第28卷第4期2007年7月

宇 航 学 报

Journal of Astronautics

Vol.28July No.4

2007

空间在轨服务技术发展综述

崔乃刚,王 平,郭继峰,程 兴

(哈尔滨工业大学,哈尔滨150001)

摘 要:空间技术的飞速发展促使空间在轨服务技术成为了一个新的、独立的研究方向,传统的、以航天飞机为代表的空间在轨服务成为了今后这个方向的发展基础,并在此基础上出现了空间自主在轨服务技术,它以成本低、风险小、隐蔽性高、军事利用价值强等特点,成为了未来空间技术新的研究热点。介绍了空间在轨服务技术的概念、任务和研究现状,分析了其发展趋势和关键技术,并着重分析了空间自主在轨服务中的自主控制技术。

关键词:空间在轨服务;航天飞机;自主控制;任务规划;运行管理

中图分类号:V47 文献标识码:A 文章编号:1000-1328(2007)04-0805-07

收稿日期:2007-03-30; 修回日期:2007-05-11

0 引言

随着航天技术的飞速发展,空间飞行器的结构、组成日趋复杂,性能、技术水平不断提高,在这种情况下,保证空间飞行器在复杂的空间环境中更加持久、稳定的在轨运行,已成为目前空间技术领域亟待解决的重要问题。

早在上世纪七八十年代,研究人员便开始研究空间在轨服务技术,即对空间飞行器实施在轨装配、修理和维护等操作。拥有这项技术可对空间的故障飞行器实现在轨修理,而不是重新发射予以替代;通过维护和对载荷升级,可有效延长空间飞行器的使用寿命、增强其系统能力;此外,在轨服务技术也为未来的军事化空间提供快速、高效的后勤保障,并也可直接对目标实施捕获、攻击,从而大幅度提高空间作战能力。

在过去的二十多年中,各国研究机构进行了一系列地面、空间论证实验和应用研究,结果表明空间在轨服务不仅在技术上是可行的,而且具有巨大的研究、发展空间。

本文首先给出了空间在轨服务的概念,提出了具体的服务任务,介绍了目前该技术的研究现状,分析了未来的发展趋势和关键技术,并着重介绍了空间自主在轨服务技术中的自主控制技术。

1 空间在轨服务的概念

空间在轨服务(On -Orbit Servicing,简称OOS)就是指在太空中通过人、机器人(或类机器人卫星)或两者协同来完成涉及延长卫星、平台、空间站附属舱和空间运载器寿命和能力的空间装配、维护和服务(Space Asse mbly,Main -tenance and Servicing,简称SAMS)任务。

任何航天运载工具的运载能力都是有限的,对于空间重型或大型结构就必须在太空中实施在轨装配。此外,在太空这样的复杂环境中,所有空间飞行器随时都有可能由于失效、退化或废弃而失去价值,重新发射替代飞行器只能导致成本倍增,但利用空间维护和服务技术就可有效解决这一问题。空间在轨服务的范围包括非常广泛的装配、维护和服务操作功能。

(1)空间装配是指在空间中将不同的部件连接起来构建成一个结构、子系统或子系统的单元体等空间设施,它包括空间飞行器、空间系统或空间结构的在轨连接、构建或组装,小到如电池阵、天线的安装与展开,大到大型独立舱段的在轨对接,以及更大规模的大型空间结构的构建;

(2)空间维护是指按照必要的或指定的计划程序来维持空间设施或设备,它包括观察、监视、检查、诊断、表面修补、维修、部件替换、污染物清除、测试、

检验等维护性活动,但不包括消费品的补给;

(3)空间服务主要是指空间飞行器可消耗品的替换等后勤保障任务,包含消费品和消耗品的补给,如流体物质(包括液体和压缩气体)的直接输送、流体贮箱的替换和可包装的消费品(如电池或胶片)的替换等。广义上,空间服务还包括空间系统在太空中的捕获、取回、发射、再推进和恢复、空间碎片的捕获或抑制以及营救宇航员等操作。

