導語
空天系統(tǒng)不僅是人工智能科學與技術(shù)成果的重要應(yīng)用領(lǐng)域，也是推動人工智能快速發(fā)展最強勁的動力之一！人們耳熟能詳?shù)目臻g交會對接、機械臂在軌服務(wù)、無人機導航制導及控制，以及相關(guān)的火箭發(fā)射、制造、運輸、設(shè)備故障診斷和健康管理等方面都無一不在期待人工智能新理論、新方法、新技術(shù)的問世和應(yīng)用。
本期專輯邀請了智能空天系統(tǒng)專業(yè)委員會重點研究方向上的著名學者對其最新成果作一介紹，包括非完備信息下無人機智能攻防決策技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望、航天發(fā)射安全性智能評估技術(shù)研究、深空探測航天器的自主運行技術(shù)、多電飛機飛行控制電靜液作動器的智能化問題以及云邊協(xié)同的智能制造系統(tǒng)5篇稿件，以期對感興趣的讀者有所幫助。
摘 要
摘 要：隨著深空探測任務(wù)的復雜化，傳統(tǒng)航天器的操作和控制等技術(shù)已受到極大制約，必需提升探測器的自主化水平。以深空探測的國家重大戰(zhàn)略需求為牽引，本文從“自主導航、自主制導控制、自主任務(wù)規(guī)劃、自主診斷重構(gòu)”四個方面，對深空探測航天器自主運行技術(shù)的研究現(xiàn)狀進行綜述，闡述了上述四方面關(guān)鍵核心技術(shù)在我國月球探測任務(wù)中的實際應(yīng)用情況和效果，并針對我國即將開展的火星著陸巡視、小行星取樣返回等任務(wù)需求，提出了未來深空探測航天器自主運行技術(shù)的發(fā)展方向和研究內(nèi)容。
關(guān) 鍵 字
深空探測航天器；自主運行；自主導航；自主制導控制；自主任務(wù)規(guī)劃；自主診斷重構(gòu)
0 引言
本世紀初，國務(wù)院發(fā)布了《中國的航天》白皮書，明確提出了我國開展以月球探測為主的深空探測發(fā)展目標。在“人民科學家”葉培建院士等老一輩科學家的帶領(lǐng)下，以嫦娥一號為開端，通過嫦娥二號、嫦娥三號、嫦娥五號T1 和嫦娥四號任務(wù)的連續(xù)成功，保障了我國探月工程“繞、落、回”三步走目標的順利完成。以火星著陸巡視、小行星取樣返回等任務(wù)為牽引，通過自主運行等關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新突破，開啟了我國由月球探測向深空探測進軍的新篇章。
深空探測任務(wù)中探測目標遠、飛行時間長、所處環(huán)境動態(tài)多變等特點，導致深空探測航天器的操作和控制與近地軌道航天器存在很大區(qū)別，例如上傳指令延遲大、地面測控精度差、數(shù)據(jù)傳輸碼率低、安全自主保證難等。目前傳統(tǒng)的“地面測控站——航天器”大回路操作控制模式，嚴重限制了深空探測任務(wù)的實時性、安全性和可靠性。
自主運行技術(shù)是解決上述問題的有效途徑，已成為未來深空探測技術(shù)發(fā)展的一個重要方向。自主運行技術(shù)即是在深空探測航天器上構(gòu)建一套精度高、自主性強、安全可靠的運行管理系統(tǒng)，來實現(xiàn)長時間無人參與情況下的自主安全運行，具體任務(wù)是根據(jù)飛行階段和周圍環(huán)境，自主開展工程任務(wù)與科學任務(wù)的調(diào)度規(guī)劃、感知導航、命令執(zhí)行、器上狀態(tài)監(jiān)測與故障時的系統(tǒng)重構(gòu)，確保實現(xiàn)深空探測航天器的安全可靠自主運行。
針對深空探測任務(wù)實現(xiàn)自主化的根本需求，在自主運行技術(shù)的大方向下，以月球探測、火星探測和小行星探測等任務(wù)為背景，本文提煉了具有共性和挑戰(zhàn)性的科學問題與技術(shù)難題，圍繞“自主導航、自主制導控制、自主任務(wù)規(guī)劃、自主診斷重構(gòu)”四個方面開展了深入的研究攻關(guān)和具體的應(yīng)用實踐，解決了一系列實際需求和難題，已應(yīng)用于我國嫦娥系列月球探測器和火星探測器等任務(wù)中。
