空间仿生可变构智能感知网络技术

王陈亮，郭 康，朱玉凯，袁 源，余 翔，乔建忠，王晓军，郭 雷

(1.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191；2.鹏城实验室数学与理论部，深圳518055；3.北京航空航天大学宇航学院，北京100191；4.西北工业大学航天学院，西安710072)

0 引 言

空间感知网络是指以卫星集群为平台，具有广域时空信息获取和处理能力的感知系统。空间感知是保障空间安全的首要任务和重要发展方向，应用领域覆盖空间设施保障与维护、空间/地面重大目标动态监视和跟踪、空间/地面态势突变预警等。发展新型空间感知网络是新一轮空间竞争的焦点，也是航天强国建设的重要内容。

随着小卫星批量制造、火箭重复使用等技术的快速发展，卫星组网协同的成本日益降低。为抢占轨道和频谱资源，美国、英国、欧盟、俄罗斯、加拿大等陆续提出了星群计划[1]，其中规模最大、计划卫星数量最多的是美国太空探索技术公司(SpaceX)的“星链”计划。该计划预计发射4.2万颗卫星，具有高速率通信、高精度感知和态势灵活塑造等多方面用途，显示出广阔的军民两用前景。在中国，空间感知网络建设已经上升到国家战略高度，目前在研的主要有“鸿雁”星座、“虹云”工程、“行云”工程、“天象”星座等。其中，中国航天科技集团有限公司提出的“鸿雁”星座由300颗低轨卫星组成，可提供导航定位、应急救援和全天候通信等多种服务。2022年，中国国家航天局宣布，将打造“近地小行星防御系统”，未来几年内将针对小行星抵近观测、就近撞击、轨道改变等开展技术试验。

近年来，尽管国内外在包括星群在内的集群系统研究方面取得了长足的进展[2]，但现有集群系统针对干扰、突变、对抗态势的应对能力不足。从空间信息感知的需求角度，空间感知网络的智能性、自主性、适应性以及在“危险、极端、特殊、恶劣”(“危极特恶”)环境下的生存能力还有待提升。特别地，现有星群网络拓扑相对固定、感知范围和能力受限，信息获取手段单一，多源异质异构信息的融合能力不足。与此同时，新一代卫星的工作环境更为复杂，任务、环境、本体的未知因素增多，星群等复杂动态系统时常面临不确定、突变和博弈对抗态势[3]。一方面，卫星受到来自外部环境扰动、执行机构误差、结构振动、器部件退化、未建模动态、星间互干扰、载荷互干扰等客观因素影响；另一方面，对手极可能实施恶意接近、瞄准甚至撞击等主动行为，并可能施加恶意的网络攻击，带来虚假信息注入、通道阻塞、数据丢包等问题。在干扰对抗环境下，如何实现星群智能自主的空间目标/态势感知，如何提升星群的在“危极特恶”环境下的生存智能，是未来空间感知系统建设中需要解决的核心关键问题。

本文结合近年来科技发展趋势，从仿生智能的视角总结空间感知网络的国内外研究现状，围绕实现空间感知网络仿生智能功能和行为的目标，探讨了一些挑战性技术难题以及可能的解决思路，以推动未来我国空间智能感知网络技术的发展。

1 研究现状

1.1 星群拓扑设计与重构

星群拓扑设计是对星群几何构型参数的设计和优化，良好的拓扑设计可以提高星群感知能力，降低建设和维护成本。星群拓扑设计通常需要考虑感知任务需求和覆盖特性。例如，从任务需求方面考虑，文献[4]利用打靶法，提出了一种在全球范围内可实现任意位置限时重访的星群拓扑方案。从覆盖特性方面考虑，文献[5]结合模拟退火算法与等面积网格点覆盖法，针对不规则区域成像覆盖问题进行了星群拓扑优化设计。为解决中国难以全球部署卫星地面站的问题，文献[6]提出了一种双层星群构型，以分布式星群作为低轨卫星，利用高轨卫星增强中低纬地区覆盖性能，从而实现全球覆盖。卫星在轨运行时受到大气阻力、地球非球形引力、潮汐引力等多种干扰的影响，星间相对位置可能产生偏移，进而影响星群拓扑和感知能力。为此，文献[7]将多种长期摄动对星群整体产生的影响进行拟合，根据拟合结果设计了调整方案，可保证星群拓扑的稳定性。在空间感知网络的运行过程中，当任务发生改变或者部分卫星失效时，往往需要对星群拓扑进行重构。在少数卫星失效的情况下，可采取改变当前卫星运行轨道或者快速发射卫星的方法进行重构。文献[8]针对存在失效卫星的感知星群进行了重构方案研究，利用相位机动的方法对在轨卫星进行调整，对星群的空间拓扑进行重构，以达到修复星群的目的。文献[9]提出了一种基于多目标遗传算法的星群拓扑重构方法。文献[10]设计了一种基于改进多目标粒子群优化算法的星座重构方法，将一箭多星发射与在轨卫星相位机动两种策略相结合来重构受损星群。