2空间在轨服务研究现状及发展趋势

2.1有人参与的空间在轨服务技术研究现状

有人参与或主导的空间在轨服务技术的研究与实践已有数十年的历史,美国曾投入大量经费重点发展航天飞机计划,用来支持空间在轨服务,并且也多次使用/挑战者0、/哥伦比亚0号等航天飞机执行在轨修理、回收、释放、重展开等在轨服务任务,宇航员多次实施出仓操作。

自1984年起空间在轨服务已从概念研究转向现实操作,重要的空间在轨服务事件有:

(1)美国使用航天飞机对Solar Maximum Mission (SMM)卫星实时在轨捕获和修复。此次任务的目的主要是测试航天飞机在轨服务的应用能力。1984年4月10日,航天飞机(挑战者号)利用遥控系统和机械臂捕获SMM卫星,并于次日,修复了该卫星的姿态控制系统,更换了一些电子元件箱和一个碟形卫星天线。SMM卫星就成为人类历史上第一个利用航天飞机进行在轨捕获、维修的空间飞行器。

(2)SYNC OM IV-3通信卫星在轨取回、修理和重新在轨释放。1985年4月,美国利用航天飞机在轨释放SYNCOM I V-3通信卫星,发射后该卫星未能正常启动,为此航天飞机与其交汇伴飞,并由两名宇航员对其进行手动启动,但未能取得成功。1985年8~9月,航天飞机再次与其交汇并由两名宇航员手动取回至载荷舱,为其重新安装新的电池和启动装置,并将卫星再次在轨释放,卫星成功启动。

(3)1991年5月,美国应用航天飞机捕获并回收了在轨失效的Intelsat6P F3通信卫星。首次使用三名宇航员手动将卫星取回至载荷舱,并重新安装火箭发动机,而后成功将其在轨释放。

空间装配、维护和服务功能固有的可行性保证了这些空间任务的成功。同时,这些空间在轨服务的成功也证明了这项新技术的可行性。

目前,接受空间在轨服务最多的对象是国际空间站,它成功接受了大量、广泛、持续的空间在轨服务活动。由于国际空间站对于任何运载工具而言体积和重量都过于庞大,因此只能进行空间在轨装配;且国际空间站非常昂贵,必须依赖空间在轨服务[17]。另外,一些非常昂贵的空间系统如/哈勃0太空望远镜等也都非常依赖空间在轨服务。

目前,执行空间在轨服务任务的工具主要是宇航员、航天飞机和一些空间机械臂等辅助机械设备。但在长期的研究与应用中发现,有人参与的这种服务方式存在着诸多弊端,如宇航员必须参与其中,因此提高了用于服务的航天器的运行成本,再者,宇航员的频频太空行走也对人员的生命安全带来了极大威胁,因此传统的在轨服务只能用于成本很高或价值极大的在轨航天器,如前述的国际空间站、/哈勃0太空望远镜等等,难于实现普及。特别是/挑战者0号、/哥伦比亚0号航天飞机的失事不仅使人类的航天事业蒙受巨大损失,而且还严重打击了有人在轨服务技术的发展。此外,未来太空的军事化也决定了大型的、高造价载人航天器难于在复杂、危险和瞬息万变的空间战场环境中生存,也就更难于实施在轨服务行为。基于多种因素决定,自主在轨服务技术应运而生。

2.2自主空间在轨服务技术研究现状

自主空间在轨服务是利用智能的空间服务飞行器自主完成空间在轨服务任务。虽然自主在轨服务不能像有人参与的在轨服务那样完成复杂、繁琐的服务动作,但相比于有人在轨服务,它具有以下优点:

(1)自主完成服务任务避免了人的参与,从而降低了空间服务航天器的成本,也避免了宇航员太空操作的危险;

(2)航天器自主完成测轨、测控等许多工作,可节省大量的人力、物力;

(3)在轨服务航天器自主运行减少了天地间的交互,使航天器不易受到干扰和攻击,从而增强了其在轨运行的隐蔽性,提高了在复杂空间环境中的生存能力,以及战时对目标攻击的突然性;

(4)自主在轨服务能够快速处理突发事件,及时

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排除目标故障,从而提高了航天器在轨服务的效率。

空间自主在轨服务技术在各个方面都表现出强有力的适应性,并且其具有成本低廉、军事利用价值高等特点,因此引起了航天界的极大关注。美国于二十世纪末、二十一世纪初开始了空间自主在轨服务技术的研究与试验,并于近年加大了研究力度,主要的研究计划有实验卫星系统(XSS)和/轨道快车0计划等。它们都是利用小型自主航天器实现快速、机动、隐蔽的在轨服务行为,这样可有效的降低维护成本和运行风险,而且还可以在未来复杂战场环境中发挥重要作用。