本文后續(xù)內(nèi)容將從“自主導航、自主制導與控制、自主任務(wù)規(guī)劃、自主故障診斷與重構(gòu)”四個方面，重點對深空探測航天器自主運行技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀進行綜述；針對我國深空探測后續(xù)任務(wù)實施的具體需求，提出未來深空探測航天器自主運行技術(shù)的發(fā)展方向和研究內(nèi)容。
1 自主導航技術(shù)
目前航天器通常依靠地面站的無線電測控進行導航，但對于深空探測航天器而言，由于探測目標遠、通信時延大，難以實現(xiàn)實時測量。因此，為保證深空探測航天器能安全、準確地完成探測任務(wù)，要求其必須具有極強的自主導航能力。自主導航技術(shù)不僅是深空探測航天器安全的重要保證，也是地面測控的有效補充。
自主導航技術(shù)指的是，不與外界進行信息傳輸和交換、不依賴于地面設(shè)備的定位導航技術(shù)，如圖 1 所示。
圖 1 傳統(tǒng)導航與自主導航技術(shù)的對比示意圖
自主導航技術(shù)按其獲得信息方法主要可以分為慣性導航、光學導航、天文導航和組合導航四類。
(1) 慣性導航：發(fā)展較成熟，由慣性測量單元 IMU（主要包括加速度計、陀螺儀等）和計算機組成。慣導系統(tǒng)將測量的加速度或速度對時間進行積分得到位置信息。
(2) 光學導航：通過測量深空探測航天器相對于目標天體的斜距、斜距速度，或者測量目標天體的視角半徑、表面圖像，運用一定的數(shù)據(jù)處理或圖像處理來估計深空探測航天器的軌道和姿態(tài)信息。
(3) 天文導航：通過測量已知運動規(guī)律的天體（稱為參考天體，如太陽、月球、其他行星等）相對于某基準面的高度角和方位角來確定探測器的軌道和姿態(tài)信息的方法。已知運動規(guī)律的天體主要分為太陽和行星、小行星和行星衛(wèi)星、脈沖星三大類。天文導航系統(tǒng)不依賴于地面設(shè)備，也是一種完全自主的導航系統(tǒng)，其導航精度高，不僅適用于短距離探測，也適用于遠距離的探測。天文導航的關(guān)鍵問題是參考天體的測量值信號不能太弱。
(4) 組合導航：為了能充分發(fā)揮各種導航方式的特點，往往將幾種導航方法組成一體進行自主導航，達到取長補短、綜合發(fā)揮各種導航方式優(yōu)勢的目的。目前發(fā)展的自主導航系統(tǒng)大多是組合導航系統(tǒng)。深空探測任務(wù)常見的組合導航方式為，在地球逃逸段，采用慣性導航和光學導航的組合導航方式，用光學導航校準慣性基準；在日心過渡軌道段則可利用光學導航來完成；在最后的接近段，采用光學導航和器載雷達導航相結(jié)合方式，以達到改善精度的目的。
在深空探測航天器自主導航技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，我國取得了一系列顯著的成果。
(1) 嫦娥二號衛(wèi)星在地月轉(zhuǎn)移軌道段末期，開展了我國首次深空探測自主導航試驗。結(jié)果
表明，自主導航可滿足接近軌道修正的需要，相對基準誤差校正，可顯著提高接近導航精度。
(2) 嫦娥三號月球探測器利用光學圖像，首次實現(xiàn)了著陸過程的自主障礙識別與避障。針對月球軟著陸任務(wù)面臨的“復雜月面環(huán)境、動態(tài)振動條件下的高精度自主導航”難題，通過優(yōu)化變系數(shù)門限的容錯修正方案，解決了多信息源有效性動態(tài)監(jiān)測和最優(yōu)融合問題；針對月球軟著陸任務(wù)最核心的“安全、自主障礙識別和規(guī)避”問題，基于在軌圖像的自主避障方法，在軟著陸接近段基于二維圖像進行障礙識別和粗避障，在懸停段基于三維圖像進行障礙識別并完成精確避障，保證了探測器的著陸安全。