现有空间感知网络拓扑结构存在的主要问题是构型相对固定、单一，“静有余而动不足”。为应对未来装备快速化、立体化、隐蔽化、集群化和智能化的发展趋势，从仿生和智能的角度来说，空间感知网络应该涵盖“眼、耳、脑、体、群”的动态协调，需要实现从“静星座”到仿生可变构“活星群”的转变。“活星群”具有“视听共融”功能异构的分布式设计和机动灵活的构型拓扑重构能力，实现感知节点的“眼珠”、“脖子”、“腰腹”和“腿脚”的机动，完成视听时空信息(包括光学、射电等异质信息)的同步获取与深度融合。

1.2 星间相对测量与信息融合

星间相对测量和信息融合是星群完成协同感知任务的重要前提。星间相对测量方法主要包括GPS相对测量、射频测量、激光测量、可见光视觉测量、红外测量等。文献[11]提出了一种基于多天线的星间GPS载波相位差分技术，解决了近距离交会对接等任务过程中航天器GPS天线相位中心造成的误差等问题。文献[12]采用基于时分多址的分布式广播协议和非对称双边双向测距方法，提高了射频测量系统的可拓展性，使之适用于星群编队任务。星间激光干涉测距精度高，但误差来源复杂。文献[13]分析了激光测距过程中的光学非线性等误差项，对噪声进行了分类和量化。文献[14]使用三台可见光相机布置成等边三角形来获取图像，并通过随机抽样一致性方法计算得到目标位置和姿态信息。红外测量技术只能获得角度信息而无法测量距离，因此通常与其他相对测量技术结合使用[15]。

信息融合旨在感知卫星本体、环境和目标信息，实现“看得清”，面对的主要问题还是干扰和对抗因素对信息获取的影响[16]，其中采用较多的滤波方法是卡尔曼滤波。针对视觉和惯导对空间目标进行相对导航的情形，文献[17]提出了一种相机和惯性测量单元外参数标定方法，同时使用扩展卡尔曼滤波进行信息融合。针对纯差分GPS在卫星相对导航性能上的不足，文献[18]结合星间自主射频测量传感器组成增强导航系统，并采用扩展卡尔曼滤波对相对位置和相对速度进行估计。文献[19]使用迭代扩展卡尔曼滤波器估计了非合作空间目标的相对位置和运动状态，可减小因线性化带来的误差。文献[20]提出了一种改进容积卡尔曼滤波算法，通过在线调整滤波增益提高了在可观性较差区段的估计性能。文献[21]利用激光雷达与罗盘获得卫星的空间位置以及卫星姿态和角速度数据，联合无迹卡尔曼滤波算法进行融合处理。

卡尔曼滤波的收敛性是建立在干扰满足高斯分布且统计特性精确已知的假设之上。然而，实际工程中的主客观干扰具有多来源、多类型、多通道特征，大部分是非高斯的。为克服卡尔曼滤波的高斯局限性，文献[22]提出了多源干扰系统复合干扰滤波方法，针对部分动态信息已知的干扰设计干扰观测器进行在线估计和前馈补偿，针对能量有界干扰设计鲁棒H2/H∞多目标优化滤波器进行抑制，进而实现多源干扰的同时抑制与补偿，显著提升了滤波器的精确性和鲁棒性。文献[23]针对更具一般性的状态空间模型，在随机量测缺失的情形下提出了基于干扰估计和补偿的滤波器设计方法，进一步完善了复合干扰滤波理论。