(1)实验卫星系统[1]

美国针对自主服务飞行器的诸多特点,提出模块在轨服务的概念(Modular On-orbit Servicing,简称MOS)。该概念的核心是研究微小卫星提供自主在轨服务,其研究项目是对实验卫星系统(E xperimental Satellite System,简称XSS)的论证与实验。参与研究的机构有空军研究实验室(Air Force Research Labora-tory)、美国空军太空指挥部(Air Force Space C om-mand)和太空与导弹系统中心(Space and Missiles Sys-tems Center)等多家权威机构。

MOS的系统包括五个部分:新一代卫星、微小服务卫星、在轨机器人、轨道运输飞行器和发射飞行器。此系统将实现运行自主、结构简单、低发射质量、低发射成本和强机动变轨能力等特点。该项目于2005年实现初步功能(除去在轨机器人),计划在2013年实现全部在轨功能。XSS的实验任务主要有:观测、补给和修理。目前已经有XSS-10、XSS-11和XSS-12三种型号的实验星在轨或准备在轨运行,分别于2003、2005和2007年底发射入轨。

XSS-10进行微小卫星在轨服务的基础实验[2,6,7],主要论证微小卫星对目标星进行紧密跟踪飞行和瞄准指向的能力;XSS-11实验除了继续上一代卫星的实验项目以外,还增加了成像系统,用于观测它自身的运载器(与其分离的火箭助推器)、空间环境和目标星,并负责拨离宇宙碎片,另外还完成了自主交会实验和高精度伴飞实验(用于在轨喷涂技术);XSS-12实验将进行更加紧密的伴飞实验,并将对目标星进行在轨喷涂、更换模块部件等在轨服务操作。三种型号卫星的所有在轨行为均为自主操作,人在系统中只进行少量辅助工作。

该项目用在轨飞行试验的方式验证了降低空间运行成本的可行性、在轨服务的有效性和适应性,并为以后的实际应用提供了理论和实验数据支持。

(2)/轨道快车0项目[18]

美国国防高级研究计划局(DARPA)的/轨道快车0(Orbital E xpress)项目同样也是进行自主服务卫星样机的研制和试验。/轨道快车0卫星是美国以太空防御为目的而开发的一种太空维修技术验证卫星,它旨在试验在轨卫星的/自我维护、自我保养、自我生存0的能力,其主要特点如下:

¹卫星总重不到1吨,具有/快速进入太空0的能力;

º具备很强的机动变轨能力,可以通过轨道机动进入其他卫星的运行轨道;

»卫星具有高度自动化的机械手臂,初步具有替代航天员在太空完成太空维修作业的能力。

总价值3亿美元的/轨道快车0项目由两个部分组成)))一个目标卫星/未来星0(NextSat)和一个/太空自动化运虽机器人0(ASTRO),如图1所示。/太空自动化运输机器人0重952kg,高和宽各1.8m;0未来星0重226kg,高和宽各1m。这对姊妹星于2007年3月发射进入太空后先是连在一起,然后两星将在相互交换有关数据后分离。随后,/太空自动化运输机器人0将想方设法捕捉/未来星0,一旦锁定/未来星0且与其接近后,/太空自动化运输机器人0将伸出机器人手臂,将/未来星0拉回到身边,然后替/未来星0加注燃料、更换电池板、蓄电池、动量轮或其他零部件,或者将其摧毁。/轨道快车0具有很强的自主性,而且还可保证两星交会相对速度为零,以避免因交会时猛烈的撞击而损坏军用及商业卫星上一些脆弱或昂贵的设备及太阳电池翼。

/轨道快车0作为小型卫星,可以放在改装后的弹道导弹头部或者是空射火箭头部发射。这些发射工具本身就是军用装备,发射准备周期短、可靠性高、成本低廉,能够满足战争时期的作战需要,可随时、大量地向太空中部署。