(3) 嫦娥四號月球探測器成功著陸在月球背面，首次基于序列圖像實現(xiàn)了月球背面崎嶇、未知地形環(huán)境下的高精度自主避障軟著陸。相比于嫦娥三號任務(wù)的月球正面虹灣區(qū)域著陸，月球背面地形地貌以高地為主，地形較為崎嶇，復雜的地形條件對著陸過程的導航、制導與控制都帶來了更大的挑戰(zhàn)。針對崎嶇地形可能帶來的敏感器數(shù)據(jù)異常問題，嫦娥四號采用了基于多測速敏感器和慣性敏感器的導航方法。其中，慣性敏感器用于著陸過程的慣性自主導航，而測距測速敏感器通過源信息融合的多波束測距測速修正融合方法，建立了自主導航容錯計算框架，從而實現(xiàn)了異常測量數(shù)據(jù)快速篩選與隔離、多波束測量信息的魯棒融合，顯著提高了著陸導航的可靠性。
2 自主制導控制技術(shù)
自主制導控制技術(shù)指的是，深空探測航天器不依賴地面，僅靠自身攜帶的測量設(shè)備和計算機實現(xiàn)姿態(tài)測量、軌道測量、確定或生成在控制力作用下的飛行規(guī)律并自主進行姿態(tài)控制和軌道控制。
深空探測航天器與地面測控站通信延遲大，且信號有可能會被太陽及其他天體遮擋，不利于突發(fā)事件的及時處理。因此，自主制導控制技術(shù)是解決突發(fā)事件、保證深空探測航天器安全的重要手段。
美國 JPL 實驗室對火星軟著陸障礙規(guī)避技術(shù)進行了研究，提出了一套火星著陸的障礙規(guī)避方法。著陸器根據(jù)障礙檢測所得到的局部地形情況，選擇出安全著陸區(qū)域，并根據(jù)探測器當前的位置、速度，期望達到的位置、速度和加速度規(guī)劃一條障礙規(guī)避軌跡，控制探測器沿此軌跡下降，實現(xiàn)了精確安全著陸。
針對不規(guī)則弱引力小天體的著陸自主制導控制問題，美國 JPL 實驗室針對小天體表面地形的特點，發(fā)展了基于計算機視覺的小天體著陸方法，通過跟蹤可見的特征點和識別路標來達到探測器的精確制導和避障。日本通過“隼鳥 1 號”任務(wù)，驗證了利用光學測量實現(xiàn)自主著陸小行星的自主導航和制導方案。NASA 的“歐西里斯”小行星任務(wù)，針對下降著陸段導航中的自然特征點跟蹤地形匹配的局限性，提出了適應(yīng)照明變化和小天體表面反射率不同的魯棒地形相對導航方法，在仿真實驗中取得了良好效果。即將在軌進行實際演練。
我國在深空探測航天器自主制導控制技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一系列顯著的成果。
(1) 在嫦娥一號、嫦娥二號衛(wèi)星設(shè)計中，針對“飛行控制任務(wù)復雜多變，對衛(wèi)星的姿態(tài)和軌道控制實時性、可靠性和精度要求較高”等具體需求，在總體、控制分系統(tǒng)等設(shè)計中采取了多項創(chuàng)新性設(shè)計。具有代表性的成果主要包括：針對奔月軌道控制需求，設(shè)計了在線規(guī)劃調(diào)度、星敏感器與陀螺聯(lián)合定姿算法、基于四元數(shù)的高品質(zhì)相平面控制算法、高精度和高可靠關(guān)機策略等新的自主制導與控制方法。針對“近月制動控制具有唯一時機特征并關(guān)系任務(wù)成敗”的關(guān)鍵難題，建立了國內(nèi)首個適應(yīng)復雜變軌、高精度高自主三體指向的控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)；設(shè)計了可實現(xiàn)“容錯組合重構(gòu)、自主恢復功能”的高可靠變軌控制設(shè)計準則與框架，突破實現(xiàn)了自主可恢復的變軌控制技術(shù)，化解了由于制動異常而導致飛掠月球任務(wù)失敗的風險。
(2) 在嫦娥三號月球軟著陸探測器設(shè)計中，利用自適應(yīng)動力顯式制導、無迭代多項式粗避障制導，以及內(nèi)外環(huán)結(jié)合的精避障制導等方法，實現(xiàn)了軟著陸過程的自主制導。
(3) 在嫦娥四號月球軟著陸探測器設(shè)計中，針對崎嶇地形帶來的導航高度急劇變化所導致的制導控制狀態(tài)不穩(wěn)定問題，以及崎嶇地形帶來的精確避障需求，采用了一種將垂直接近和精確避障相結(jié)合的控制方法，實現(xiàn)了月球背面崎嶇地形的精確避障和安全著陸。
3 自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)