总之，在信息融合方面，现有星群的“视听”时空信息共融能力、感知与导航信息深度融合能力以及“本体—环境—目标”融合感知能力仍显不足，针对博弈对抗环境下的异常信号估计、预测和溯源能力也有待提升。

1.3 面向感知需求的单星自主机动控制

动态目标监视、跟踪等感知任务对卫星控制系统的精确性、自主性和可靠性提出了高要求，目标、环境、卫星本体的不确定性和多来源、多类型、多通道的干扰是主要制约因素。在卫星资源受限以及物理、信息、时空约束情形下如何实现卫星的快响应、高机动控制是一个挑战性问题。面向“危极特恶”环境下的空间感知需求，多种具有抗干扰能力的控制方法得到了深入研究。文献[24]考虑了修正罗德里格参数描述的卫星姿态控制问题，提出了一种非线性鲁棒H∞控制方法。文献[25]针对存在外部干扰与模型不确定性的卫星姿态系统，提出了一种自适应神经网络控制算法。就存在挠性附件的卫星姿态控制问题，文献[26]基于特征建模提出了一种智能自适应控制方法，可有效抑制姿态角和模态振动。文献[27]在高阶全驱系统的理论体系下，提出了一种最优姿态控制方法，可实现平滑稳定的姿态响应。

卫星的大帆板和天线使得挠性和质心不确定性增大。为进一步增强卫星控制系统的抗干扰机动能力，近年来干扰抵消控制方法成为一个研究热点。文献[28]考虑了卫星姿态控制系统中的参数变化与外部干扰因素，设计了自抗扰控制器；文献[29]利用干扰观测器来估计并补偿卫星的模型不确定性与外部干扰。传统自抗扰控制(Active disturbance rejection control,ADRC)方法与基于干扰观测器的控制(Disturbance observer-based control,DOBC)方法均针对单一干扰系统。针对多源干扰系统的复合分层抗干扰控制(Composite hierarchical anti-distur-bance control,CHADC)方法近年来引起了广泛关注[30-32]。在CHADC的理论架构下，文献[33]提出了一种具有DOBC前馈补偿环节和ADRC反馈控制环节的卫星强抗扰控制(Enhanced anti-disturbance control,EADC)方法，解决了卫星姿态控制系统挠性振动、惯量不确定性等多源干扰的表征、分离与解耦估计难题。文献[34]总结了复合抗干扰动态调节方法的新进展，可用于卫星姿态控制系统中多源干扰的消纳、补偿和抑制。

上述控制方法大多仅保证了“内部”状态的渐近稳定性，对于实时性要求较高的机动感知任务而言，卫星姿轨一体化的快速协调控制方法必不可少。有限时间控制具有收敛速度快、鲁棒性强等优势，可为卫星快速机动提供一种有效的控制手段。文献[35]提出了一种自适应有限时间控制方法，能够实现卫星大角度机动控制。文献[36]同时考虑了参数不确定性、外部干扰、执行机构饱和与故障，提出了一种光滑有限时间姿态控制算法。另一种常用的快速收敛算法是固定时间控制，具有收敛时间不依赖于系统初值的优势。针对模型不确定性与干扰影响下的卫星姿态控制问题，文献[37]提出了具有固定时间收敛特性的控制算法，提升了控制系统快速性和精确性。

总之，单星自主控制技术近年来取得了长足的发展，但现有成果对强耦合、多约束下卫星可控能力和控制性能量化分析不足，姿轨一体的机动控制方法有待深入研究。特别地，对于空间感知等复杂空间任务而言，仍然亟需在“感知—控制—数传”一体化的架构下，开展干扰对抗等突变、非理想、不确定环境下卫星快速机动对准和协调操控技术研究，赋予卫星“跟得快”、“对得准”、“躲得开”等任务能力。

