“以赛育人”的航天创新人才培养探索与实践

Exploration and Practice of Cultivating Aerospace Innovative Talents with “Cultivating Students through Competition”

摘要: 针对航天创新人才培养问题，中国宇航学会与哈尔滨工业大学联合主办了第一届空天智能应用挑战赛，比赛以解决航天工程问题为目的设立了空间机器人灵巧捕获、空间目标运动感知、自主项目–空天智能应用三个项目，每个项目均通过选手答辩、专家质询、成绩复核三个环节决出了一二三等奖。本次比赛共76支队伍报名参赛，分别来自各大高校、科研院所、部队单位、商业航天公司，打破了多数航天学科类比赛仅面向于高校的限制，为航天创新人才培养提供了更广阔的空间，也为航天工程问题的解决提出了更多思路，促进了校企之间的学术互动。哈尔滨工业大学作为主办方，荣获一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项，完成了SpaceSim软件的孵化与能力提升，出版了1部工信部规划教材，参赛学生发表了1篇学术论文，达到了以赛育人的目的。

Abstract: In view of the problem of aerospace engineering talent training, Harbin Institute of Technology and Chinese Society of Astronautics jointly sponsored the first Space Intelligence Application Challenge. In order to solve aerospace engineering problems, the competition set up three projects: smart acquisition of space robots, space target motion perception, and autonomous project-space intelligence application. Each project was awarded the first, second and third prizes through the three links of contestant defense, expert inquiry and performance review. A total of 76 teams from major universities, scientific research institutes, military units, commercial space companies signed up for the competition, breaking the restrictions that most space discipline competitions are only for universities, providing a broader space for aerospace innovation talent training, but also put forward more ideas for solving aerospace engineering problems, and promote academic interaction between schools and enterprises. Harbin Institute of Technology, as the organizer, won 1 first prize, 1 second prize and 3 third prizes, completed the incubation and capability improvement of SpaceSim software, published 1 Ministry of Industry and Information Technology planning textbook, and the participating students published 1 academic paper, achieving the purpose of educating people through competition.

1. 引言

航天是大国竞争的重要领域，而航天创新人才的培养是提升国家航天技术水平的重中之重，培养对象不仅包括航天相关专业本科生、研究生，也包括航天科研院所的青年科研人员，因此探索航天创新人才的培养方法，提升我国航天人才的国际竞争力是必要且紧迫的。在目前的人才培养改革探索中，“以赛促学、赛教融合”是一种常见的且较适用于工程类专业的人才培养方式[1] [2]。

学科竞赛可有效提高学生的综合素质，尤其是培养学生的创新性思维[3] [4]。学科竞赛往往具有任务性、进阶性、融合性。任务性能够调动学生的主观能动性，促进学生协同创新、学以致用，提高学习兴趣；进阶性能够通过紧张严肃的比赛氛围锻炼学生心理素质，快速弥补知识漏洞，发挥知识运用优势；融合性可以锻炼学生扩展知识的能力，打破传统教学模式和思维，充分利用各种资源，实现学科之间的互补和融合，培养知识复合型人才。在航天领域，以“未来飞行器创新大赛”“全国深空轨道设计竞赛”“国际深空轨迹优化竞赛”等为代表的赛事，每年均吸引大量国内外高校学生参赛，对于研究生培养以及创新创业教育体制探索具有显著效果[5]-[9]。以上赛事虽然对于航天人才培养具有一定帮助，但题目总体偏向于理论方法，比较注重学生的创新思维与算法设计，而与实际航天工程任务结合并不紧密。因此，在现有学科竞赛基础上应适当增加偏向于航天工程任务的竞赛，在“以赛育人”的基础上，为解决航天工程问题打开新思路。

