飛行器不確定性多學科設計優化理論與應用（簡體書）

12.2基于不確定性全壽命周期仿真的在軌服務系統
效用評價方法
12.2.1在軌服務系統體系結構
如果航天器運營商需要通過在軌服務靈活應對在軌故障和市場變換等不確定事件，則不僅需要使待接受服務的目標航天器具備接受在軌服務的能力，還需要通過在軌服務提供商配套開發執行在軌服務任務的服務航天器以及其他支持設備，共同構成在軌服務系統[2]。下面對在軌服務系統體系結構進行說明。
目標航天器（Target Satellite）：即在軌服務對象。為了支持在軌服務，特別是無人自主在軌服務，目標航天器需要具備可接受服務能力，如能夠支持在軌更換單元ORU的可靠插拔、支持新組件即插即用等。
服務航天器（Servicer）：用于對目標航天器執行在軌服務操作的航天器。服務航天器能夠接近目標航天器進行在軌近距離檢測，并可以捕獲目標航天器進行物理連接以執行維修和更新操作。服務航天器可以分為有人和無人兩類。鑒于有人航天器的高風險、高成本以及空間活動范圍的局限性，無人自主服務航天器具有更大優勢，成為目前在軌服務領域的研究熱點，本章僅對該類進行研究。
在軌倉庫（Depot）：用于在軌存儲支持在軌服務任務的物資和硬件設備，如推進劑、備用更換組件等。如果服務航天器可重復使用以支持多次服務任務，可以使服務航天器首先運行至在軌倉庫進行推進劑補集，獲取在軌服務任務所需物資，然后前往目標航天器執行服務任務。
上述體系結構如圖12.1所示。
12.2.2效用評價準則與方法
在軌服務能夠增加航天器的靈活性和快速響應性，由此提高應對市場價格變化、航天器在軌故障等不確定事件的能力。例如：如果目標航天器用戶市場蓬勃發展，運營商可以通過在軌服務對目標航天器進行設備更新，以此提高性能和增加收益；如果目標航天器發生在軌故障，運營商可以通過在軌服務快速恢復正常運行，從而減少由于運行中斷導致的收益損失。但是，在軌服務的執行也需要目標航天器運營商承擔相應費用，如使目標航天器具有接受在軌服務能力的費用、涵蓋服務航天器研制和發射的在軌服務費用等。如果成本過高，與傳統整星更換方式相比效費比更低，則在軌服務對于目標航天器運營商來說不具有經濟效益，相應也沒有發展在軌服務系統的市場空間。因此，需要根據目標航天器運營商的具體航天任務要求，對在軌服務效用進行綜合評價，并與傳統采用不可接受在軌服務航天器設計以及發生故障等不確定事件時采取整星更換的基線方案進行比較，以此確定是否需要在軌服務以及如何優化設計在軌服務系統。
目前文獻中廣泛采用的在軌服務系統效用評價方法為[7～11]：從目標航天器運營商角度出發，通過衡量不確定性影響下的效用指標值，如全壽命周期成本、收益以及收益減去成本的凈收益現值（net present value，NPV）等，綜合判斷在軌服務系統方案與傳統方案相比是否具有優勢。僅從目標航天器運營商的角度進行在軌服務系統效用評價的合理性在于：目標航天器運營商支付的成本既包括目標航天器自身的研制和運營成本，也包括服務航天器研制和執行在軌服務任務等產生的成本（通過在軌服務價格體現），故能綜合體現在軌服務系統成本；同時，服務航天器的任務就是為目標航天器提供支持，本身不產生其他收益，故目標航天器收益即代表了整個在軌服務系統的收益。因此，本章也采用目標航天器全壽命周期成本、收益和凈收益為效用指標對整個在軌服務系統進行綜合評價。總體評價準則為：成本越低越好，收益越高越好，凈收益越高越好。