1.4 感知星群分布式协同控制

感知星群分布式协同控制离不开星间通信和数据传输，星间通信链路可由有向图或无向图描述。星群的协同控制的目标是实现广域、广谱的信息感知，同时信息的丰富也为控制能力的提升提供了技术支持。文献[38]基于无向图提出了一种分布式姿态协同控制方法，文献[39]在有向图下设计了姿态协同控制方案。文献[40]基于非线性输出调节理论设计了分布式控制器，实现了惯量不确定星群姿态对期望姿态的渐近跟踪。文献[41]针对星群信息连续交互导致通信资源浪费的问题，提出了一种基于事件触发星间通信策略的姿态协同控制方法，降低了星间通信负担。文献[42]在有向图下提出了一种基于事件触发通信的抗干扰姿态协同控制方法，设计了非线性干扰观测器，实现了干扰精细估计和补偿，提升了控制精度。上述方法主要研究星群姿态协同控制问题，欠缺对于星群感知和控制乃至传输(感控传一体化)的协调设计。

文献[43]综合考虑星群姿态和轨道控制问题，提出了一种基于非线性干扰观测器的复合控制方法，可保证6自由度卫星实现期望的编队飞行。文献[44]在考虑计算效率和精度的情况下，设计了自抗扰姿态和轨道协同控制器。文献[45]针对分布式星群建立了姿轨耦合动力学模型，提出了一种基于事件触发通信的姿轨耦合滑模控制方法。文献[46]研究了卫星编队飞行的相对位置跟踪和姿态同步控制问题，设计了鲁棒自适应有限时间快速终端滑模控制器，在存在模型不确定性和外部干扰的情况下实现了编队飞行。

现有星群协同控制方法大多局限于固定拓扑，未充分考虑主被动干扰和时间(编队时间等)、空间(障碍物等)、物理(执行机构饱和、通道非匹配等)、能量(能量受限等)、信息(星间通信受限等)等多维度约束，以及约束下协调控制问题。此外，现有协同控制方法普遍将单星视为同质节点，未充分考虑单星的功能异构特征。从仿生的角度看，整个感知网络是一个整体，单星分布承担“眼、耳、脑”等异构功能。针对干扰博弈条件下的异构分布式感知星群高精度协同控制问题，仍需结合仿生技术开展感控传一体化的系统性研究工作。

2 趋势与展望

空间感知网络的发展趋势可总结为逐渐向智能性、自主性和适应性发展，道法自然而又超越自然，仿生技术已成为一个重要的研究思路。在干扰对抗环境下，空间感知网络的第一要务是生存。对于长时间能量信息等资源匮乏的空间感知网络，应该具有自隐、自耐和自生能力。自隐就是能够对威胁和攻击进行感知、预判、隐藏和规避，实现“明察秋毫、未雨绸缪”；自耐就是具备适应和调节的能力，能够对干扰和对抗“兵来将挡、水来土掩”；自生是指在突变和强不确定环境下能够学习与进化，实现“魔高一尺、道高一丈”。

在国内外现有研究成果的基础上，为实现干扰对抗环境下星群的仿生智能自主感知，以下关键技术领域值得深入探索。

2.1 可变构异构分布式仿生智能感知网络设计

从全天域、全天候、高动态目标感知的任务需求来说，空间感知网络应该是一个“眼、耳、脑、体、群”协同的仿生可变构“活网络”。然而，传统星群网络构型相对固定，异质异构信息融合能力不足。为此，亟需开展具有仿生意义的可变构异构分布式智能感知网络设计理论与方法研究，包括空间异构分布式星群拓扑组网与轨道设计技术、不确定态势下空间网络自主重构与拓扑生成技术、基于“空间云脑”的视听信息智能融合与理解技术等。该方面研究旨在设计具有自主任务切换、智能调度、机动灵活、生成重构、全域覆盖能力的可生成式空间异构分布式网络。从卫星平台技术看，大平台的分解、重构和协同能力也是未来的重要研究方向。例如，可使大卫星平台作为母系统，携带子卫星应对突发事件。