自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)指的是，根據(jù)深空探測航天器自身的能力和狀態(tài)、對空間環(huán)境的感知認識，以及各種約束條件自主規(guī)劃飛行任務(wù)，形成控制策略來控制航天器，以完成各種任務(wù)要求的技術(shù)。
自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)分為規(guī)劃和調(diào)度兩個過程，規(guī)劃是從某個特定的問題狀態(tài)出發(fā)，尋求一系列行為動作，并建立一個操作序列，執(zhí)行這個序列能實現(xiàn)目標狀態(tài)；調(diào)度是在計劃己經(jīng)制定好之后，為計劃中的各種動作分配合理的資源和時間，解決現(xiàn)實世界中的各種約束關(guān)系，協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作，以確保任務(wù)能正確完成。規(guī)劃的主要目的是尋求操作序列，而調(diào)度負責為這些操作分配資源和時間。
美國 JPL 實驗室采用經(jīng)典規(guī)劃調(diào)度算法開發(fā)的自主規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)，實現(xiàn)了任務(wù)與規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng)的模塊化，并在“地球觀測 1 號”衛(wèi)星上得到了成功的應(yīng)用；美國 Colorado Space Grant 學院，基于貪婪算法，提出了一種在軌衛(wèi)星最大化任務(wù)數(shù)量下的任務(wù)規(guī)劃調(diào)度方法，開發(fā)了自動規(guī)劃 / 調(diào)度系統(tǒng)，并成功應(yīng)用于 STS-85 航天飛機；NASA 根據(jù)啟發(fā)式搜索方法，開發(fā)了航天器任務(wù)規(guī)劃調(diào)度系統(tǒng) EUROPA，并應(yīng)用于 “勇氣號”“機遇號”火星車等多個型號任務(wù)。
典型的深空探測航天器自主規(guī)劃系統(tǒng)主要包括任務(wù)規(guī)劃調(diào)度模塊、指令管理模塊和探測器任務(wù)約束模型三個組成部分，具體如圖2所示。
圖 2 深空探測航天器的自主規(guī)劃系統(tǒng)組成
我國在深空探測航天器自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一系列顯著的成果。
(1) 在嫦娥一號和嫦娥二號月球探測任務(wù)中，采用了多級遞階控制的技術(shù)方法，根據(jù)任務(wù)規(guī)劃、信息管理、資源管理及安全管理四方面頂層需求及相互約束，從系統(tǒng)全局統(tǒng)籌設(shè)計了基于多級控制結(jié)構(gòu)的星載信息網(wǎng)絡(luò)體制和分系統(tǒng)協(xié)同工作模式，可靠實現(xiàn)了測控、應(yīng)急安全等子任務(wù)的自主管理。采用熱控、電源和軌道聯(lián)合優(yōu)化方法，設(shè)計實現(xiàn)了溫度多模式自主控制和電源充放電高效自主管理，解決了長時間陰影下系統(tǒng)自主運行的難題，使嫦娥衛(wèi)星自主安全可靠地度過了月食。
(2) 在嫦娥四號月球探測任務(wù)中，動力下降段需要深空探測航天器在約 700 s 內(nèi)把距離月面高度從 15 km 降低到 0 m，速度從 1.7 km/s 減小到 0 m/s，姿態(tài)從 90° 調(diào)整到 0°，這是一個軌道、姿態(tài)密切耦合的高動態(tài)變化過程。經(jīng)過精細設(shè)計實現(xiàn)了該過程子任務(wù)的自主完成。同時，為確保著陸過程不同姿態(tài)下中繼鏈路的可用性和著陸后整器安全，結(jié)合飛行軌跡與姿態(tài)，針對動力下降過程對中繼星測控數(shù)傳鏈路自主模式切換的策略進行設(shè)計，實現(xiàn)了子任務(wù)級的自主規(guī)劃實施。