哈尔滨工业大学在航天创新人才培养方面积极寻求创新，以典型航天工程任务为背景，联合中国宇航学会举办了第一届空天智能应用挑战赛，旨在激发广大学生及青年科研人员对空天智能应用的兴趣与热情，培养空天智能技术的创新、应用与实践能力，促进空天智能应用领域的交流与协作，吸引国内各高校、航天院所、企业公司人员参赛，在培养航天创新人才的同时对典型航天工程问题的解决方法提出新方案。

2. 第一届空天智能应用挑战赛

2.1. 竞赛背景与简介

2023年5月15日~5月31日，由中国宇航学会官网发布该比赛通知，公布了比赛规程与题目简介，参赛选手在此期间进行参赛报名，对空天智能应用感兴趣的高校及科研机构的学生(本科生、研究生均可)及青年科技工作者，均可以以个人或团队(最多5人)名义报名参赛，指导人员不超过2人。

2023年6月1日~7月15日，举办方通过官方邮箱向报名人员发布题目相关文件，并对竞赛项目和竞赛环境进行线上答疑和辅导，参赛人员提交参赛作品(报告应包含作品概述、原理介绍、结果展示等必要信息)，进行初赛。共计76支队伍、400余人报名参赛，参赛队伍来自高校、航天院所、企业公司等，共计32家单位。举办方成立了评审专家组对提交的76个作品进行了初赛评审，最终19支队伍进入决赛。2023年7月28日，中国宇航学会官网发布了决赛通知。

2023年8月13日，由中国宇航学会、哈尔滨工业大学联合主办的第一届空天智能应用挑战赛决赛在哈尔滨落下帷幕。8月13日上午9时，决赛分三个项目在哈尔滨工业大学同步进行，决赛邀请了11位国内航天领域知名专家作为评委，最后经选手答辩、专家质询、成绩复核三个环节，三组项目均决出了一二三等奖。

2.2. 竞赛题目与特点

2.2.1. 竞赛项目1：空间机器人灵巧捕获

空间机器人是空间操控、在轨维修的重要工具，在太空科学研究、太空资产安全等方面发挥着重要作用。空间目标抓捕是空间机器人的典型任务，抓捕过程中的动力学耦合、碰撞激振等非线性特性使抓捕控制变得复杂，进而影响空间操控任务。本项目中，参赛者需基于主办方提供的空间机械臂与灵巧手模型，设计控制器，实现空间目标的柔顺捕获。

比赛工具及方法自定，举办方提供多体系统动力学软件MBDyn作为参赛示例，同时提供技术支持。

2.2.2. 竞赛项目2：空间目标运动感知

随着近地空间航天器数量急剧增加，为避免航天器之间发生碰撞，对空间目标的异动行为进行快速感知与预测具有重要意义。发射观测卫星对空间重点目标进行拍照监视是一种重要手段，通过对空间目标成像，利用图片进行目标定轨，及时感知目标异动意图。本项目中，参赛者需针对举办方预先设置的目标卫星，增设一颗观测卫星，对目标卫星进行拍照与定轨，及时准确地感知其变轨行为。

举办方提供航天器系统仿真软件SpaceSim作为参赛使用的仿真工具，并提供备选的图片处理工具，用于生成相机坐标系下目标卫星相对于观测卫星的方向向量，以及其他技术支持。

2.2.3. 竞赛项目3：自主项目-空天智能应用

参赛人员自主命题，选题需在空天智能应用领域范围内，并给出解决方案、理论算法及应用成效。

2.3. 竞赛细则

2.3.1. 竞赛项目1：空间机器人灵巧捕获

竞赛细则：参赛人员需基于所提供的urdf文件作为空间机器人的动力学模型，待捕获的目标为半径0.4 m的小球(小球有一个沿z轴负方向上0.1 m/s的速度)，材料属性在floating_robot.mbs文件中给定)，竞赛采用的空间机器人为7关节机械臂/4指12关节手爪机构，机械臂与手爪参数、目标初始状态参数、urdf模型文件均通过附件给定。在此基础上参赛者自行设计捕获方案、轨迹规划和控制器，从能量消耗小、自主捕获时间短和碰撞冲击力小三个方面进行优化。抓取仿真过程如图1所示，输出力矩与碰撞力如图2所示。

