航天器智能自主控制研究的回顾与展望*

吴宏鑫，胡 军，解永春

(北京控制工程研究所，北京100190)

航天器智能自主控制研究的回顾与展望*

吴宏鑫，胡 军，解永春

(北京控制工程研究所，北京100190)

航天器智能自主控制是一项极其庞大复杂的工程，本文首先回顾国内外航天器智能自主控制的研究现状和北京控制工程研究所近30年来在此领域所取得的成就.接着重点阐述航天器智能自主控制进一步研究的具体内容:航天器自主导航;航天器智能自适应控制的理论和方法;故障自主诊断和重构;信息智能自主管理等.最后论述航天器智能自主控制的发展目标和总体规划.

智能自主控制;航天器;自适应

0 引 言

从1957年10月4日苏联发射第一颗人造地球卫星至今，已有6600多颗航天器被送入太空，航天技术经历了从试验到应用，航天器结构从简单构型向大型复杂结构和小型微型化发展;航天器的任务从任务单一到任务多样;从单星飞行到多星或编队飞行.航天器控制技术也正由需地面站支持的经典PID控制和相平面控制向着无需人干预和地面站支持的智能自主控制发展.

1 基本概念

本文所述航天器涵盖人造地球卫星、载人飞船、空间站、深空探测器(包括月球和行星探测车)以及空间机器人等.

航天器智能自主控制是在航天器控制系统中引入人工智能与智能控制技术使航天器在不确定环境中以及内部结构和参数变化时，能不依靠人的帮助和不依赖地面站的支持，完全依靠航天器上软硬件设备自身的能力实现航天器自主运行.自主运行是目的，而智能控制与其他各种控制方法是实现航天器自主运行的手段.

一般意义上讲，航天器智能自主控制的研究应包括:

(1)单航天器本身为实现自主运行而进行的智能自主控制理论方法研究;

(2)多个航天器的协调、规划、编队飞行、全天时多方位交会对接的理论和方法研究;

(3)航天器在轨操作、组装、拆卸、管理和生产试验研究;

(4)空间机器人、星球表面巡视器自主控制;

(5)航天器故障自主诊断与重构的理论和方法研究;

(6)航天器信息的智能化管理的研究.

杨嘉墀院士在1995年世界IFAC大会上指出:“由于传统控制技术在空间飞行器姿态和轨道控制方面存在的问题，各空间国家十多年前就发展智能自主控制技术，对中国来说，发展这项技术更有其必要性”［1］.

1)航天器高性能与强适应性的需求

智能自主控制由于具有自学习、自适应和自组织能力，变结构、变参数的航天器在空间环境具有大范围不可预见变化的情况下，更容易实时实现高精度、高稳定度和快速机动控制的要求.

2)长期可靠运行的需求

复杂航天器是由大量元器件和软件组成，在长期运行中，元器件故障和软件不完善很难避免，为解决此问题，除提高硬件可靠性要求和加强软件完善性设计外，必须增强航天器自主故障诊断和容错控制的能力.

3)在轨运行航天器数量不断增加，多星组网、编队飞行需要智能自主控制

当在轨运行的卫星数量增加，尤其是大量小型微型卫星入轨后需自主协调、组网和编队飞行时，靠地面站支持不但增加人力、物力的负担，而且很难实现实时有效控制.

4)国防安全和全球弧段控制

具有自主控制能力的卫星可使航天系统在地面站被破坏后继续为战争提供无缝支持，保证航天系统活动正常进行.特别是中国不能在全球范围内建立地面站，具有智能自主控制能力的卫星在不可控弧段具备轨道与姿态的自主控制能力，为完成预定任务创造条件.

5)航天器深空探测在关键性、短时间的一次性飞行过程(如返回着陆)中，必须具备自主飞行能力.

对于上述的要求，传统控制遇到了困难，必须发展智能自主控制技术.