2.3发展趋势

空间在轨服务技术未来的发展空间十分广阔,不论是有人参与、主持的,还是智能的空间自主在轨

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图1/未来星0和/太空自动化运输机器人0

Fig.1NextSat and ASTRO

服务技术,都会在各自的道路上不断提高,并且逐步实现二者体系的结合,形成更大规模的空间在轨服务系统。

虽然目前有人的空间在轨服务技术已应用多年,但依然存在着很多问题,如宇航员太空行走的危险性,作为运载器与服务器的航天飞机的维护与可靠性问题等,都使这种空间在轨服务方式受到了制约,不能广泛使用。因此,未来有人在轨服务技术的发展方向有:

(1)新的航天飞机或其他运载器要实现在频繁的天地往返飞行中保持稳定的性能,减少往返途中恶劣环境对它的影响,从而大大降低维护费用,提高飞行可靠性,使之成为真正的可重复利用的航天运载器;

(2)减少宇航员的太空行走,利用高灵敏度、仿生能力更强的机械臂代替宇航员执行空间操作,使宇航员在运载器内部即可实现对目标的修理与维护;

(3)减少天地往返飞行,建立更为持久在轨运行的宇宙空间站,可随时接受被送来要求服务的空间飞行器。空间站或子空间站本身也可进行空间机动以便接近目标实施服务,空间站可配备宇宙飞船,随时释放去完成服务任务或将目标取回(但不作天地往返运载器)。

空间自主在轨服务技术现在还处于起步阶段,但未来的发展前景不可限量。未来的空间自主在轨服务将向体系化、规模化、高自主化方向发展。

(1)服务体本身实现高自主化,能独立决策、思考完成多种服务任务,并可进行多星的协同服务、实现群体智慧;

(2)建立以母星为中心或平台的空间在轨服务体系,为一定空间区域、卫星系统或大型空间结构提供体系服务,并实现各服务体的协同,而后再将以各母星为中心的空间自主在轨服务体系作为子系统,形成更大规模的空间自主在轨服务群,使整个空间的自主在轨服务形成完整体系,整个体系由虚拟主机、空间自主中心或地面站作为主控,实现大范围、大系统的协同。

空间有人与自主在轨服务相结合,形成完整的服务体系,是未来发展的方向。未来将建立以空间主控中心为核心的,附带大型船坞式服务空间站、空间自主在轨服务母星、并配备有自由空间服务体的多位一体的完整空间在轨服务体系。

(1)由人主持的空间主控中心配备有大型计算机,可以完成整个空间的信息处理、调度与任务分配;

(2)大型船坞式服务空间站可以为进站的大型服务对象提供全面的修理、维护与升级,并且可以完成空间制造、建造、搭建各种空间飞行器;

(3)自主在轨服务母星完成对各服务体子星的调度与分派,并对其实施补给;

(4)自由空间服务体指的是一些有人或无人的服务单元,它为整个系统提供补充作用,为各系统结合处提供协调,或为子系统提供在轨服务,以及负责拖曳大型结构进船坞修理等任务。

总之,未来的空间在轨服务将像地球上的加油站一样随处可见,但它又不仅仅是个松散的组合,而是形成统一的体系而存在和工作的。

3空间在轨服务关键技术

空间在轨服务技术体系十分庞大,它包含控制、机械、材料、生物等多种学科的相关技术。传统的空间在轨服务技术的关键在于航天飞机的建造与使用,以及宇航员太空行走等等,这些技术在人们多年的研究与实践中已逐渐成熟,并且还在被不断的完善与提高,用以完成复杂而重要的空间在轨服务任务。空间自主在轨服务技术是未来空间在轨服务发展的新方向,其所涉及的学科种类也很繁多,需要不断的研究与完善,以满足未来的需要。

空间在轨服务的关键技术主要有:

(1)控制技术

控制技术涉及空间在轨服务的各个方面,服务飞

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行器的姿态控制、轨道控制,对合作和非合作目标的交会对接控制,对目标的连接、抓取控制,结合后联合体的姿控、轨控,以及航天飞机等大型运载器的飞行控制,空间自主飞行器的自主控制技术等等,它们中的每一项都是决定空间在轨服务成功与否的关键。

