杨洪伟 李爽 刘宇航

[摘 要] 空间轨道设计竞赛作为一类适合航天类专业研究生参加的高水平竞赛，对研究生的学术能力有很好的提升作用。根据空间轨道设计竞赛的特点，分析了其促进学术能力提升的因素，并给出了关于依托空间轨道设计竞赛设计研究生学术能力培养策略的初步思考，在初步实践中取得了良好的效果。

[关键词] 轨道设计;竞赛;研究生;学术能力;培养策略

[中图分类号] G643   [文献标识码] A    [文章编号] 1674-9324（2021）03-0177-04   [收稿日期] 2020-09-07

2019年6月，一條“中国高校，世界第一！首次打破欧美垄断”的消息陆续被人民日报、中央电视台、解放军报、科技日报等国内重要媒体报道。其主要内容是国防科技大学与西安卫星测控中心联队在第十届国际空间轨道设计大赛中实现了中国参赛队伍的首次夺冠，打破了欧美参赛队对该赛事冠军的垄断。在该竞赛中获得冠亚军的两支国内代表队中，大部分成员是在读的硕博研究生。这些世界一流队伍中的研究生通过该竞赛展现出了突出的学术能力。从国际空间轨道设计竞赛的官网[1]也可以看到以历年的竞赛问题为背景发表的一大批一流学术论文，其中有不少作者的身份是研究生。2019年，全国空间轨道设计竞赛也已走过了第十个年头[1]。在轨道竞赛历程之中，许多研究生在竞赛中获得了锻炼和成长，部分博士生也已经毕业并进入了高校或科研机构工作。

科技竞赛是培养研究创新思维的重要载体[2]，对于培养研究生综合能力有重要影响[3]。近年来，国内外越来越多的创新型航天专业竞赛为培养研究生的学术能力提供了更多的途径。现有的创新型航天专业竞赛包括：国际性的国际空间轨道设计竞赛、国际小行星防御任务设计竞赛、中俄小卫星设计竞赛等;全国性的研究生未来飞行器创新大赛、全国空间轨道设计竞赛、航天院所的航天任务或方案创新竞赛等。本文将以空间轨道设计竞赛为例，分析其促进学术能力提升的因素，探析如何依托创新型航天专业竞赛培养研究生的学术能力。

一、空间轨道设计竞赛简介

空间轨道设计竞赛包括国际空间轨道设计竞赛（GTOC）和全国空间轨道设计竞赛（CTOC），主要面向航天机构和高校科技工作者及研究生，是具有航天工程任务背景的团体竞赛。该竞赛的初衷是征集复杂且尚未很好解决的航天任务问题的最优可行方案。GTOC由欧洲航天局先进概念组于2005年提议发起，CTOC则由清华大学航天航空学院和中国力学学会于2009年共同发起。每1～2年举办一届，每届竞赛的冠军团队将获得下一届竞赛的承办权和命题权。

截至目前，国内外空间轨道设计竞赛均已成功举办十届，第十一届全国空间轨道设计竞赛也即将开始。前十届全国空间轨道设计竞赛问题的主题依次为近地小行星取样返回、火星与多目标小行星探测、多目标多任务行星与小天体探测、多目标多任务小天体探测、近地小行星取样返回（甲题）/快速飞离太阳系（乙题）、不规则形状小行星表面巡游（甲题）/近地轨道卫星编队重构任务（乙题）、多目标太阳同步轨道空间碎片清除任务（甲题）/地面多目标点观测的卫星规划和调度任务（乙题）、地球静止轨道资源卫星编队监测任务（甲题）/地球低轨道卫星导航增强任务（乙题）和木星系内磁场及木卫科学探测[1]。前十届国际空间轨道设计竞赛问题的主题依次为小行星撞击、多目标小行星交会、多目标小行星取样返回、多目标小行星飞越与交会、多目标小行星撞击与交会、伽利略木卫巡游、多探测器主带小行星探测、三星编队宇宙射电源观测、多卫星清除空间碎片和人类银河系移民[1]。

随着比赛的举办，参赛团队越来越多，赛事的影响力也越来越大。CTOC从第一届的33支参赛队增到第十届的62支参赛队，GTOC中国参赛队从第一届的11个有效结果提升到第十届的40余个。来自包括清华大学、国防科技大学、中国科学院大学、哈尔滨工业大学、北京航空航天大学、南京航空航天大学、都灵理工大学、米兰理工大学、莫斯科国立大学、格拉斯哥大学、德州大学奥斯汀分校、密歇根安娜堡分校、科罗拉多大学波德分校等一大批国内外高校在内的研究生也参与到了空间轨道设计竞赛之中。