4 自主診斷重構(gòu)技術(shù)
自主診斷重構(gòu)技術(shù)指的是深空探測航天器不依賴地面，僅靠自身攜帶的多種測量裝置和執(zhí)行機構(gòu)，以及構(gòu)建的解析冗余關(guān)系等，自主地實現(xiàn)故障檢測與隔離，并根據(jù)診斷結(jié)果，通過改變測量裝置或執(zhí)行機構(gòu)的配置構(gòu)型、或控制算法等方式應(yīng)對與處理故障，以恢復系統(tǒng)全部或部分既定功能的技術(shù)手段。
目前大多數(shù)航天器還是由“地上人”監(jiān)測“天上星”，即采用“天地大回路”的方式診斷與處理故障：當航天器檢測到系統(tǒng)異常后，通過遙控遙測將數(shù)據(jù)傳輸給地面測控站；通過人工判讀、專家會診的方式對故障進行分析和確診后，再將處理結(jié)果通過指令的形式上注給航天器。然而，上述傳統(tǒng)的故障診斷重構(gòu)技術(shù)無法滿足深空探測航天器自主運行的迫切需求。
為了確保航天器安全可靠自主運行，在以往的型號研制和方法研究過程中，主要集中在故障發(fā)生的“兩頭”，即在故障發(fā)生之前，重點關(guān)注零部件的可靠性增長問題。然而，受加工、制造和裝配等客觀因素影響，提升零部件可靠性的能力有限，而且選用高可靠性的零部件并不能保證系統(tǒng)的可靠性最高；同時，高可靠性不能保證系統(tǒng)一定不發(fā)生故障。因此，該技術(shù)手段只是降低了故障的發(fā)生概率，且存在費效比偏高的問題。
另外，在故障發(fā)生之后，主要集中在診斷重構(gòu)的算法研究與系統(tǒng)實現(xiàn)，具有代表性的成果包括：在深空探測領(lǐng)域，美國的 DS-1 深空探測器，基于模型的故障診斷方法，并利用人工智能技術(shù)，在軌進行故障的識別和定位，以及系統(tǒng)的模式重構(gòu)；在遙感領(lǐng)域，美國的 Landsat衛(wèi)星、法國的 SPOT 衛(wèi)星等均都具備了不同程度的自主故障診斷與重構(gòu)能力；在載人航天領(lǐng)域，美國的 Apollo 載人飛船和俄羅斯的 Soyuz飛船，通過多硬件的冗余備份，達到了“一重故障保工作，雙重故障保安全”的目標。
我國在深空探測航天器自主診斷重構(gòu)技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域，取得了一系列顯著的成果。
(1) 嫦娥一號深空探測航天器，根據(jù)實際任務(wù)需求，設(shè)計了“天線展開控制監(jiān)控與應(yīng)急操作、整星應(yīng)急控制、復位／切機后自主恢復操作”等自主故障診斷策略，增加了深空探測航天器在軌的生存能力和可靠性。
(2) 嫦娥四號深空探測航天器，基于月球背面軟著陸任務(wù)的特點，將原本依賴地面的基于人工判斷處理的方式改變?yōu)槠魃献灾鞯剡M行診斷與執(zhí)行。在部件級層面，重點針對推進發(fā)動機、陀螺、加速度計、測距敏感器、測速敏感器等關(guān)鍵部件，設(shè)計了自主故障診斷與重構(gòu)算法；在系統(tǒng)級層面，重點針對導航、姿控等關(guān)鍵分系統(tǒng)，設(shè)計了自主故障定位與重構(gòu)策略，極大提升了航天器系統(tǒng)故障的自主能力。
目前，我國航天器已逐步從關(guān)注分系統(tǒng)故障診斷與重構(gòu)能力，轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)級的狀態(tài)監(jiān)測、以及故障預(yù)測與修復，并初步形成了集成的航天器健康管理系統(tǒng)，進而可以從頂層實現(xiàn)的角度確保任務(wù)的順利執(zhí)行。值得一提的是，不同于傳統(tǒng)抓“兩頭”的研究思路，從 2003 年開始，在多項國家級和省部級預(yù)研項目的支持下，本項目組發(fā)現(xiàn)航天器自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)在軌實施受限的關(guān)鍵核心在于——對航天器系統(tǒng)的診斷重構(gòu)能力認知不清，即缺乏相關(guān)的理論方法表征、判定和量化系統(tǒng)的可診斷性與可重構(gòu)性。