创办全国空间轨道设计竞赛(China Trajectory Optimization Competition,以下简称

CTOC)的背景是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重点发展的方向,是一个国家综合国力、航天整体技术实力的体现^[1]。第二次深空探测热潮中,中国是最受世界瞩目的。我国嫦娥探月工程已获得成功,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年共同组织举办了第一届CTOC。竞赛旨在为不断深入认识与理解太空飞行提供学习与交流平台,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,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、中国科学院光电研究院、北京航天飞行控制中心航天飞行动力学重点实验室、国防科技大学、中国科学院国家空间科学中心、北京理工大学与中国航天科工二院、南京航空航天大学等。他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,并使得各参赛队伍的科研竞技能力得到明显增强、国际竞争力不断提升。在2019年第十届国际空间轨道设计竞赛(Global Trajectory Optimization Competition,以下简称GTOC)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,实现中国参赛队的首次夺冠,打破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。

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,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,也因此更具挑战^[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,很多来自于自动控制、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年欧洲航天局新概念小组提议并发起了第一届GTOC,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(https://sophia.estec.esa.int/gtoc_portal/)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。该竞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(如美国宇航局、德国航天局、法国航天局等)、欧美航天领域知名大学、美国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",不再将竞赛问题仅限于深空探测。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天的时间段内,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。

2009年3月5日,发布第一届CTOC竞赛通知并公布竞赛题目,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]。

2010年1月1日,发布第二届CTOC竞赛通知。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(当年隶属于中国科学院光电研究院)联合主办,有28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]。

2011年2月1日第三届CTOC竞赛通知发布,该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国家级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日竞赛题目发布,题目背景为探测太阳系八大行星,同时顺访小天体。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颁奖大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]。

2012年5月9日,第四届CTOC竞赛通知发布。该届竞赛由中国力学学会、中国科学院空间应用工程与技术中心、北京航天飞行控制中心航天飞行动力学技术重点实验室、国防科技大学航天与材料工程学院共同主办。竞赛题目为小天体多目标(包括小行星和彗星)与多任务(包括飞越、交会、撞击、取样返回)探测,2012年6月10日公布竞赛题目。共有26支代表队报名参加,有14支队伍提交了设计结果。确定了有效设计结果13 个,国防科技大学航天与材料工程学院获得冠军。2012年10月13日在北京温都水城会议中心举办了第四届全国空间轨道设计竞赛颁奖暨研讨会。

为了面向更广泛的空间轨道设计问题(不仅限于深空探测任务),从该届开始,赛事更名为"全国空间轨道设计竞赛"。

2013年5月1日第五届CTOC竞赛通知发布,竞赛由中国力学学会、国防科技大学航天科学与工程学院、航天飞行动力学技术重点实验室共同主办。2013年6月1日竞赛题目公布,竞赛题目为载人近地小行星探测飞行轨道设计。全国共有20支队伍报名参赛,有13支队伍按照要求提交了有效的设计结果。最终,西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室、中国科学院光电研究院和中国科学院空间应用工程与技术中心并列获得第一名。2013 年10 月26—27日,第五届全国空间轨道设计竞赛颁奖典礼暨专题研讨会在贵州贵阳召开。

2014年6月30日第六届CTOC竞赛通知发布,竞赛由中国力学学会和西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室共同主办。竞赛题目于2014年7月15日发布。为提高比赛的参与度,本次竞赛发布了甲乙两组题目,两组题目分别排名与奖励。甲组题目为：近地小行星取样返回(多天体引力场);乙组题目为：快速飞离太阳系。题目发布后,参赛团体可视情况选择题目求解并提交。中国科学院空间应用工程与技术中心获得甲组冠军;国防科技大学、中国科学院光电研究院与空间应用中心联队(并列第一)获得乙组冠军。2014年12 月8 日,第六届全国空间轨道设计竞赛专题研讨会暨第三届全国航天飞行动力学技术研讨会在陕西西安召开(图4),中国力学学会副理事长郑晓静院士到会致辞并颁奖^[7]。