二、空间轨道设计竞赛促进学术能力提升的因素分析

空间轨道设计竞赛之所以能够有效地促进研究生提升学术能力，是因为该竞赛包含了许多对培养学术能力有益的因素。下面从六个方面给出具体的分析。

（一）竞赛问题具有前沿航天工程背景

不论是国内的全国空间轨道设计竞赛还是全球的国际空间轨道设计竞赛，其问题都具有非常浓厚的前沿航天工程任务背景。例如，GTOC2与美国发射的黎明号小行星探测器任务密切相关，GTOC8与天基引力波探测器任务密切相关，GTOC9与未来空间碎片清理任务相关，CTOC6与我国未来太阳系边际探测任务相关，CTOC7与未来小行星表面探测任务相关，GTOC6和CTOC10与未来木星系科学探测任务相关，等等。由于竞赛问题具有前沿航天工程背景这一特点，这类问题非常值得研究生开展学术研究，并且航天相关研究生参与竞赛可以有效地建立航天工程任务背景知识，学习前沿工程问题涉及的轨道设计技术。

（二）竞赛问题在学术上尚未解决

空间轨道设计竞赛需要解决一个轨道优化设计的问题，但是竞赛问题涉及的约束条件多，优化变量和指标复杂，求解空间十分庞大，相应的轨道优化问题求解非常困难。从学术上来说，现有的轨道优化理论和方法尚未解决竞赛涉及的全局轨道优化设计问题。近年来，仍不断有与竞赛问题相关的国内外学术论文发表，逐步推动轨道优化理论和方法的发展。因此，从学术研究的角度来说，空间轨道设计竞赛问题值得深入研究。依托空间轨道设计竞赛，可以很好地帮助学生寻找和发现学术方向。

（三）与本领域一流研究人员共同竞赛

随着竞赛的不断发展，国内外越来越多一流高校和科研机构的团队陆续参与进来。参赛人员中除了研究生之外，还有本领域一流的科学家、工程师和青年学者。例如，国际空间轨道设计竞赛的发起者欧空局先进概念组以及美国喷气推进实验室的研究人员和工程师就曾多次参与国际空间轨道设计竞赛。喷气推进实验室研究的探测器已经到达过太阳系所有的大行星，其轨道优化设计水平为世界顶尖水平。空间轨道竞赛为研究生提供了一个可以和本领域一流研究人员同台竞技的平台，可以激发他们研究并解决竞赛问题的热情和兴趣。

（四）紧迫的竞赛周期

国内外空间轨道设计竞赛时间大约为四周至两个月。由于需要求解极为复杂且前沿的竞赛问题，竞赛周期显得十分紧迫。这就要求参赛团队中的成员之间互相配合，分解竞赛问题，然后共同协作求解。因此，竞赛可以锻炼研究生在开展学术研究时所需的团队意识、信任和默契。

（五）客观的指标与严格的数据规范

空间轨道设计竞赛的评价指标是客观的，竞赛结果提交的数据也必须符合严格的数据格式规范及约束条件要求。对待实验数据时严谨的态度在学术研究中十分重要。空间轨道设计竞赛要求参赛者严谨地对待提交数据。为了保障提交结果的正确性，参赛者也需要对轨道数据进行检验。这就要求学生要掌握验证结果可靠性和合理性的能力。此外，通过空间轨道设计竞赛积累的轨道优化设计程序及检验程序，可以应用于研究生阶段后续涉及的轨道设计数值仿真实验中，保障数据的规范性。

（六）赛后丰富的竞赛研讨活动

到目前为止，每届竞赛结束之后都会由主办方举办一次竞赛研讨会。研讨会可能作为其他大型学术会议的一个分会，也可能单独举办。在竞赛研讨会上，受邀的各参赛团队将对竞赛中采用的新型轨道设计理论和方法进行介绍和交流，可以有效地拓展参会研究生的学术视野。此外，在国内外的许多学术会议上，也会有学者提交与空间轨道设计相关方法的研究论文并进行交流。除了研讨会与学术会议之外，许多研究方法也可以通过期刊论文进行有效的传播。例如，第九届全国空间轨道设计竞赛的多种优秀解法在航天领域著名期刊Acta Astronautica上发表。

三、依托空间轨道设计竞赛设计研究生学术能力培养策略

由于空间轨道设计竞赛具有许多促进学术能力提升的因素，依托空间轨道设计竞赛设计研究生学术能力培养策略具有可行性。下面给出笔者对于培养策略的思考及初步实施后的效果。

（一）培养策略

1.安排人员配置合理的研究生团队参赛。空间轨道设计竞赛是允许多人组队参赛的团队式竞赛，可以安排高年级研究生和低年级研究生同时参赛。高年级研究生具有一定的竞赛经验及较好的轨道设计能力，主要作为主力负责参赛，带领低年级学生前进。这样可以有效地保障竞赛问题的推进求解，帮助整个参赛团队提升竞赛问题相关领域的轨道设计能力。低年级研究生虽然轨道设计能力较弱，甚至经验为零，但是通过实践性很强的空间轨道设计竞赛，跟着高年级研究生一同解决问题，可以较快地入门空间轨道设计，快速地掌握轨道设计所需的编程能力。因此，安排人员配置合理的研究生团队参赛有利于实验室轨道方向研究生的梯队式培养。

