专注十年磨一剑潜心寻优求卓越（纪念全国空间轨道设计竞赛十周年）

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第一章 空间轨道设计竞赛发展概况
　　全国空间轨道设计竞赛发展历程回顾*
　　刘俊丽1，高扬2
　　1中国力学学会办公室
　　2中国科学院空间应用工程与技术中心
　　1.引言
　　创办全国空间轨道设计竞赛(China Trajectory Optimization Competition，CTOC)的背景来源于国际航天界第二轮深空探测热潮。从20世纪90年代中期至今，深空探测成为未来各国航天界的重点发展方向，是一个国家综合国力、航天整体技术实力的体现[1]。我国“嫦娥”探月工程已经获得成功，深空探测计划即将全面展开，而深空探测的一项关键技术就是深空轨道的设计与优化。
　　为了促进交流，相互学习，共同推进我国深空探测技术的发展，中国力学学会、清华大学航天航空学院于2009年共同组织举办第一届 CTOC。竞赛旨在为不断深入认识与理解太空飞行提供一个学习与交流平台，为深空探测任务设计提供理论与新概念支持，为未来的工程实践开展早期探索，不断提升我国深空轨道设计能力，力争为中国深空探测事业做出贡献。
　　截至2019年底，CTOC已经举办了十届。共有来自10个单位的参赛团队获得历届竞赛的冠军(或一等奖)。参与历届竞赛组织的单位分别有中国科学院空间应用工程与技术中心、西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室、清华大学、北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室、国防科技大学、中国科学院国家空间科学中心、北京理工大学、中国航天科工集团有限公司第二研究院、南京航空航天大学等。它们为历届竞赛的组织举办做出了贡献。
　　十年磨一剑。经过十年的发展，CTOC逐渐形成了自身的特色，并使各参赛队伍的科研竞技能力得到明显增强。具体体现在2019年第十届国际空间轨道设计竞赛中，国防科技大学和西安卫星测控中心联合代表队、清华大学与陕西星邑空间技术有限公司联合代表队分别获得冠、亚军，实现了中国参赛队的首次夺冠，打破了欧美参赛队伍对该赛事冠军的垄断。可以说，中国空间轨道设计能力已经迈入国际一流水平行列。
　　2.CTOC创立背景
　　早在20世纪60年代，钱学森先生在《星际航行概论》一书中就已指出了星际航行技术与实践的复杂性和艰巨性，他所说的“星际航行”涵盖了遍及整个太阳系的无人或载人空间探索任务，其中空间飞行轨道研究不可或缺。半个世纪之后，随着人类空间探索(特别是深空探测)活动的不断发展以及空间高比冲推进技术、卫星编队、多任务多目标探测等新技术与新概念的相继出现，空间探索任务越来越复杂，且与飞行轨道设计的关联越来越紧密。空间飞行轨道设计因此变得越来越重要，也更具挑战[2]。
　　寻求全局最优解成为空间轨道设计的核心内容，其独特性与复杂性很自然地吸引了众多学者的关注，这些学者已不局限于专门从事航天器轨道力学研究，很多来自自动控制、计算机科学、应用数学等学科领域。
　　为促进深空探测与科学技术的发展、探索新型轨道理论与方法，2005年欧洲航天局(ESA)新概念研究团队提议并发起了第一届国际空间轨道设计竞赛，之后每一到两年举行一次，由上届竞赛冠军团队负责出题，并利用欧洲航天局官方网站向全球发布竞赛信息，要求参赛队伍在一个月内提交设计方案。该大赛主要面向从事航天任务总体设计和航天轨道控制工作的专业机构。自创办以来，吸引了世界著名航天机构(如美国国家航空航天局、德国航天局、法国航天局等)、欧美航天领域知名大学、国际众多航天公司等报名参赛。清华大学自第一届开始连续参加该项竞赛[3]。自第四届起，中国越来越多的大学与科研机构组队参赛。