2 国内外研究现状回顾

1971年美国人付京孙［2］首次正式提出“智能控制”这个学科，论文中列举了3种智能控制系统，第三种就是智能自主控制，1994年Autsaklis［3］给出智能控制的正式定义.

在20世纪80年代，美国政府就开始制定了一系列发展航天器智能自主控制的政策，明确要实现“卫星自主化”.面对航空航天新的挑战，重点发展和可能取得突破进展的主要技术即为高度自主智能控制技术.根据有关报道，航天器智能自主控制技术已经在国外很多飞行任务中得到不同程度的应用.NASA于1998年发射的深空一号远程智能体实验中，首次将智能技术应用于航天器控制并进行飞行验证;NASA于1998年发射的Techsat21所采用的分布式决策系统是其关键技术，包含多项智能技术和自主机器人架构，多机器人多协调、规划和任务制定实施，机器学习、故障检测和诊断等.NASA于2000年发射了EO-1，用于对卫星本体和遥感器的新技术验证.NASA于2005年4月进行的XSS-Ⅱ飞行试验以及2007年进行的轨道快车在轨飞行演示中采用了自主交会对接的制导、导航与控制系统等.美国导航星座GPS Block-ⅡR卫星不依赖地面站支持可自主运行180天，2004年发射的勇气号火星探测器、在自主运行7个月行程4.85亿公里后安全登陆火星.日本ETS-Ⅶ飞行试验进行了自主交会等应用.

最近美国NASA提出的挑战性领域的攻关课题之一是智能和自适应系统.采用智能和自适应系统可明显改善飞行器的性能和鲁棒性，在自主控制方面提出智能自主控制、智能材料、智能结构、智能飞机技术等.

在中国，从1986年开始，在杨嘉墀院士和屠善澄院士指导下，确定了航天器智能自主控制总的研究方向，拟定三步走研究计划.第一步，研究自适应和智能控制的基本概念、基础性理论和方法;第二步，突破关键技术;第三步，开展航天器智能自主控制总体研究.在航天工业总公司支持下，从1991年实施“八五”和“九五”重点项目，开始智能控制和自适应控制研究，通过10年的研究提出:①建立知识库和运行库的方法［4-5］;②建立复杂航天器对象特征模型的理论和方法;③黄金分割自适应控制、逻辑积分、逻辑微分等智能与自适应相结合的控制器设计新方法.特别是提出了基于特征模型的全系数自适应控制方法.在上述准备之后，于2001年启动了关于智能自主控制总体如下几个主要方面的理论与应用研究:

(1)自主导航

经过10年研究，北京控制工程研究所在深空探测器自主导航领域提出了惯性/星光组合导航技术和基于光学成像测量的深空探测自主导航及地面验证技术，并于2014年获得国家发明二等奖;2013年，嫦娥三号软着陆探测器首次实现了利用在轨图像的地外天体软着陆自主避障.针对地球轨道卫星，研究了一种天文自主导航方法并在某卫星上首飞试验成功.

(2)卫星姿态轨道控制

2001年国家自然科学基金重点项目与2006年开始的重点项目研究了智能自主控制技术，并于2013年获国家发明二等奖.历经30年的理论方法研究取得了一系列成果同时，在应用方面取得了神舟一号到神舟十号载人飞船返回再入自适应控制的成功应用，在同类飞船的条件下，连续10艘飞船返回开伞点精度均在10km左右，属世界最高水平;取得了基于特征模型的黄金分割自适应交会对接的精准控制的世界先进水平;取得了基于一阶特征模型的嫦娥五号试验飞行器跳跃式自适应返回控制，开伞精度达世界领先水平.

(3)故障诊断

从2011年开始，北京控制工程研究所启动了重点项目等多项研究工作并取得了一定成果.

3 航天器智能自主控制进一步研究的主要内容

鉴于航天器智能自主控制内容多、涉及面广、难度大，是一项巨大的复杂的系统工程，很难在一篇文章中叙述清楚，本文仅针对卫星、载人航天、深空探测、空间机器人和星球表面探测器等领域中有关航天器智能自主控制的4个方面的理论和方法作简单的讨论:航天器自主导航;航天器姿态轨道的智能自适应控制;航天器自主故障诊断与重构;航天器信息智能自主管理.