2.竞赛过程中组织技术问题讨论。空间轨道设计竞赛问题都是极具挑战性的难题，在求解过程中容易遇到许多技术困难，甚至在看完题目之后可能完全没有思路。因此，在竞赛期间，导师可以多次组织技术问题讨论，缕清竞赛问题中的难点，尽快地帮助参赛研究生找到解决困难的核心点。这样对于避免陷入局部技术困难非常有益，也可以拓宽研究生的思路，帮助研究生更加深入地探索有效的竞赛问题求解新技术和新方法。

3.鼓励学生参与研讨会并撰写竞赛问题相关学术论文。赛后的竞赛研讨会对于进一步提升研究生的学术能力非常有益。导师可以鼓励学生参与研讨会并做学术报告，这对于整理求解思路和提炼创新点非常有益，研讨会过程中的学术研讨也可能碰撞出创新火花。针对竞赛问题提出的新技术或新方法，导师可以鼓励学生进一步写成学术论文进行投稿，将科技竞赛和学术论文研究建立直接密切的联系。

4.指导学生向与竞赛相关的方向继续深入开展科研。空间轨道设计竞赛可以作为培养研究生学术能力的起点和契机。由于空间轨道设计竞赛相关方向在学术上仍有许多尚未很好解决的问题，在竞赛锻炼之后可以进一步安排学生参加相关的科研项目，继续深入开展学术研究。而学生在竞赛中获得的轨道设计能力基础则有利于其继续在相关方向深入挖掘。

（二）效果评价与讨论

笔者所在团队在第九届全国空间轨道设计竞赛中组织了课题组多名研究生参赛，其中队长为二年级的研究生，年级最低的是已取得保研资格的准研究生。通过团队成员的互相配合，最终获得了甲组冠军的好成绩。在竞赛之后，四名轨道方向的研究生陆续硕转博，继续从事轨道设计与控制的相关研究。参与的相关科研项目包括国家和江苏省自然科学基金、航天相关院所开放基金、院所横向课题等。另外，这几名学生作为负责人也申请并获评了校级和江苏省的研究生科研创新项目。这些学生在竞赛之后的学习中展现出了优异的学术能力，在较好地完成科研项目内容的同时，还发表了多篇学术论文。以参加竞赛时的队长和年级最低的学生为例：队长在赛后以第一作者的身份在SCI期刊Acta Astronautica上发表了竞赛解法论文[4]，另外还发表了与轨道优化设计相关的SCI论文2篇[5，6]和中文期刊论文2篇[7，8];参赛时年级最低的学生目前已以第一作者的身份发表了与轨道优化设计相关的SCI论文1篇[9]和核心期刊論文1篇[ 10 ]，并在2019年中国宇航学会深空探测技术专业委员会学术年会中获得优秀学术论文奖。此外，课题组研究生作为论文主要共同作者在航天工程领域的顶刊Progress in Aerospace Sciences上发表了以空间轨道设计竞赛优化方法为主题的综述论文1篇。初步结果表明，依托空间轨道设计竞赛培养研究生的学术能力是可行的。

四、结语

空间轨道设计竞赛具有多种促进研究生学术能力提升的因素，可以为培养航天专业研究生学术能力提供有效途径。本文结合空间轨道设计竞赛的特点，给出了依托空间轨道设计竞赛设计研究生学术能力培养策略的初步思考。初步的实践结果表明，依托空间轨道设计竞赛培养研究生学术能力具有良好的效果。当然，如何依托创新型竞赛制定研究生学术能力培养策略工作需要不断深入探索和实践，从而总结出更为有效的培养策略。

参考文献

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[2]史耀媛，李昱良.学科竞赛在研究生培养中的作用及提效策略探析[J].研究生教育研究，2018（4）：52-55.

[3]黄柯鑫，张西林.科技竞赛对研究生綜合能力培养的影响研究[J].教育现代化，2019，6（1）：4-7.

[4]Yang B， Huang X， Yang H， et al. Problem A of 9th China trajectory optimization competition： Results found at NUAA[J].Acta Astronautica，2018（150）：182-192.

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[7]杨彬，杨洪伟，李爽，等.基于不同动力引力辅助模型的木星转移轨道设计[J].上海航天，2019（3）：54-60.

[8]杨彬，李爽，刘旭，等.高精度火星大气制动轨迹智能高效优化方法[J].中国科学：技术科学，2020，46（1）：79-92.

[9]Sun P， Yang H， Li S. Accessibility of near-Earth asteroids and main-belt asteroids in a gravity-assisted multi-target mission[J].Planetary and Space Science，2020（182）：104851.

[10]孙盼，杨洪伟，李爽.太阳帆轨迹间接优化技术收敛性分析[J].中国科学：物理学 力学 天文学，2019，49（8）：38-48.