王大軼 孟林智 葉培建 何熊文 黃翔宇 劉成瑞

(1 北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)(2 中國空間技術(shù)研究院，北京 100094) (3 北京控制工程研究所，北京 100190)

深空探測是人類了解太陽系和宇宙，進而考察、勘探和定居地球外其它天體的第一步，是空間活動中極具挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域之一。開展深空探測活動，是航天技術(shù)發(fā)展的必然選擇，也是人類了解宇宙、認識太陽系、探索地球與生命的起源和演化、獲取更多科學認識的重要手段。

中國的深空探測起步于月球探測，目前已經(jīng)實現(xiàn)了探月工程“繞、落、回”三步走中的前兩步。2018年12月發(fā)射的嫦娥四號探測器將首次實現(xiàn)月球背面軟著陸，計劃2019年發(fā)射的嫦娥五號探測器將實現(xiàn)在月球表面采樣返回[1]。同時，首次火星探測任務也按計劃有條不紊展開，計劃2020年通過一次任務，實現(xiàn)對火星的“繞、著、巡”。探月工程和首次火星任務的穩(wěn)步實施，使中國深空探測技術(shù)水平不斷提升?！?016中國的航天》白皮書中，明確提出“開展火星采樣返回、小行星探測、木星系及行星穿越探測等的方案深化論證和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，適時啟動工程實施，研究太陽系起源與演化、地外生命信息探尋等重大科學問題”，中國已經(jīng)將更遠、更復雜的深空探測任務納入后續(xù)規(guī)劃。

深空探測任務的特點主要體現(xiàn)在以下4個方面。

(1)探測目標不同，存在大量未知和不確定性。探測目標是遙遠的星體，在地球上僅通過一些觀測手段得到了一些粗略的數(shù)據(jù)，對其特性存在不同程度的未知，且面臨很多不確定性。如氣態(tài)大行星的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、小行星的基本物理特性(重量、引力)等。即使美國已多次成功登陸的火星，對其大氣的了解也需不斷深化和研究。

(2)飛行距離遙遠，任務中基本喪失了實時測控。探測目標與地球距離十分遙遠，從千萬千米到數(shù)億千米(火星、木星)，再到160億千米(太陽系邊際)，且在任務周期中變化幅度較大，僅依靠傳統(tǒng)的地面遙控的方式很難完成對太陽系星體的探測活動。

(3)面臨環(huán)境復雜，需確保設(shè)計要素考慮全面。任務目標不同，飛行軌跡和階段也不同，導致面臨多種多樣的環(huán)境，且變化幅度大，無規(guī)律。飛行過程中距日距離的變化，導致探測器所受的光、熱環(huán)境有很大的變化。針對這些復雜、變化的因素，對探測器系統(tǒng)設(shè)計和驗證帶來了很大的難度。

(4)任務周期較長，對探測器可靠性要求很高。任務周期比較長(一般都在5年以上)，飛行階段多，環(huán)境變化大，且往往具有時間窗口“唯一性”等特性，對探測器可靠運行提出了很高的要求。

與人造地球衛(wèi)星相比，深空探測任務的探測器系統(tǒng)設(shè)計時主要面臨“系統(tǒng)高可靠，自主性要求強、軟硬件高度耦合、集成一體化設(shè)計、在軌飛控特殊需求”等難點。任務特點、器載資源限制及相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀決定了深空探測器的管理是器地協(xié)同完成的。在地面授權(quán)的情況下，探測器必須具備全自主運行能力。

深空探測器自主運行技術(shù)即是利用自動化、計算機以及智能信息處理等技術(shù)，在探測器上構(gòu)建一個智能化的自主管理系統(tǒng)，目標是實現(xiàn)不依賴或者盡量少依賴外界信息注入及干預，能夠準確感知自身狀態(tài)和外部環(huán)境，根據(jù)飛行階段和周期環(huán)境，自主地進行任務的規(guī)劃調(diào)度、命令執(zhí)行、器上狀態(tài)的監(jiān)測與故障時的系統(tǒng)重構(gòu)，減少對深空測控網(wǎng)的依賴，實現(xiàn)無人參與情況下的探測器長時間自主安全運行。