2015年7月1日,发布第七届CTOC竞赛通知,该届竞赛由中国力学学会、中国科学院空间应用工程与技术中心主办。2015年8月15日公布竞赛题目,甲组题目为：不规则形状小行星表面巡游;乙组题目为：近地轨道卫星编队重构任务。有40支团队报名参加,提交了19 个有效结果,其中,中国科学院国家空间科学中心、西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室、清华大学航天航空学院并列获得甲组一等奖,中国科学院国家空间科学中心、中国科学院光电研究院、西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室并列获得乙组一等奖。考虑到多个团队设计指标非常接近但不完全相同,该届竞赛采用一等奖替代冠军称号。2016年4月23日,第七届全国空间轨道设计竞赛颁奖暨研讨会在江苏南京召开。中国力学学会副理事长周哲玮教授到会致辞并颁奖^[8]。

2016年7月8日,发布第八届CTOC竞赛通知,竞赛由中国力学学会、中国科学院国家空间科学中心和西安卫星测控中心宇航动力学国家重点实验室共同主办。2016年8月8日公布竞赛题目,竞赛题目分别为多目标太阳同步轨道空间碎片清除任务(甲组)、地面多目标点观测的卫星规划和调度任务(乙组)。报名参赛队伍62支,有22个队伍提交了有效结果。北京理工大学/航天二院二部联队荣获甲组冠军,清华大学宇航中心、中国科学院空间应用与工程中心并列获得乙组冠军。2016年12月17—18日,第八届全国空间轨道设计竞赛颁奖暨研讨会在江苏扬州举行。

2017年8月15日,第九届CTOC竞赛通知发布,竞赛由中国力学学会、北京理工大学/航天二院二部、清华大学宇航中心共同主办。2017年9月1日发布甲、乙两组题目,分别以地球静止轨道卫星波束监测集群轨道设计与优化、局部导航增强的星座设计和部署作为任务背景,要求设计者在45天内提交结果。竞赛首次发布了中英文两种版本,收到了包括欧空局在内的3支外国队伍共计52支队伍的报名。共有21支队伍提交了结果,其中,有效设计结果18个。南京航空航天大学航天学院和中国科学院国家空间科学中心分别获得了甲、乙组冠军。2017年12月16—17日,第九届全国空间轨道设计竞赛颁奖暨研讨会在深圳北理莫斯科大学举行。

2019年3月11日第十届CTOC竞赛通知发布,竞赛由中国力学学会、南京航空航天大学航天学院共同主办。2019年3月20日发布竞赛题目,题目为木星内磁场及木卫科学探测。共有62支队伍报名参赛,其中包括8支国外参赛队伍和4支商业航天公司参赛队伍,其中有20支队伍提交有效的设计结果,包括国外参赛团队。最终,哈尔滨工业大学参赛团队获得冠军。2019 年7月10—11日,第十届全国空间轨道设计竞赛颁奖典礼暨学术研讨会在江苏扬州召开。该届竞赛首次引入了商业航天公司(北京宇航智科科技有限公司)的奖金赞助。

迄今为止,CTOC一共提出了14个题目,共有来自10个单位的参赛队伍获得冠军或一等奖,每一届竞赛均有数十支报名队伍,越来越多的硕士、博士研究生参加竞赛。每一届竞赛的冠军团队负责组织举办下一届竞赛,这种机制保证了该项赛事一直由奋战在科研第一线的优秀学者轮流主持,不断地推动该领域的研究工作,并产生出一系列的学术成果,提升了空间轨道设计水平。历届竞赛相关的文章发表情况汇总在表1中。

CTOC举办之前,在第1—4届GTOC,中国参赛团队未能进入前50%的排名。自2009年CTOC 举办以来,越来越多的中国参赛队伍参加GTOC(历届GTOC题目的任务背景见表2)。

