坏了可以自动修？航天器自主运行的秘密|前沿扫描

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王大轶2023年12月15日约 9 分钟

本文根据中国科学院学部开展的“科学与技术前沿论坛”第122次会议内容编辑

原标题：航天器自主运行技术——基于系统能力的表征、判定和量化

日期：2021年9月

专家介绍

王大轶

研究员，北京空间飞行器总体设计部副部长。

尊敬的各位院士，大家下午好，我汇报的题目是航天器自主运行技术，解决这个问题的基本思路是从数学方面基于系统能力进行表征、判定和量化，实现整个航天器的自主运行。

自主运行技术现状需求

很多人可能认为，航天器距离地球很远，应该是早已实现了纯粹的自主运行。事实上，很多的近地卫星和航天器，主要是依靠地面站来进行运行方式的指导跟监控。21世纪初，我国大力发展月球探测，为了完成以月球探测为主的深空探测任务，对我们提出了发展航天器自主运行技术的需求。尤其是像“嫦娥”3号、4号、5号等要执行月球软着陆任务的航天器，必须要靠航天器自主运行才能够完成任务。（从“嫦娥一号”到“嫦娥五号”的探月之路）

航天器自主运行涉及到的功能有很多方面，例如自主任务规划和自主制导控制、自主导航和自主诊断重构等。因为自主导航与自主诊断重构这两个方面是我们迫切需要补齐的短板，所以我们集中精力开展了研究，今天的汇报中也选取了这两个功能。自主导航的目的是确定航天器的位置跟速度，自主诊断重构的目的是确定航天器的健康状态。

一般情况下，这两类技术问题的研究思路是从它们各自的算法入手，分别是导航滤波算法和诊断重构算法。然而算法本身是非常复杂的，其演变也愈发复杂。或许从功能系统上看可以满足相关的指标要求，但是它带来一个非常核心的问题——算法算力占用特别多，资源开销也特别大，这种资源负担与航天器研究中最痛苦的“先天不足”——资源受限发生了严重的矛盾。

因此很多漂亮的算法在实际应用时，与我们要实现的自主导航、自主诊断重构中的“自主”产生了根本矛盾。这也说明了，航天器这类对象，真正实现万事自主确实有一些问题。相对于地面来说，航天器上搭载的各项能力特别弱，比如在导航方面，地面有大型天线，可以进行高精度的卫星轨道测定，还有巨型计算机，可以进行高精度的轨道动力学预报。

因此航天器无论什么时候、需要多高精度的位置与速度，地面都可以随时通过上行指令传输。但是航天器上并没有这些设备可用。如果卫星出现了问题，可以通过下行数据传给地面，地面的巨型计算机可以进行比较完善的故障诊断。航天器资源受限，是我们实现自主运行目标的主要约束。

但如前所述，自主运行是深空探测任务所必需的，因此一定要实现。我们有一个发自灵魂的拷问：能不能把这么弱的能力从数学上衡量出来？如果我知道这个能力有多弱，与能实现自主的标准进行比较，是否可以把能力给它补齐到最低限度。也就是说，要想让航天器实现自主选择、判断与决策，它本身必须有一定程度的能力。

那么到底有多少能力才能实现这一目标，我们需要有合适的、客观的数学依据与标准。这样一来，就能够在一定程度上调和“航天器能力不足”与“自主运行需要一定的能力”之间的矛盾。为实现这一目标，我们需要把自主导航与自主诊断从理论方面进行重构与完善。

航天器自主导航技术

首先是自主导航方面。一般认为，航天器是欠观测的系统。当然，学术界普遍认为任何系统都是欠观测的，但是航天器的欠观测状态跟别的系统有些不大一样。航天器要执行自主导航任务，要配备的敏感器包括三类：光学相机、激光雷达、微波雷达。看起来数据来源很多，种类也很丰富，但是要执行相关的一些自主导航任务时，比如“嫦娥号”月球软着陆任务，既没有先验的信息，也没有足够的计算能力。有效敏感器少，有效数据量少，可处理信息少，是航天器欠观测的主要状态。

因此我们要引入最好的敏感器和最好的数据测量段。这个工作如果成功，之后的导航滤波算法可以极大简化，从能获得的有限测量数据中，挑出最有用的数据，再去规划整个自主导航的过程。至此，思路又回到刚刚描述过的问题：怎么把这个航天器的观测能力表征、判定、量化出来。

对系统的观测能力的标准、判定、量化的理论是有的。现代控制理论的创始人、美国的卡尔曼教授在《现代控制理论》这本书里面有严密的理论推导，对于线性定常系统，可以通过构建可观测性矩阵、通过判定矩阵的秩的条件来量化线性系统是否具有观测能力、观测能力多大。

之后他又把这个结论推广到了非线性系统，认为只要通过求解高阶偏微分方程的办法，同样可以构建一个非线性系统的可观测性矩阵，但求解起来特别复杂，在地面算都极其困难，因此自主导航系统的分析与设计在航天器上更加无法计算。