(2)机械技术

特殊的机械技术伴随空间在轨服务技术应运而生。服务飞行器本身和目标的机械结构,二者的交会对接机构,服务飞行器的抓取与维修机构等等都需要进行深入研究,特别是交会对接与抓取服务机构。设计通用的交会对接机构有助于提高对接效率,而抓取服务机构应尽量减少对目标的损伤,但还要保证抓取的效率[8]。

(3)机器人技术

空间自主在轨服务技术主要是应用智能在轨机器人实现自主服务的[4],因此设计高智能的、能够独立决策、判断、思考的空间机器人是研究的关键,当然,机器人技术也是一门综合的学科,它需要各个学科的支持,如人工智能技术、控制、机械技术等。

(4)材料技术

在复杂而恶劣的空间环境中,材料是保证安全的关键,不论是大型的航天飞机,还是小型的自主服务卫星,它们的生存都紧紧依靠着材料技术的水平。当然,还有为了减少重量而特殊设计的内部机构,以及为减少抓取服务时对目标的损伤而使用的特殊材料制成的机械臂等等,因此材料技术将在空间在轨服务中发挥重要作用。

(5)宇航员的生命保障技术

空间在轨服务技术在一定时期内还离不开宇航员的直接参与,特别是宇航员进行太空行走,其危险性不言而喻,因此,宇航员的生命保障是完成有人在轨服务任务的关键,应使宇航员在太空工作时免受宇宙碎片、太空辐射等等来自外界的攻击与影响,同时应保证宇航员的活动能力及舒适度,当然保证通讯等各个方面支持及长时间在太空维持生命的能力也是保证宇航员安全的关键。

(6)观测技术

空间在轨服务技术中抓取、对接、服务等操作的前提是对目标实施观测,观测的结果直接影响到决策的结果和服务的成败与效率,这就要求观测机构的图像识别与判断能力以及各方面的相关技术要满足实际服务时的需要,要有能力准确的观测出目标的外部情况,以便实施维修和抓取等操作。

空间在轨服务的技术体系还包括很多门类与学科,它们的共同发展促进了在轨服务技术的不断提高。

4空间在轨服务的自主控制技术

空间自主在轨服务技术刚刚起步,拥有高智能、高自主能力控制系统的在轨服务飞行器可在空间自主完成大多数在轨服务任务,因此本文将重点介绍空间自主在轨服务的核心技术)自主控制技术。

空间自主在轨服务自主控制的主要任务由自主任务规划、自主运行管理、自主导航三个部分组成[3,5,10-16,19]。

(1)自主任务规划

任务规划主要是指对实施任务所作的前期计划,它综合考虑任务体自身的性能和周围环境等因素,将这些因素作为约束条件,根据任务的内容,合理安排、规划出任务体完成任务所需的全部决策和行为序列。

空间在轨服务飞行器自主任务规划指的是自主制定飞行P服务指令序列。具体分以下几步完成:首先自主服务飞行器得到上级(地面站或其他空间指挥机构)发出的使命级任务,通过对任务、环境、飞行器模型这三要素的简要分析,并应用一定的智能优化算法,划分出初步的任务阶段,而后在每一阶段进行抽象的规划与调度,得到最初级的飞行任务排序;第二步,根据具体的飞行器与环境模型,结合任务需求,进行具体的规划与调度,从而得到具体的飞行P 服务计划,即按时间排序的动作行为序列(如变轨、调姿、绕飞、伴飞等);最后,根据具体时间段的具体动作行为生成控制指令,完成最终的规划任务。

完成自主任务规划需要很多相关技术,如

¹相关知识的表示。任务、环境、飞行器模型作为知识用于任务规划,需要有一定的表示方法,即一定的数学模型,它应力求做到既能融入于规划算法,又能使计算机所认知。

º智能优化算法。任何任务规划系统都具备按照一定约束执行的优化算法,不同的算法对其系统有着很大的影响,它直接关系到最终生成的任务

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序列是否为符合约束要求的最优或次优解。

»重规划能力。自主任务规划系统不仅能完成静态任务(即在任务起始前对整个过程实施规划),还应具备动态规划的能力,能够在面临突发事件(如任务变更、突发威胁或系统故障)的情况下,根据当前局势,快速对后续行为进行重规划,保证任务的顺利完成。