20世紀90年代以來，面對航天任務的需要，中國也積極開展了探測器自主技術(shù)的研究工作和在軌應用。目前中國空間技術(shù)研究院在衛(wèi)星上實現(xiàn)了熱控自主管理、能源自主管理、設(shè)備自主冗余切換及姿態(tài)故障時的自主應急處理措施；針對衛(wèi)星星座和編隊飛行的任務特點，開展了自主運控策略研究等；探月工程任務中開展了月面自主著陸、巡視和采樣技術(shù)的研究。此外，哈工大、北航、國防科大等高校也針對探測器自主技術(shù)開展研究并取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學結(jié)合國外探測器健康管理的研究成果，提出了由地面健康管理系統(tǒng)和在軌健康管理系統(tǒng)兩部分組成的探測器集成健康管理系統(tǒng)[2]。中國空間技術(shù)研究院作為探測器控制系統(tǒng)的設(shè)計和研制單位，在控制系統(tǒng)自主故障診斷方法及應用方面進行了大量研究[3]。但總體來看，中國深空探測器目前的自主能力相比后續(xù)任務需求還存在一定差距，主要體現(xiàn)在以下2個方面。

(1)工程應用還不全面，目前掌握的自主能力只是局部成功應用，而針對各種深空探測的具體任務需求，尚不具備探測器全系統(tǒng)意義上的自主，真正實現(xiàn)全系統(tǒng)的自主管理還有很多難點需要突破。

(2)試驗驗證不廣泛、不充分，沒有系統(tǒng)地進行探測器自主管理技術(shù)驗證工作。

隨著后續(xù)深空探測任務的逐步實施，自主運行技術(shù)已逐漸成為深空探測領(lǐng)域未來發(fā)展的一項重要研究內(nèi)容。深空探測器自主運行技術(shù)實施的主要目的是：①提升探測器的自主生存能力，指探測器為了實現(xiàn)長期無地面支持的在軌運行所采用的自主姿態(tài)控制、自主熱控、自主能源控制、自主健康管理等技術(shù)。在非地面干預的情況下能夠保證探測器的長期運行，并可在發(fā)生故障時實施自主診斷、隔離和恢復，最大限度地保證探測器安全。②提高探測器的好用性和易用性，從用戶角度出發(fā)為提高探測器的好用和易用性，包括自主任務規(guī)劃和科學載荷數(shù)據(jù)智能處理等，自主任務規(guī)劃是指探測器能夠直接接收地面使命級任務，根據(jù)空間環(huán)境、自身飛行狀態(tài)以及各種約束條件自行規(guī)劃探測器飛行任務，形成控制策略來控制探測器，以完成諸如模式轉(zhuǎn)換、變軌、制動、成像等各種任務要求。載荷數(shù)據(jù)智能處理是指探測器針對獲取的原始數(shù)據(jù)進行預處理，從中提取出有價值的信息下傳地面，以此提高獲取數(shù)據(jù)的質(zhì)量，減少不必要的數(shù)據(jù)存儲與下傳，減少與地面通信時間。

從當前的發(fā)展趨勢看，深空探測器自主運行重點要解決4方面核心問題：自主任務規(guī)劃、自主導航以及自主故障診斷與重構(gòu)，以及支撐實現(xiàn)上述功能的航天器智能信息技術(shù)。

1 自主任務規(guī)劃技術(shù)

1.1 發(fā)展現(xiàn)狀

探測器控制操作技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了遙控(地面控制)、半自主控制和自主控制三個階段，自主控制是近些年提出的一種新的控制方式。

自主控制具體應用是在20世紀90年代探測任務中提出的，但初期的自主性只是體現(xiàn)在某些子系統(tǒng)中。例如美國1997年發(fā)射的卡西尼號(Cassini)土星探測器具有一定的自主性，其器載計算機能夠自主進行12個載荷儀器的控制、探測器姿態(tài)定向、熱環(huán)境控制以及數(shù)據(jù)存儲和通信。1996年發(fā)射，2000年與愛神號小行星交會的小行星探測任務(NEAR)，它要求探測器器上計算太陽、地球、小行星以及探測器的位置，使探測器能夠自動地根據(jù)科學任務和下傳數(shù)據(jù)的操作要求來調(diào)整其姿態(tài)；并可自主對故障情況做出反應，保護探測器的安全。雖然這些探測器不是完全的自主，但自主技術(shù)的應用一定程度上實現(xiàn)了任務操作的實時性，充分利用上下行的帶寬。