　　借鉴国际赛事经验，为推进国内深空探测技术的发展，清华大学航天航空学院李俊峰教授和宝音贺西教授于2009年倡议并发起了“全国深空轨道设计竞赛”。同年4月，中国力学学会办公室刘俊丽从清华大学航天航空学院网站上了解到这一赛事，当即与李俊峰教授取得联系，并在两单位协商下，一致同意该赛事由中国力学学会与清华大学航天航空学院共同主办。2009年4月10日，中国力学学会在其官方网站上发布了“首届全国深空轨道设计竞赛”通知。因此，中国力学学会旗下赛事除了“全国周培源大学生力学竞赛”和“全国中学生趣味力学制作邀请赛”外，增加了“全国深空轨道设计竞赛”。该赛事计划每年举办一届，一开始竞赛机制就参照 GTOC，每届竞赛的冠军团队负责组织举办下届竞赛。自2012年起，赛事更名为“全国空间轨道设计竞赛”，竞赛问题不再仅限于深空探测。自2017年以后，赛制改为每一到两年举办一届。
　　需要指出的是，CTOC与传统的学科竞赛不同，复杂的空间轨道设计的题目并没有标准答案，即使是出题方也难以得到全局最优解。在30.60天的时间内，参赛队伍可以采用所有可能的人力、物力，以及没有任何限制的技术手段对问题进行求解。对于最终的各参赛队设计结果，主办方能够准确地进行检验。历届CTOC题目均给出了可以直接客观评价的设计指标，主办方根据设计指标即可评价各参赛队设计结果，最终形成客观公正的竞赛排名。
　　3.历届CTOC举办与组织历程
　　2009年3月5日，第一届CTOC竞赛通知发布并公布竞赛题目。竞赛题目为“小行星探测轨迹优化设计问题”，要求2009年4月16日前提交结果，共有来自全国各地的33支队伍报名参赛。主办单位(清华大学)审核复算各队提交的结果，根据性能指标评判名次，中国科学院光电研究院参赛队获得首届竞赛的冠军，来自西安卫星测控中心、国防科技大学的参赛队分别获得亚军、季军。首届全国深空轨道设计竞赛颁奖大会暨专题研讨会于2009年5月16日在清华大学逸夫楼举行(图1)，时任中国力学学会理事长李家春院士到会致辞并颁奖[4]。
　　图1 李家春院士参加首届竞赛颁奖大会暨专题研讨会
　　2010年1月1日，第二届CTOC竞赛通知发布。本届竞赛是由中国力学学会、西安卫星测控中心、中国科学院空间科学与应用总体部(后更名为中国科学院空间应用工程与技术中心)联合主办，有29支队伍报名参赛。2010年3月25日竞赛题目公布，题目背景为：以火星和近地小天体为探测目标，实现多目标优化的深空轨道设计。有15支队伍在规定的时间内按照要求提交了设计结果，确定了12个有效设计结果，清华大学航天航空学院参赛队获得冠军。2010年6月22日，竞赛颁奖暨研讨会在陕西西安召开(图2)，时任中国力学学会副理事长戴世强教授发表了“江山代有才人出”的致辞[5]。
　　图2 戴世强副理事长在第二届全国深空轨道设计竞赛颁奖暨研讨会上颁奖
　　2011年2月1日，第三届CTOC竞赛通知发布，本届竞赛由中国力学学会、北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室和清华大学航天航空学院联合主办。2011年3月10日竞赛题目公布，题目背景为：探测太阳系八大行星，同时顺访小天体。本届竞赛为纪念我国杰出科学家钱学森先生诞辰一百周年，特别将“钱学森”小行星作为探测目标。共有25支队伍报名参赛，有11支队伍提交了结果，中国科学院空间应用工程与技术中心参赛团队获得冠军。2011年12月11日，第三届全国深空轨道设计竞赛研讨会暨纪念钱学森诞辰一百周年大会在北京航天城举办(图3)，李家春院士到会并做了题为“开展深空轨道设计研究，促进青年创新人才成长”的讲话[6]。
　　图3 李家春院士在第三届全国深空轨道设计竞赛研讨会暨纪念钱学森诞辰一百周年大会上致辞