3.1 航天器自主导航

航天器导航一般分为自主导航和非自主导航两大类，本文仅介绍自主导航需研究的一些问题.

航天器自主导航就是依靠航天器本身的软硬件设备，在空间飞行时，能自主确定自己在空间的位置、速度和姿态，提供卫星轨道和姿态控制信息，自主导航是航天器能否实现智能自主控制和高性能自主飞行的先决条件.

根据航天器运行轨道不同将自主导航分为两类:深空探测自主导航和地球轨道自主导航.

(1)深空探测器自主导航［6-7］

深空探测器飞行距离远、时间长，环境未知性强，传统依靠地面测控站的航天器导航与控制方法，实时性、精度、成本和资源均受限，存在不足，深空探测器自主导航技术是保证深空探测器安全生存的重要方法，就目前情况看，它可作为地面测控的重要补充和备份，而且一些特殊任务深空探测器自主导航尤为重要.

深空探测器的自主导航系统有天文导航、惯性导航和图像导航组成，常用的观测量有观测天体信息、图像信息及其他信息等，常用的敏感器有天体敏感器、图像敏感器、测距、测速和测角敏感器、惯性敏感器等.

当前深空探测自主导航主要由光学成像敏感器作为测量的主要手段［5］.测量对象为恒星、近天体和小行星等.目前已有部分成果即接近目标最后阶段的自主导航，离全程自主导航还相差甚远.

未来新体制自主导航有可能是基于X射线脉冲星自主导航［8］，从2005年开始，北京控制工程研究所展开深入研究并进行仿真试验.

迄今为止还没有一项深空探测任务实现能完全不依赖地面测控站的全自主导航和自主控制.

基于光学成像测量的深空探测器自主导航提高精度的关键难题是目标天体中心的高精度提取.

(2)地球轨道航天器自主导航

对于地球轨道航天器来说，“红外地球敏感器+星敏感器”是一种比较容易实现的天文导航方法，基于这两种敏感器的测量，可以计算出恒星方向与地面方向之间的夹角以及地心距离，进一步使用现代估计理论就可以确定航天器轨道.在这方面我国已取得一定成果，但总的看来精度不是很高，而根本的问题仍是地心方向和位置的精确确定.

新的自主导航方法也正在探索之中，难度很大.

3.2 航天器智能自适应控制的理论和方法

航天器具有轻质、挠性多体空间结构、液体晃动、燃料消耗和质量变化等特点，在运行中，由于任务要求、环境变化又呈现出变结构变系数(参数)的特点.这些特点使被控对象呈现为时变、不确定性、非线性分布参数、高阶多变量耦合等动力学特性，从而很难建立精确的数学模型.

除上述对象特点外，航天器控制任务要求又很高，包括:①实现航天器高精度、高稳定度快速机动的姿态轨道控制以及有效载荷的指向与形状控制，②实现无地面站和人为支持下自主、可靠、长寿命运行;③应急救生控制是载人航天控制的又一重要要求，从控制角度看，其开始状态不可事先确定，而逃逸最终降落地点必须是人为指定的可救地区，这就必须要将人工智能技术与控制技术结合实现应急救生;④星群、星座和航天器编队飞行要求自主协调控制;⑤全天时全方位安全空间交会对接和撤离;⑥深空探测飞行过程中各飞行阶段不同要求的切换与控制.

针对复杂航天器高性能姿态轨道自主飞行控制的要求，仅靠传统的控制理论和方法是很难满足要求.根据我们团队近30年的研究结果［4-5，9-11］，可以说必须研究智能自适应控制.

(1)理论方法［9］

自适应控制理论的基本点是当对象结构和参数发生变化时，控制器结构和参数能适应其变化并保持控制性能不变，然而自适应控制的真正应用还存在很多问题.