我们课题组发现，航天器的状态方程是有限的二阶系统。对于这样一个二阶系统来说，其高阶的可观阶矩阵和一个六维的共有子空间是等价的，之后又发现，如果测量信息包括角度信息，那么可以把六维的共有子空间中的状态无关量与观测无关量消掉，简化成一个简单的一维表达式。

一般用矩阵的迹来描绘系统的观测能力。通过一维表达式可求出可观测矩阵迹的下界，并且证明了迹的下界是存在的。因此，我们得到了器上可运行的可观测能力的计算公式，总结起来的话就是三个部分：把可观测能力表征、判定、量化，在卡尔曼滤波的可观测理论基础之上，针对航天器这一类二阶系统，我们得到了工程上实用的结论。我们用两个维度去刻画，第一个是定性判断整个系统有没有可观测能力，第二是将这种能力通过非常简单的解析表达式，直接计算出来。

例如在“嫦娥”3号、4号、5号飞船进行月球软着陆任务时，有两种备选的敏感器——微波雷达、激光雷达。设计之初是建议使用微波雷达，在实际应用时出现了一些信号有效性不足的问题。在应用了我们的判别方程之后，从航天器数据判别情况来看，发现激光雷达的精度对可观测能力提高的贡献率比微波雷达要好。因此，最终还是决定选择激光雷达作为主敏感器，并且最终实现了自主导航控制软着陆的过程。

航天器自助诊断重构技术

我们知道，航天器不易维修、资源受限，在这一背景下，我们想办法把观测、诊断与重构的能力从航天器上量化出来。不同于自主导航的动力学模型，可诊断、可重构能力的模型构建非常困难，一度遇到很大的问题。

我们用到了两个数学假设，首先，航天器的资源包络是有界的，这很容易理解；其次，航天器的故障集合是有界的。因为，虽然航天器经过几十年的发展变得精细了很多，但是其主要的功能与系统没有太大变化。通过我们的统计，航天器控制系统主要的控制模式约有130种到140种。在这两个数学假设基础之上，我们把相关的理论进行了重新的梳理。

首先是航天器的可诊断性的理论方法，我们也是走了三步，建模表征、定性判定与定量量化。我们得到了一个很好的解析表达式，来衡量一个系统的可诊断能力，我们称之为可诊断度，同样，我们也初步构建了可重构性理论，得到了一个衡量系统重构能力的指标体系，我们将其称为可重构度。

这两个指标体系的用途很大。首先，用这两个指标体系，可以在资源一定的情况下反映出能够形成诊断和成功的能力多大，就可以在系统设计之初，将理论上能够形成的最大诊断成功能力固定下来。第二，既然有解析表达式来计算系统的诊断成功能力，那么就可以实时监测在轨系统的健康状态，如果健康状态出现问题，线上就可以自主启动诊断重构。总而言之，在前期设计阶段固化系统的最大诊断重构能力，在轨运行阶段中可以保持系统的最佳健康状态，这就是我们通过可诊断性可重构性理论得到的诊断和重构两个指标体系最大的用途。

其次，在得到这两个指标体系之后，我们发现之前在卫星系统设计时存在一些问题。我们发现，有很多因素对这两个指标体系发挥着同样的作用，比如说时间特性、配置和构型等，这些因素在系统正常与故障时都有非常大的作用。因此从前的诊断重构割裂设计——正常模式跟故障模式分开设计是不对的，必须要一体化精心设计。我们通过关联机理模型找到了正常与故障的关联机理，通过关联机理，我们提出了优化方法，实现了整个的系统正常模式与故障模式的一体化设计。

第三，根据一体化设计的理念，我们又找到了时空演化的模型与诊断跟重构的一体化设计互相影响的机理，实现系统诊断重构的动态最优，并且反过来也可以指导故障诊断与系统重构的一体化设计。

以上三项成果在优化设计中发挥了很大作用。例如，“北斗”2号卫星配了2组8个陀螺，通过我们可诊断、可重构设计，发现陀螺仪的数量并不是制约诊断成功能力的薄弱环节，因此其数量存在进一步压缩的可能。于是，“北斗”3号卫星对此进行了优化，陀螺仪的数量降到6个。6个陀螺的诊断成功能力，跟8个陀螺形成的诊断成功能力是一样的。由此可见，通过将诊断能力量化，可以实现将有限的资源用到最合适的、最薄弱的环节当中去。另外我们也做了一些工作，研究对在轨运行时的典型故障的自主识别诊断并恢复正常运行的能力。

总的来说，我们的地球轨道卫星基本上实现了自动化，在深空探测任务的推动之下，我们大概用了25年到20年的时间在支撑自主导航跟自主诊断重构的可观测性理论和可诊断性、可重性理论方面，做了瞄准应用的具体技术创新工作。之后，又有一些实验室平台和第三项目作为牵引，让我们把技术背后的一些机理和技术理论的问题做了适当的总结。

最后谢谢各位领导和专家，我代表课题组的汇报到此结束。谢谢大家。