从2010年第5届GTOC以后,中国团队的参赛成绩逐年提升(如表3所示)。2019年GTOC10,中国团队首次登顶GTOC,包揽了冠、亚军,获得下一届竞赛GTOC11的主办权。CTOC举办之后的第5—10 届GTOC竞赛结果表明：我国的空间轨道设计水平已经达到国际一流之列,从事空间轨道设计研究的学者也成为国际上的一支重要研究力量。

除了GTOC参赛成绩不断提升之外,我国研究团队对GTOC题目背景的理解越来越深刻,并不断总结经验、收获启示^[3,35-40]。GTOC题目间接地反映了美国、欧洲学者们对空间任务的基本设想,这对我国未来深空探测发展具有借鉴意义。虽然我国深空探测还未实施,CTOC还是从前瞻研究的角度提出了众多题目,早期也有参考GTOC题目的成分,但逐步按照自己的思路提出竞赛题目,最终在题目数目上已经超过GTOC,国内团队获得了更多的设计实践机会。通过历届CTOC出题、解题、总结经验的过程,国内团队的空间轨道设计研究水平得到了整体性提升。如表3所示,GTOC9前5名我国团队占据4席,GTOC10前6名我国团队占据4席。

CTOC经过10届的举办与10年的发展,已逐渐积累出自身的特色,虽然创办时借鉴了GTOC,但在不断举办的基础上,竞赛题目的立意也逐渐区别于GTOC,组织形式方面也逐步引入创新内容。在推动研究、学科发展方面,竞赛也引发了我们对空间轨道设计研究的深入思考。CTOC的特色与创新总结如下。

GTOC主要利用开普勒轨道实现目标之间的转移,设计内容更多地集中在搜索排序方面,侧重于全局优化。CTOC则引入了更多的空间探索任务场景,采用了多种轨道运动模型,如多天体引力场、不规则形状小天体引力场、CW方程、J2摄动等。CTOC历届题目从一般的小天体采样返回、多目标行星探索问题,不断引入捕获小行星、飞出太阳系、小行星表面巡游、编队控制、星座设计、木星磁场探测等新问题,题目类型有借鉴GTOC的成分,但也有完全不同的题目。我国目前计划开展的深空探测,包括火星、小行星采样返回、飞到太阳系边界、木星探测、小行星捕获等,CTOC题目内容均有涉及。与此同时,主办方为了出一道好题目,在提出问题方面必然考虑创新,必须提出以往没有研究过的问题,不能让参赛团队利用现有工具直接求解。主办方往往需要提前半年就开始设计题目,并对所提出的题目进行反复试算排除各种可能的漏洞,这甚至不亚于撰写几篇高水平论文或几份项目申请书。在这种情况下,竞赛有望不断引入新的问题,负责组织举办的学者必须付出努力,才能提出创新问题。第9届CTOC的题目(以地球轨道编队探测与星座设计为背景)与若干设计结果在国际航天领域著名期刊Acta Astronautica以专辑形式发表^[26-34],得到了国际同行的广泛关注。

与传统的学科竞赛相比,CTOC题目一般没有固定的求解思路,给定30~60天的解题时间,参赛队可以自由解题,从容应对。2017年之前,CTOC是以一年一届的频率举办,参赛队对空间轨道设计的认识持续增长,竞赛压力也很好地促进了参赛队伍更快地掌握相关知识。与GTOC相比,CTOC的题目求解时间更长,更有利于参赛团队尝试应用新方法,提出新思想,鼓励采用新方法,甚至开展了一些研究工作。2013年之后,CTOC可以提出两组题目,以利于进一步扩大参赛队伍的数量,也便于传播更多的轨道设计知识内容。同时,上届冠军团队主持下一届的机制保证了组织方一直是奋战在一线的科研工作者,中国力学学会为CTOC提供竞赛信息传播、获奖者颁奖、研讨会组织等支持。除依托中国力学学会之外,目前没有其他行政机构参与,基本形成了学者自治的一种竞赛组织模式,总体上体现了公正、科学、开放的特色。