智能控制理论的基本点是控制系统本身具有人的智能特点，系统具有:1)自学习自适应自组织能力，包括人的经验，2)组织规划分析推理和决策能力，3)对大量数据进行定性和定量，模糊与精确的处理能力，4)系统故障处理和重构能力，包括欠驱动控制.然而智能控制缺乏数学工具，系统性能分析、设计理论和稳定性证明均存在问题.

智能控制的主要任务有:解决传统控制难以对付的复杂对象的高性能控制和保证航天器自主运行.

所以今后应更进一步研究智能自适应控制具体理论和方法，特别是:①自学习能力和自适应能力;②如何将人的智能引入控制系统中，人的智能描述方法;③大系统分层次决策推理、自主规划的控制系统设计方法，以实现高性能自主飞行控制;④基于计算机仿真平台的控制系统性能分析及闭环系统的稳定性证明.智能自适应控制系统复杂、连续、离散、线性、非线性等混合，已有稳定性理论和李亚普诺夫稳定性证明就很困难，而利用计算机仿真能力进行全系统闭环稳定性证明和性能分析已取得了可喜应用成果，下一步要进一步从理论上进行以计算机为平台的稳定性证明;⑤工程实际中有用的新的控制理论和方法;⑥智能控制的新数学工具，系统可行性和目标可达性.

自学习与自适应有相同之处也有不同之处:自学习是靠多次运行出现的问题，分析思考提出新知识、新的控制方法、新的修改意见.学习方式有在线和离线、现场与历史知识相结合的学习.而自适应控制是在运行中按规定数学运算，即时实现参数修改.自适应控制都有个别或多个参数需要人为调试确定.

因此，通过自学习方法修改控制决策的被控对象应属于长时间运行或可重复运行的系统，如果是一次过程以后再不出现，这就是无法实现在线学习，只能以自适应来代替学习了.

自学习要有知识库，人每次通过学习记在脑中，机器存入存储装置，其知识包括学习的理论知识、实践经验知识、运行的各种现象记录分析、各种调试结果的记录以及适时获取的各种信息.根据这些知识积累，在遇到新问题时，通过分析推理机构决策、拟定采取的新措施并在实验中验证措施的好坏，再修改.

从本质上讲，计算机学习就是从大量数据中创造出新的知识，如GPS就是计算机根据地图知识和GPS接收的各种信息(数据)产生新知识，即自动为人们寻找引导到目的地的最优路线［12］.

(2)智能自主控制系统结构与总体设计的关键技术［5］

1)集散型:集中管理，分散控制;

2)多层型:一般分三层结构:最高级、中间级和执行级.最高级承担总体任务规划，分层管理和智能决策;中间级服从最高级管理并负责系统状态特征辨别、分析判断、逻辑推理和记录，负责协调调试组织各种控制策略，负责对各种故障分析处理;执行级负责获取信息，具体执行各种自适应鲁棒控制策略;

3)人工智能技术与传统控制结合型:已有传统控制在航天控制中具有极其重要的地位和作用，是长期积累的宝贵财富，研究新型智能自适应控制必须吸收其精华部分，如航天器姿态控制中常用的PID加结构滤波器的方法，特别是结构滤波器，智能自适应控制不能取消，而是利用该技术的优点在其基础上前进.

3.3 故障自主诊断和重构

故障自主诊断和重构是保证航天器长期可靠运行的重要措施，研究内容很多，除各部件本身可靠性及其状态检测外，尤其要深入研究以下两个方面内容:

(1)闭环系统故障诊断

整个闭环系统故障诊断，特别是故障在系统内部的传播和扩展，使得一些故障出现后很难判断;

(2)未预料故障的处理

可预料故障出现已有解决办法，但未预料事件出现应对策略尚未研究，作为高级智能控制，必须具备临场故障处理与决策能力.