(2)自主运行管理

自主运行管理系统是协调、管理和控制空间自主服务飞行器各子系统的综合控制器,它是提高空间自主飞行器可靠性、生存性、性能价格比的主要组成部分。它的主要任务是:监控自主任务规划系统做出的计划的执行情况,协调各系统、各部分的工作,监视服务飞行器自身的实时状态,并将任务完成情况、各子系统状态分别反馈回中级规划和初级规划系统,从而形成广义的自主控制回路。此外,它还具备处理突发事件和故障的能力(包括故障定位、识别和系统重构),确保飞行器顺利完成任务。

在自主运行管理系统中,知识的表述依然是关键技术之一,不论是飞行器状态、各系统工作完成情况,还是作为反馈回到规划系统中的信息,都需要用一定的可认知的表述方式来实现。此外,故障诊断、系统重构也是需要重点研究的技术之一。

(3)自主导航

自主导航是指服务飞行器依靠自身所载设备(敏感器或其它导航元件),自主完成导航任务,其间不与或尽量不与外界发生光、电联系,以保证飞行的隐蔽性和对外界条件的抗干扰能力。

目前,自主导航是飞行技术中的一大热门课题,关于自主导航的相关技术本文不再螯述。

(4)额外要求

为顺利完成以上三个任务,对自主控制系统还应提出以下要求:

¹高可靠性。为完成以上任务,自主服务飞行器需要具备较之一般飞行器更加复杂的软、硬件条件,因此就需要更高可靠性的软件程序和硬件设备,来完成在复杂的空间环境中的在轨运行和服务任务;

º介入能力。虽然自主服务飞行器可自主在轨运行、自主完成服务任务,但使命级任务的下达与变更,以及空间环境和飞行器自身模型的不完备,都需要保留外界的介入能力,并且外界的介入应可在飞行器自主控制系统的各个层面(包括初级的飞行规划到最底层的控制指令),这样就保证了飞行器运行的全面安全与工作的顺利完成;

»系统重构。自主服务飞行器长期在轨运行,其自身故障的识别与排除也是十分重要的,因此飞行器还应具备系统重构能力,以便发生故障时能够及时排除或降级使用。

5结束语

尽管近年航天飞机事故频频,使人类的航天事业损失巨大,但这并没有停滞有人空间在轨服务技术的发展,航天飞机依然在被不断地用于重要在轨服务目标,以完成复杂的空间在轨服务任务。而空间自主在轨服务技术也凭借它成本低、风险小、军事利用价值高等特点,成为了目前,乃至未来空间技术领域新的研究与发展方向。

本文介绍了空间在轨服务技术的概念,给出了其具体任务的内容(空间装配、空间维护、空间服务),而后介绍了空间在轨服务技术研究现状,分析了其未来的发展趋势,提出形成空间在轨服务体系是未来发展的方向,最后介绍了其关键技术,并着重介绍了空间自主在轨服务技术中的自主控制技术,为下一步具体研究自主在轨服务技术提供了方向。

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作者简介:崔乃刚(1965-),男,博士,教授、

博士生导师,研究方向为空间在轨装配、维护与服务,空间飞行器轨道动力学与控制,空间飞行器自主及组合导航技术,人工智能及其在航天领域的应用。

通信地址:哈尔滨工业大学345信箱(150001)

电话:(0451)86413452E -mail:c ui -nai gang@163.co m

A Review of On -Orbit Servicing

C UI Na-i gang,W ANG Ping,GUO J-i feng,C HE NG Xing

(Harbi n Ins titute of Technology,Harbin 150001,China)

Abstract :On -orbi t servici ng will be a new and independent developing direction in the field of space technique.Based on some conventional modes of servicing and space shuttle technique,on-orbit autonomous servicing appeared.By the characteris -tics of the cheapness,low risk,high concealed ability and military value,on -orbit autonomous servicing has been the new research focus i n the field of space technique.The paper su mmarizes the concepts and missi ons of on -orbit servicing,then i ntroduces the research actuality,analyses the develop ment and key techniques.The autonomous control technique of on -orbit autonomous servic -ing is emphasized in detail.

Key words :On -orbi t servicing ;Space shuttle;Autonomous control;Mission planning;Operational management

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