可在五维结构图上显示该标准的各个维度属性；用户也可以在五维结构图上基于维度和类别信息检索某一特定专题的标准信息1。在上述5个维度中，与航天器研制流程关系最为密切的是过程维度。3.1.2GNC标准的结构化设计从表达形式上看，目前现有的各个标准都是基于技术或管理内容、以文本为主体的文档。为了使标准更好地融合到数字化科研生产环境之中，需要对各个具体的标准文档进行结构化设计。基本思路是，以“面向工程应用，服务科研生产”为原则，将传统的基于文档的标准改造成基于维度标签的结构化标准。对于某个具体的标准而言，它的具体内容也是具有多种维度属性的。因此，可以将标准中的内容按某种维度进行要点分解。在上述5个维度中，与航天器研制流程关系最密切的是过程维度。因此，考虑以过程为维度，将每份标准中的技术内容整理加工后，赋予不同的过程标签，形成面向航天器研制流程的结构化标准。3.2航天器GNC研制流程中标准知识的智能推送3.2.1基本思路为了充分发挥各级各类标准对科研生产的指导作用，必须将标准与航天器研制流程结合起来。结合手段很多，但数字化、智能化是大势所趋。将标准知识嵌入航天器GNC研制流程的基本思路是：以GNC研制流程为纲，将各个标准进行结构化解构，形成基于知识要点的过程标签；以主要时间节点为触发条件，将带有过程标签的标准知识要点向责任主体进行智能推送，如图2所示。航天器 GNC 系统研制流程与标准体系的交互式应用初探 王佐伟/张澜/李建平 等图1GNC标准体系五维结构图图2嵌入航天器GNC系统研制流程的结构化标准示意19-航天标准化2022 年第 4 期3.2.2典型标准解构GNC标准种类繁多、数量巨大，结构化设计难度很大。作为前期研究，考虑以航天器GNC系统V型研制流程中的关键项目为依据，在存量标准中选取若干典型标准按知识要点进行解构。典型标准的选取原则：一是应涵盖GNC系统开发全链条，包括方案论证、方案设计、系统仿真、技术设计、系统集成、地面测试、在轨验证等；二是应尽量涵盖国军标、航天行标、院标、厂所标等不同标准层级。典型标准的解构思路如下。首先，对GNC系统研制流程进行阶段划分和编目。将研制阶段划分为5个阶段：策划、方案设计、初样研制、正样研制、在轨运行，再对每个阶段的主要事件节点（项目）进行编目。其次，对每份标准按知识要点进行分解，对每个要点进行层级编目和流程编目。其中，层级编目用于知识要点的逻辑组织，流程编目用于与研制流程对应。例如，在航 天 器 控 制 分 系 统 故 障 容 限 设 计 指 南 中，“轨道确定功能的边界需求”作为一个知识要点，其层级编目为C-5-1-2，流程编目为C2D2。通过编目映射，将标准的知识要点和研制流程的事件节点建立起映射关系。3.2.3智能推送方案设计智能推送功能主要根据用户提供的研制流程节点信息，完成标准结构化知识点的自动发送和推荐。智能推送系统首先根据用户当前所处的GNC系统研制流程节点信息，获得该节点的流程编目。基于该流程编目信息，在数据库中扫描搜索，得到相关的全部标准要点。由于全部标准要点数量庞大，需要合理编排后方能便于用户使用。该功能由软件系统基于模糊排序等智能算法自动实现。编排后的标准要点以树状图、分页图等多种形式进行直观显示。方案原理如图3所示。航天器 GNC 系统研制流程与标准体系的交互式应用初探 王佐伟/张澜/李建平 等图3智能推送方案原理框图3.3航天器GNC研制流程中基于负面清单的标准升级航天科研实践中产生的知识财富数量巨大，归零和问题分析报告中的知识财富尤其宝贵，应该及时反馈到各级标准的制定和升级中。利用信息化、智能化手段实现基于负面清单的标准升级是非常有意义。主要思路阐述如下。首先，将归零报告和问题分析报告等归档文件形成负面清单并入库。其次，利用知识图谱和模糊推理等手段从负面清单中进行关键词提取，并与结构化标准数据库中的标准要点进行关联度匹配。最后，对匹配结果进行自动判断，形成标准修订建议并向用户自动推送。推送原理如图4所示。4航天器GNC标准体系推广应用的工作建议航天器GNC系统级标准应用范式旨在进行先期探索，预期成果经实用化拓展后，可先在航天器GNC系统研制流程中试点。在此基础上，以航天器GNC系统组成单机产品为对象，按照GNC系统构成逐级分解并梳理产品实现过程执行的各级各类标准，基于单机产品研制流程构建执行标准清单，开展标准结构化分析，按知识要点进行解构后纳入单机研制流程进行智能推送应用，实现航天器GNC标准体系的全面应用。航天器GNC系统的构成，可分为信息感知类20-航天标准化2022 年第 4 期单机、信息处理类单机、执行类单机3个大类，每一大类下还可进一步细分。例如，信息感知类主要分为光学敏感器和惯性敏感器两大类，光学敏感器包括星敏感器、太阳敏感器、地球敏感器等，惯性敏感器包括惯性姿态敏感器、加速度计、惯性测量单元等。执行类主要分为动量交换装置、指向调节装置、质量排出装置3大类，动量交换装置包括飞轮、控制力矩陀螺，指向调节装置包括太阳电池阵驱动装置、天线驱动装置等，质量排出装置包括液体推进系统、电推进系统、冷气推进系统等。信息处理类包括星载计算机、中心控制单元、驱动控制单元、网络交换单元等。按照产品在GNC系统中的逻辑层次以及标准体系结构中的过程维度，设计矩阵清单，每一类单机展开进行执行标准的再梳理。针对梳理形