3.4 信息智能自主管理

航天器自主运行的信息必须天地信息联系，航天器信息的智能自主管理应包含星上自主运行和地面信息自主支持两方面.对于控制系统而言，星上自主运行主要解决实时控制问题，保证卫星在轨自主完成规定的任务;地面自主支持指的是通过地面自主支持软件和遥测遥控手段，对航天器实时实施在轨运行任务指令，并对航天器在轨运行情况进行监视.随着星载计算机功能与性能日益强大，原先在地面进行的事可通过传输到航天器上去做.

为保证航天器自主运行，整个航天器在太空运行中有各种信息的获取、传输、处理和应用，即使固定地面站被毁，整个信息系统本身有自主工作的能力.

4 目标与规划

航天器智能自主控制总的目标是:1)航天器在不确定或不确知环境下在无人帮助和地面站支撑下，能保证其高精度高可靠平稳自主运行;2)当在轨环境或航天器内部发生变化或出现故障时能根据变化特征自主修改控制器以适应其变化;3)当航天器运行过程中遇到某些事先未预料的情况时，能有临场决策能力.

航天器智能自主控制是一项极其庞大复杂艰巨的工程，必须综合考虑逐步突破且有计划地向前推进，第三步开始航天器智能自主控制总体研究，按运行的水平将总体研究分为3个台阶规划，即:初级智能自主控制、中级智能自主控制和高级智能自主控制.

(1)初级智能自主控制

在自主导航方面，基于传统地球敏感器和星敏感器相结合技术，对地球轨道运行的航天器具有一般精度的自主导航能力，少数情况用地面站支持，建立的深空探测网和基于光学成像敏感器相结合的自主导航系统.深空探测以地面测控网为主，自主导航辅助.

在控制器方面:在传统控制理论基础上引入人的智能和智能控制技术，建立特征模型，能在线自动修改控制器参数.基于逻辑微分、逻辑积分、黄金分割等控制方法实现初级智能自适应控制.

在故障诊断方面:建立星地平行的故障诊断方法，对航天器内部主要部件故障自动检查和重构，包括欠驱动控制，对出现预料的故障进行处理.

(2)中级智能自主控制

在自主导航方面:对于高轨道地球卫星，不依赖地面站，能自主导航运行180天以上，深空探测以自主导航为主，地面测控网为辅助.

在控制方面:具有综合调度、多目标协调管理能力.新型的智能自适应相结合的控制方法具有自学习能力，具有一定轨道的知识库和经验库，引入人的智能，能在轨改变控制结构和参数，特别是具有快变参数自适应能力，初步建立以计算机为平台的系统稳定性证明和性能分析.

在故障诊断方面:对闭环运行中已预想故障的处理能力，以星上为主的重构能力，能同时在地面与星上并行，进行故障诊断与处理.

(3)高级智能自主控制

在自主导航方面，不依赖地面站的自主运行，高精度自主确定航天器的轨道和运行速度.

在控制方面:引入人的智能，具有在线自学习自适应的控制能力，有对付快时变的自适应能力和对付一定范围的不确定性事件的智能控制能力，具有很大的知识库、多种控制策略、高中底层分层结合控制，是一种集散型和多层次的控制系统结构，具有完善的基于计算机平台的稳定性和性能分析能力.

在故障诊断方面:具有事先未预料故障临场处理和决策能力，对某些故障具有自修复再生成能力.

大体按上述3个不同水平的阶段有计划进行研究，最终实现航天器全自主运行，并具有自主的攻防能力.

5 理论方法、技术与飞行工程

智能自主控制一般根据任务和技术发展需求，从航天器自主运行遇到困难问题入手寻找可行的理论和方法，并进行仿真、试验和实验验证.

研究智能自主控制理论，加强新数学工具，系统目标的可达性和工程可实现性等研究.

要进一步研究关键技术问题，最后还要深入进行系统优化结构和具有智能特性部件的实现研究.

在上述过程之后还要进行物理仿真和飞行试验验证.