以此為出發(fā)點，項目組突破了航天器控制系統(tǒng)自主故障診斷與重構(gòu)亟需解決的重大基礎(chǔ)問題和技術(shù)難題，改變了傳統(tǒng)航天器故障診斷與重構(gòu)設(shè)計理念，將以往僅關(guān)注后端的診斷重構(gòu)算法，轉(zhuǎn)變?yōu)樵谙到y(tǒng)設(shè)計之初就進行可診斷性與可重構(gòu)性研究。提出創(chuàng)建的可診斷性與可重構(gòu)性理論和方法是表征系統(tǒng)故障診斷與重構(gòu)能力的本質(zhì)屬性，基于此發(fā)明的可診斷性與可重構(gòu)性評價設(shè)計技術(shù)，是從根本上提升控制系統(tǒng)自主故障診斷與重構(gòu)能力的重要手段，是保障深空探測任務(wù)的順利實施與完成的關(guān)鍵核心。
5 自主診斷重構(gòu)技術(shù)
我國未來深空探測任務(wù)可能要開展月球永久陰影區(qū)探測、小行星采樣返回探測、火星采樣返回探測、木星系及行星際穿越探測、太陽系邊際探測等一系列深空探測活動。隨著上述任務(wù)的實施，將開拓我國深空探測的深度和廣度，獲取重大原創(chuàng)性科學發(fā)現(xiàn)，促進我國航天技術(shù)跨越式提升，有力推動空間科學、空間技術(shù)和空間應(yīng)用全面發(fā)展。
面向我國未來深空探測重大戰(zhàn)略需求，在深空探測航天器的自主運行技術(shù)領(lǐng)域開展基礎(chǔ)性、創(chuàng)新性的科學技術(shù)研究和核心技術(shù)攻關(guān)，進一步深入探索研究以下 4 個發(fā)展方向，引領(lǐng)我國深空探測航天器自主化技術(shù)水平的跨越發(fā)展。
5.1 適應(yīng)深空物性未知環(huán)境的自主導航方法
后續(xù)深空探測任務(wù)將探測一些人類認知極其有限的目標天體，主要面臨的難題是目標天體的先驗知識缺失或者不完備，如引力模型、大氣環(huán)境、表面地形等任務(wù)設(shè)計所必需的要素。同時“定點著陸、采樣返回”等科學探測任務(wù)需求對自主導航的功能性能要求越來越高。如何解決未知環(huán)境下高精度控制的難題，是自主導航技術(shù)需深化研究的方向。
(1) 研究基于多源信息融合的自主導航技術(shù)，包括視覺 / 激光 / 紅外多手段一體化協(xié)同探測技術(shù)、非合作目標多源數(shù)據(jù)協(xié)同融合感知技術(shù)、在軌狀態(tài)高精度測量與辨識技術(shù)等；
(2) 研究基于序列圖像的自主導航技術(shù)，包括基于序列圖像的可觀測性理論方法、基于動力學約束的暗弱小天體識別與提取方法、物性未知小天體高效表征與特征魯棒匹配方法、基于可觀測度分析的相對導航狀態(tài)估計與誤差校正方法等。
5.2 深空復雜不確定性環(huán)境下自主制導控制方法
不同于地球和月球，后續(xù)深空探測任務(wù)的飛行環(huán)境更為復雜、先驗知識匱乏、不確定性強，而且深空探測器與地面測控站通信延遲大、通訊信號易被其他天體遮擋，因此星上需要根據(jù)實時動態(tài)變化的環(huán)境自主進行姿態(tài)和軌道控制。目前深空探測器控制系統(tǒng)是將制導回路與控制回路分開進行設(shè)計，沒有考慮制導與控制回路之間的耦合性，后續(xù)深空任務(wù)應(yīng)用場景中（如火星探測大氣進入過程），姿軌控的強耦合性更大，產(chǎn)生的制導指令易超過控制系統(tǒng)的機動范圍。因此，針對更為遙遠、更為復雜的深空探測任務(wù)需求，需進一步提升制導控制方法的自主性和魯棒性。
(1) 針對空間環(huán)境下星上計算資源、感知和控制能力嚴重受限而環(huán)境不確定性和干擾性強的約束，研究結(jié)構(gòu)簡單能在線自主生成的魯棒制導與控制方法；