2.2 面向感知需求的单星自主机动对准和协调操控技术

突变/不确定空间态势感知、空间基础设施保障维护等感知任务对单星快速机动对准以及协调操控能力提出了迫切需求。然而，传统卫星难以胜任突变与不确定环境下智能自主感知需求，亟需实现从高稳定度“静卫星”到高动态机动对准“活卫星”的跨越。针对上述问题，需开展面向感知需求的单星自主机动对准和协调操控技术研究，包括非合作目标自限接近与跟瞄技术、博弈对抗环境下自学习与思维控制技术、不确定/突变/损伤情形下自主任务/控制重构技术、具有干扰消纳/补偿/抑制能力的精细抗干扰动态调节技术、“感知—控制—数传”一体化技术等，提升卫星快速接近、精准跟瞄等任务能力。

2.3 感知星群分布式高精度协同控制技术

空间态势感知必然要求星群拓扑可随任务/环境智能自适应变化，对协同控制精度要求极高。与此同时，空间感知网络是一个“时间—空间—物理—能量—信息”多维约束严重的系统。传统星群协同控制方法拓扑固定，难以适应动态拓扑和多维约束，难以事先指定跟踪精度。针对上述问题，需在复杂环境和动态拓扑下研究星群分布式高精度协同控制技术，包括不完备信息/攻击下星群分布式协同控制技术、多约束下指定性能姿轨耦合协同控制技术、异构星群分布式协同学习进化技术、协同测量与控制一体化技术等，提升分布式异构星群的自组织、自适应和自协同能力。

2.4 干扰对抗环境下空间感知网络生存智能技术

空间感知网络面临干扰、攻击、故障和多维约束，在不确定模式下较为脆弱。对于这样的无人系统来说，生存是第一要务。无人系统生存智能包含安全控制、绿色控制和免疫控制等要素。安全控制的主旨是在干扰、攻击、故障等极端环境下提升系统的安全性。从任务的角度来说，需要在干扰对抗情况下实现卫星内部算法的动态调节和任务重构，包括小回路异常检测、“信息获取—控制—执行”全回路动态优化等。绿色控制是指既要在干扰对抗的环境下生存，又要与环境和谐发展。传统控制方法在不同程度上类似于医学中的“过度医疗”；而绿色控制具有“省能”、“省时”、“省力”、“省心”等特点，在能量约束下可减少能量消耗，在探测时敏目标等感知任务中可缩短响应时间，在物理饱和等约束下可节约控制强度，在硬件存储、处理和计算能力受限情况下可降低计算负担。免疫控制要充分利用感知信息，识别和诊断有害信号，主动反制或规避对手的对抗行为。传统的群体智能研究侧重于基于一致性的方法论和系统论，而仿生智能感知网络基于可变构、功能异构分布式星群设计和安全、绿色、免疫控制等手段，旨在具备干扰对抗环境下强自主、强适应、强生存等智能行为能力，从而实现从方法论、系统论到行为论的跨越。

2.5 星群性能测试分析与评估技术

不确定性量化与测试评估对于预测和提升干扰对抗环境下的无人系统生存能力来说尤为重要，美国NASA和DARPA近年来开展了多项相关研究。为验证和评估控制方法的性能和仿生空间感知网络的生存智能，需开展星群性能测试分析和评估技术研究，其中的一个核心问题就是干扰和不确定性的精细量化。针对侦查、监视与跟踪等典型博弈对抗任务，搭建具有“干扰表征—方法设计—性能评估”三维拓扑结构的卫星控制性能测试分析与验证环境和一体化平台，开展多源干扰精细表征、因果分析、溯源分析、闭环量化分析，建立评估指标体系和评估模型。针对“危极特恶”环境和不同物理约束，在细微与极端模式下完成不同任务、不同工况、不同控制算法下的多性能指标测试，分析系统极限能力，实现“算法—软件—芯片—系统”一体化研究。

3 结束语

空间感知网络技术属于基础性、战略性、交叉性和前沿性的高新技术，仿生智能技术是空间感知网络研究中需要重点关注的内容。空间感知系统正处于需求迫切、蓬勃发展的机遇期，建议高校、科研院所、学术机构以及相关部门开展紧密合作，促进多学科交叉融合，使理论研究与工程应用紧密结合，建设具有强自主、强适应和强生存能力的仿生空间智能感知网络。相关技术还可向其他集群系统推广应用，建设天/空/地/海/潜一体化、可变构、分布式异构协同感知网络。