(a) 抓取前 (b) 抓取后

Figure 1. Manipulator grab example

图1. 机械臂抓取示例

(a) 机械臂关节力矩 (b) 抓取碰撞力

Figure 2. Output data of grabbing process

图2. 抓取过程输出数据

2.3.2. 竞赛项目2：空间目标运动感知

竞赛细则：参赛人员安装举办方提供的航天器系统仿真软件SpaceSim，打开并读取场景文件Satellite_observation，软件将自动生成5颗目标卫星。目标卫星之一将在仿真运行中发生变轨，已知变轨行为发生在系统仿真时间2022年10月29日，19:06:00~19:10:40期间，要求参赛人员在19:10:40之后开始进行异动感知。参赛人员自行在该场景中搭建一颗卫星用于观测，并为其添加相机用于成像。相机观测角度、视场、分辨率等参数可根据需要进行调整，参赛人员应合理设计观测卫星与目标卫星交会时间以决定相机开启与关闭时间，通过开启相机拍照、图片叠加等功能对目标卫星进行成像，进而解算其变轨后的轨道参数。

利用举办方提供的SpaceSim软件模拟成像过程示例如图3所示，利用所得图片通过图像处理进行轨迹预测过程如图4所示。

Figure 3. A continuous imaging simulation example

图3. 一次连续成像仿真示例

Figure 4. Example of image processing

图4. 图像处理过程示例

2.3.3. 竞赛项目3：自主项目–空天智能应用

竞赛细则：参赛人员自主命题提交参赛作品，包括1份研究报告，能够清楚展示项目研究意义、研究内容、所采用的理论方法与结果、未来的工程应用价值，供组委会初评，以及其他有辅助价值的资料。由于自主项目具有较强的主观性，因此比赛评选结果不代表客观事实，仅代表大赛举办方邀请的评审专家组对项目内涵与发展的主观认同度，且评奖结果不与其他奖励冲突。

2.4. 评分标准

由中国宇航学会先进小卫星技术与应用专委会委员、哈尔滨工业大学教授组成的9人初赛评委专家组根据参赛人员提交的参赛报告投票确定决赛名单。决赛参赛选手对自己的作品进行阐述，完成15分钟现场答辩，评审专家填写评分表进行评分。

项目一、二评审专家组由3人组成，项目三评审专家组由5人组成，各项目最终取专家打出的总分平均分由高到低排序，第一名定为一等奖，第二、三名定为二等奖，其余为三等奖，专家打分表结构如表1所示。

Table 1. The structure of each project expert scoring table

表1. 各项目专家打分表结构

项目	分项组成			总分
项目一	项目完成情况 (30分)	算法原理先进性 (30分)	客观分 (40分)	100
项目二	项目完成情况 (30分)	算法原理先进性 (30分)	客观分 (40分)	100
项目三	研究目标或选题意义 (30分)	原理方案创新性 (30分)	空天领域推广价值 (40分)	100

其中，项目一与项目二评分标准中，项目完成情况是对参赛选手的项目整体进行综合评估，考察项目是否按要求完成，是否具备基本功能；算法原理先进性从关键技术或关键技术指标先进程度、创新程度、复杂程度等方面进行评价；客观分以评分函数分低为优。项目三为自主项目，研究目标或选题意义从现实需要、理论学术价值等方面进行评价；原理方案先进性从关键技术或关键技术指标先进程度、创新程度、复杂程度等方面进行评价；空天领域推广价值从经济效益、成熟程度等方面进行评价。

项目一评分函数为$Score=w_{1}C+w_2{t}_e+w_3{F}_{\max }$ ，其中C为空间机器人执行任务过程能耗；$t_e$ 为自主捕获的总耗时；$F_{\max }$ 为捕获过程中最大碰撞力；$w_1$ 、$w_2$ 、$w_3$ 为这三项评价的权重，大小分别为4、1.5、2。