总之，技术和工程实现是一个全过程，过程是反复的、多次的.

6 结 论

本文是整个智能自主控制技术的一个初步设想和展望，必须全体从事本领域工作的人员长期共同努力，持之以恒艰苦奋斗，不断发现问题、解决问题，不断总结提炼，不断试验，不断飞行验证.

本文在形成过程中除所引参考文献外，还有北京控制工程研究所的王大轶、何英姿、魏春岭、雷拥军、熊凯、刘成瑞和郭建新等提供的报告，在此一并表示感谢.

［1］杨嘉墀.中国空间计划中智能自主控制技术的发展［C］//International Conference in Intelligence Autonomous Control in Aerospace.Beijing China:IFAC，1995.

［2］Fu K S.Learning control systems and intelligent control systems:an intersection of artificial intelligent and automatic control［J］.IEEE Trans on AC，1971(1691): 70-72.

［3］Autsaklis P J.Defining intelligent control［J］.IEEE Control Systems，1994，114(3):4.

［4］吴宏鑫.全系数自适应控制理论及其应用［M］.北京:国防工业出版社，北京，1990.

［5］吴宏鑫，胡军，解永春.基于特征模型的智能自适应控制［M］.北京:中国科学技术出版社，2009.

［6］吴伟仁，王大轶，宁晓林.深空探测器自主导航原理与技术［M］.北京:中国宇航出版社，2011.

［7］王大轶，黄翔宇，魏春岭.基于光学成像测量的深空探测自主控制原理与技术［M］.北京:中国宇航出版社，2012.

［8］帅平，李明，陈绍新，黄震.X射线脉冲星导航系统原理与方法［M］.北京:中国宇航出版社，2009.

［9］吴宏鑫.工程实际中的控制理论和方法的研究与展望［J］.控制理论与应用，2014，31(12):1626-1631 WU H X.Research and prospect on the control theory and method in the engineering［J］.Control Theory＆Applications，2014，31(12):1626-1631

［10］胡军，张钊.载人登月飞行器高速返回再入制导技术研究［J］.控制理论与应用，2014，31(12):1678-1685 HU J，ZHANG Z.A study on the reentry guidance for a manned lunar return vehicle［J］.Control Theory＆Applications，2014，31(12):1678-1685

［11］吴宏鑫，谈树萍.航天器控制的现状与未来［J］.空间控制技术与应用，2012，38(5):1-7.WU H X，TAN S P.Spacecraft control:present and future［J］.Aerospace Control and Application，2012，38 (5):1-7.

［12］约瑟夫.巴科恩，大卫.汉森著.机器人革命［M］//潘俊译.即将到来的机器人时代.北京:机械工业出版社，2015.

Spacecraft Intelligent Autonomous Control:Past，Present and Future

WU Hongxin，HU Jun，XIE Yongchun
(Beijing Institute of Control Engineering，Beijing 100190，China)

The spacecraft intelligent autonomous control(SIAC)is a complex and difficult problem.At first，the international recent advances in SIAC are reviewed.Beijing Institute of Control Engineering has obtained a series of results in this field during the past thirty years.However，there still exist many matters in SIAC needed to be studied further，including spacecraft autonomous navigation，the theory and method of SIAC，fault autonomous diagnosis and reconstruction，information autonomous management，and so on.At last，the development objective and the general planning of SIAC are presented.

intelligent autonomous control;spacecraft;adaptive

V448

:A

:1674-1579(2016)01-0001-06

10.3969/j.issn.1674-1579.2016.01.001

吴宏鑫(1939—)，男，中国科学院院士，研究方向为航天器自适应控制;胡 军(1963—)，男，研究员，研究方向为航天器制导导航与控制;解永春(1966—)，女，研究员，研究方向为航天器制导导航与控制.

本文是根据2015年中国自动化学会大会报告整理修改而成.

*国家自然科学基金资助项目(61333008)和国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2013CB733100).

2014-12-22