一般而言,能够获得CTOC冠军的团队,已经具备了必要理论基础,掌握了较多设计思路,并积累了若干设计软件工具。冠军团队提出下一届竞赛题目,依托于自身的认识和理解,总体而言能够把握题目的难点与挑战。这种方式可以很快地引导参赛的青年学生、学者把注意力聚焦到具体问题上,迅速理解空间轨道设计的难点所在,直接解决难点问题也会推动他们未来做更有意义的研究。同时,CTOC主办方适当提供与题目相关的知识内容,供刚刚接触空间轨道设计的参赛队伍参考。CTOC题目求解过程中,每一个参赛团队均展现了各自的思考方式,提出了多种求解思路,客观上不断创造出新的概念与新的方法,为轨道力学、设计与优化研究带来了前所未有的冲击感,极大地拓展了研究范围,为我们不断地认识和理解太空飞行原理提供持续的驱动力。不少竞赛的题目(包括CTOC与GTOC)在赛后仍然被大量研究,通过尝试更新的方法得到更好的设计结果。中国科学院空间应用工程与技术中心针对GTOC6,GTOC8的题目,在赛后进行了改进,设计结果得以不断的优化和提升,并得到国际同行的认可^[41-42]。总的来说,CTOC为我国空间轨道设计研究提供了一种创新实践的途径。当然,我们也必须承认,竞赛终究不能完全等同于创新研究,竞赛毕竟要求参赛队伍在有限的时间段内拿出答案,而创新研究原则上不应设置期限。然而,竞赛作为一种实践,可以检验理论是否可以应用,引发对问题的深入探讨,提出更深刻的问题;竞赛作为一种竞争,赋予参赛者挑战自己的机会,为了迎接挑战,参赛者必须对该领域问题开展一定程度的创新研究,尝试寻找更高效的飞行轨道设计方法,才有望能够得到最好的设计结果。

对于参赛者来说,若能在与众多顶尖学者的竞争中位居前列,这本身就是一件令人兴奋的事情,也是对自身的极大激励。同行们在给定一个期限下的竞争极有可能激发出设计者近乎所有的潜能,设计结果的优化程度有时候甚至让人难以置信,为自己喝彩的同时也不禁为那些更好的设计结果拍掌叫好,甚至肃然起敬。与此同时,一些参赛者却也因由于时间所限没能做出更好结果而感到遗憾,但会推动他们总结经验,再接再厉。此外,竞赛对团队合作提出了要求,为了得到更好的设计结果,仅靠一个人是难以完成的,即使能够完成,也难以获得好的设计结果。这促进了团队成员之间的分工协作,甚至不同单位间的协作也已逐步出现,参赛目标越来集中于如何得到更好的设计结果,不为了追求设计结果排名而参赛。

上述的特色与创新使得CTOC能够经历10年发展而不衰,空间轨道设计的研究成果得以广泛传播且应用,越来越多的研究生参与其中,使创新人才得以源源不断地产出。历届竞赛题目的设计结果也为认识和理解空间任务提供了宝贵的知识。CTOC 提供了空间轨道设计与优化研究的交流平台,这一点已经获得了同行学者的广泛认可。

自2009年创办以来,CTOC已历经10届的发展。通过10届竞赛的成功举办,逐渐彰显出自身的特色,提升了中国面向复杂空间探索任务的轨道设计能力,锻炼了轨道设计领域的科研人才队伍,促进了国内轨道设计领域的交流与融合,推动中国空间轨道设计能力迈入国际一流行列。

CTOC已经成为前沿理论探索的平台、创新设计方法研究的平台、锻炼和发现人才的平台。通过设计竞赛的碰撞和交流,诞生了一系列新方法、新理论,这些新方法新理论已经应用于中国航天工程实践,一大批青年学者从轨道竞赛平台中脱颖而出,成为我国航天事业的骨干力量。

在中国力学学会长期不断的大力支持下,CTOC在国内外的影响力也与日俱增。衷心祝愿CTOC锐意进取,大胆创新,越办越好！