项目二评分函数为$Score=w_{1}T+w_{2}e$ ，其中T为卫星定轨所需累计观测时间，e为目标星变轨后的轨道参数识别精度；$w_1$ 、$w_2$ 为这两项评价的权重，大小分别为0.1、10。此外，若变轨卫星编号识别错误，则视为答题失败。

3. 第一届空天智能应用挑战赛育人成效

3.1. 竞赛结果与优秀作品

3.1.1. 竞赛项目1：空间机器人灵巧捕获

该赛道一等奖获得者为上海交通大学团队，其将空间抓捕问题解耦为三个独立的优化子问题，即分别优化基座、机械臂以及抓手的轨迹，从而降低系统维度，减少约束数量。同时，为了减小机械臂和基座之间的动力学耦合效应，调整了机械臂的伸展时机。此外，对优化目标函数中的绝对值函数进行了光滑化处理，使得寻找全局最优解成为可能。将上述优化问题公式化并使用先进的作用控制器GPOPS-II进行求解，仿真结果如图5所示。

3.1.2. 竞赛项目2：空间目标运动感知

该赛道一等奖获得者为哈尔滨工业大学团队，其基于SpaceSim仿真软件设置观测卫星的轨道参数，通过相机依次捕获各个卫星，将连续图片叠加获得相机坐标系下目标卫星相对于观测卫星的方向向量，并将其转换到惯性坐标系下。采用基于粒子群的轨道预测算法，对目标卫星轨道参数进行分层优化、逐级迭代，依次得到目标卫星的轨道六根数，实现了秒级数据的短弧定轨任务，仿真结果如图6所示。

(a) 目标抓捕效果 (b) 抓捕动作优化过程

(c) 机械臂控制力矩 (d) 抓手控制力矩

Figure 5. Track one champion works

图5. 赛道一冠军作品

(a) 目标卫星捕获图像 (b) 卫星叠加图像

(c) 粒子群算法

(d) SpaceSim仿真结果

Figure 6. Track two champion works

图6. 赛道二冠军作品

3.1.3. 竞赛项目3：自主项目–空天智能应用

该赛道一等奖获得者为中山大学团队，其围绕大跨度空间机械臂技术，提出了一种新型肌腱驱动空间机械臂，建立了其运动学、静力学、刚度和动力学模型，进行了特性分析；提高了绳驱空间机械臂的操作距离、载荷自重比等技术指标，克服了以往类似绳驱机械臂存在的可控性差和运动精度低的问题；解决了非线性、时变性和不确定性等因素的绳驱空间机械臂的高精度轨迹跟踪控制问题，控制算法具备良好的控制精度和鲁棒性能，如图7所示。

(a) 肌腱驱动关节模块结构设计

(b) 抓捕直径6 m天体仿真图 (c) 肌腱驱动空间机械臂原理样机

Figure 7. Track three champion works

图7. 赛道三冠军作品

3.2. 以赛育人成效

项目一涉及多体系统动力学、优化算法、最优控制等知识，项目二涉及航天器轨道动力学、轨迹优化、轨道确定等知识，项目三则以开放形式，涉及所有航天类相关知识。因此，该赛事充分运用了航天相关学科本科及硕士专业课授课内容，以具象化的比赛题目，使学生学以致用，充分体现了“以赛育人”的人才培育思维。

我校(哈尔滨工业大学)作为该赛事的主办方，共有14支队伍报名参赛，报名学生分别来自航天学院、机电工程学院、未来技术学院等学院，飞行器设计与工程、控制科学与工程、机械电子工程、光学工程、空间科学与技术、电气工程及其自动化、机器人工程、机械(航空宇航方向)等专业和学科，比赛覆盖专业范围广，学生参与积极性高。最终我校荣获一等奖1项、二等奖1项、三等奖3项。获奖学生中既有本科生独立参赛，又有本硕博学生组队参赛，在学术创新探索、工程问题解答、团队协同合作等方面均得到了锻炼与提高。