(2) 針對如深空天體大氣進入過程等飛行環(huán)境復雜，制導與控制系統(tǒng)模型具有強非線性和強耦合性的深空探測任務(wù)，研究完善且適用性強的魯棒制導與控制一體化設(shè)計方法，在理論上確保制導和控制系統(tǒng)整體上的穩(wěn)定性。
5.3 系統(tǒng)多維約束空間內(nèi)的高效自主任務(wù)規(guī)劃方法
后續(xù)小行星、木星系等深空探測任務(wù)探測距離更遠，航天器與地面站的通信延遲達數(shù)分鐘甚至數(shù)小時。特別是當外部環(huán)境或航天器狀態(tài)發(fā)生超出預(yù)期突變時，如果通過地面站進行遙測遙控和任務(wù)重規(guī)劃，必將耗時極多，甚至影響整個探測任務(wù)的成敗。因此，未來的深空探測航天器必須具備更強的自主任務(wù)規(guī)劃與調(diào)度能力。在有限的器載資源和嚴格的執(zhí)行時間等復雜約束條件下，探測器不僅需要進行活動的自主選擇和排序，而且還需要對資源、時間進行合理分配和優(yōu)化，從而快速、準確地生成規(guī)劃序列。
(1) 建立適合深空探測領(lǐng)域的規(guī)劃知識建模方法，實現(xiàn)多種知識的統(tǒng)一表達，便于知識挖掘，縮小問題空間；
(2) 在由不同子系統(tǒng)特性組成的多維規(guī)劃知識空間內(nèi)，利用星上有限的計算資源，研究高效的知識搜索和推理方法，實現(xiàn)快速、準確的任務(wù)規(guī)劃；
(3) 考慮因果關(guān)系和活動之間的多種約束條件，以及深空環(huán)境的動態(tài)不確定性，研究約束處理方法和定量信息處理方法，實現(xiàn)復雜約束條件和不確定性環(huán)境下的自主任務(wù)規(guī)劃。
5.4 基于可診斷性與可重構(gòu)性理論指導的自主診
斷重構(gòu)方法由于后續(xù)火星著陸巡視、小行星采樣返回等深空探測任務(wù)存在距離遠、延時大、信息交互難、不確定性強等技術(shù)難題，這使得現(xiàn)有方法難以滿足自主診斷重構(gòu)的時效性、安全性和可靠性要求。因此，如何進一步提升深空探測航天器故障診斷的識別精度和快速性，同時在保證故障后功能不變的情況下降低重構(gòu)能耗，是后續(xù)亟需深化研究的具體問題。
(1) 將目前關(guān)于航天器控制分系統(tǒng)的可診斷性與可重構(gòu)性成果進一步研究推廣應(yīng)用于航天器系統(tǒng)，實現(xiàn)整器自主診斷重構(gòu)能力的可表征、可判定及可量化；
(2) 針對多因素耦合作用下系統(tǒng)診斷能力的精準度量與綜合優(yōu)化等難題，研究基于解析冗余關(guān)系與相似度的可診斷性評價、系統(tǒng)配置與診斷策略的一體化設(shè)計等方法；
(3) 針對復雜多目標約束下系統(tǒng)重構(gòu)能力的精細度量與強化實現(xiàn)等難題，研究基于多目標的可重構(gòu)性綜合評價、面向時間與空間雙維度的可重構(gòu)性協(xié)同設(shè)計等方法。
6 結(jié)束語
航天器這一典型的自主無人系統(tǒng)，一直以來都是依賴地面進行操控與協(xié)同。對于更為遙遠的深空探測航天器而言，實現(xiàn)自主運行是學者和工程師們的不懈追求。本項目組一直致力于探究制約深空探測航天器自主運行技術(shù)的科學問題內(nèi)涵；針對航天器這一類資源嚴重受限、不易在軌維護的空間無人系統(tǒng)，力求以系統(tǒng)觀測、診斷和重構(gòu)能力的定性判定和定量表達為突破口，以星上最低資源占用且不依賴任何人造信標為約束條件，去自主完成深空探測的使命任務(wù)。
深空探測航天器自主運行技術(shù)的實現(xiàn)途徑，不同于一般的理論研究、常規(guī)的技術(shù)攻關(guān)和傳統(tǒng)的工程設(shè)計，既要基于科學原理，又要面對復雜約束，同時必須安全可靠，并最終成功應(yīng)用于工程實踐。
（參考文獻略）
選自《中國人工智能學會通訊》
2021年第11卷第2期
智能空天系統(tǒng)專題
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