本次比赛共76支队伍报名参赛，分别来自各大高校、科研院所、部队单位、商业航天等，如图8所示，打破了多数航天学科类比赛仅面向于高校的限制，扩大了航天工程领域人才培养的范围，增强了航天类校企之间的学术互动，提升了在校学生与青年学者对解决航天工程问题的兴趣，为航天创新人才培养提供了更广阔的空间，同时也为赛事中涉及的具体航天工程问题提出了更多的解决思路。

Figure 8. Statistics of team composition

图8. 参赛队伍组成统计

三个项目共19支队伍分获一二三等奖，具体情况如表2所示，其中985高校占比78.9%，科研院所占比15.8%，其他高校占比5.3%，可知该比赛985高校表现优异，但同样有科研院所与其他高校取得佳绩，表明航天创新人才所在单位类型多样，有助于我国航天事业全面协调发展。

Table 2. Details of the winning units

表2. 获奖单位详细情况

等级	项目	单位	单位性质
一等奖	项目1	上海交通大学	985高校
	项目2	哈尔滨工业大学	985高校
	项目3	中山大学	985高校
二等奖	项目1	哈尔滨工业大学	985高校
		四川大学	985高校
	项目2	北京航空航天大学	985高校
		北京理工大学	985高校
	项目3	北京理工大学	985高校
		星群工作室	科研院所
三等奖	项目1	哈尔滨工业大学	985高校
		北京理工大学	985高校
		西北工业大学	985高校
	项目2	西北工业大学	985高校
		西北工业大学	985高校
		北京控制工程研究所	科研院所
		哈尔滨工业大学	985高校
	项目3	哈尔滨工业大学	985高校
		航天工程大学	其他高校
		中国运载火箭技术研究院	科研院所

学术方面，我校参赛选手李小锋，通过参与项目一空间机器人灵巧捕获，提出了一种改进的运动灵巧指数作为关节运动优化目标，利用基于修正指标的阻抗控制方法捕获空间非合作目标，在“Chinese Journal of Aeronautics”上发表了1篇论文“Force-position collaborative optimization of rope-driven snake manipulator for capturing non-cooperative space targets”。哈尔滨工业大学松江实验室，通过举办此次比赛，完成了SpaceSim软件的孵化与能力提升，并依据项目二空间目标运动感知中涉及的航天器轨道、姿态、成像等理论知识，出版了1部工信部规划教材《航天器系统仿真技术》。

4. 结论

航天创新人才的培养对象不仅包括航天相关专业本科生、研究生，也包括航天科研院所的青年科研人员，因此针对航天创新人才培养问题，中国宇航学会与哈尔滨工业大学联合主办了第一届空天智能应用挑战赛。比赛共计76支队伍、400余人报名参赛，参赛队伍来自高校、航天院所、企业公司等，共计32家单位，最终19支队伍进入决赛。比赛以空间机器人灵巧捕获、空间目标运动感知、自主项目-空天智能应用三个方向分别设立三个参赛项目，每个项目均通过选手答辩、专家质询、成绩复核三个环节决出了一二三等奖。该赛事涵盖单位类型广、包含专业范围广，扩大了航天工程领域人才培养的范围，提升了在校学生与青年学者对解决航天工程问题的兴趣，达到了以赛育人的目的，也为航天工程问题的解决提出了更多思路，孵化了学术成果。

基金项目

黑龙江省高等教育教学改革重点委托项目“‘小卫星班’拔尖人才培养模式探索与实践”(SJGZ20210017)；黑龙江省高等教育教学改革一般研究项目“面向航天领军人才培养的航天器虚拟仿真实践课程建设”(SJGY20220007)；黑龙江省高等教育教学改革一般研究项目“依托大学生创新创业大赛的航空航天类课程‘贯通’式教学探索与实践”(SJGY20220014)。