全局自主是NASA在“新千年”計劃中提出的，并在深空一號(DS-1)探測器飛行中得到了成功驗證。其中，完成自主功能的軟件系統(tǒng)稱為遠程智能體(Remote Agent)[4]。它由規(guī)劃調(diào)度、智能執(zhí)行、模式識別和故障診斷模塊組成，可以無需地面干預而自主產(chǎn)生規(guī)劃，消除資源的約束和時間上的沖突，智能地執(zhí)行規(guī)劃，并對探測器的健康狀況進行監(jiān)測，在故障發(fā)生的時候進行識別、隔離和恢復。該技術(shù)的應用解決了探測器控制的實時性，增加了其可靠性和交互性。

探測器系統(tǒng)是一個包括時間和資源信息等多種約束的復雜系統(tǒng)，它既有規(guī)劃問題的特點，又有調(diào)度問題的特點。例如，它包括調(diào)度問題中的時間約束，具有不同時間區(qū)間和資源的活動、優(yōu)化問題等，還包括規(guī)劃問題中的活動選擇。因此，傳統(tǒng)的規(guī)劃系統(tǒng)并不能完成該領(lǐng)域問題的求解，許多學者便將現(xiàn)代的規(guī)劃調(diào)度技術(shù)應用到空間技術(shù)領(lǐng)域。其中，最突出的是NASA，它在該方面投入了很多的人力和物力，同時也取得了豐厚的回報。其早期開發(fā)的科學規(guī)劃交互知識系統(tǒng)(SPIKE)規(guī)劃調(diào)度軟件系統(tǒng)主要用于哈勃天文望遠鏡的長期任務調(diào)度，SPIKE能夠生成包括多達5000個(至少1 h)觀測活動的多年調(diào)度[3]。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

在探測器自主運行過程中，對資源和任務的執(zhí)行時間都有很大限制，選擇動作的同時必須考慮資源和時間的可用性。因此在探測器中規(guī)劃與調(diào)度這兩個功能應該有機結(jié)合在一起，在規(guī)劃的同時需考慮調(diào)度問題，這有助于降低系統(tǒng)設(shè)計復雜性。一個典型的探測器自主規(guī)劃系統(tǒng)包括任務規(guī)劃調(diào)度模塊、指令管理模塊和任務約束模型三個組成部分，如圖1所示。

從自主規(guī)劃的目的和當前技術(shù)發(fā)展來看，目前重點需要解決以下3個問題。

(1)安全性。探測器是一個昂貴的設(shè)備，它的操作不能出現(xiàn)一點差錯，因此要求自主規(guī)劃具有絕對的安全性。

(2)實時性。相比地面，探測器器載計算機處理能力有限，因此必須提高調(diào)度算法的有效性。一個好的規(guī)劃與調(diào)度系統(tǒng)在產(chǎn)生一個完整規(guī)劃時不應花費很長時間，同時應該具備實時修正的能力，滿足探測器飛行時狀態(tài)不斷改變的要求。

(3)時序控制。自主任務規(guī)劃功能必須并行處理多個應用進程(如將使命分解為基本的任務：軌道、控制、測控、數(shù)管、能源等)，且對各應用進程的起始和結(jié)束時序有著嚴格的約束，一個使命需要n個指令同時協(xié)調(diào)配合才能順利完成，強調(diào)的是執(zhí)行動作的“快、精、準”。

通過對探測器上已存知識(指系統(tǒng)如何工作)、各種敏感器獲得的探測器狀態(tài)及周圍環(huán)境知識的處理，活的可達到目標狀態(tài)的合理活動序列。自主任務規(guī)劃技術(shù)不僅降低了深空探測任務由地面站收集信息、處理、形成命令序列的操作代價，同時也增加了任務應對深空多變環(huán)境的處理能力。但是深空探測任務面臨的復雜情況給傳統(tǒng)的任務自主規(guī)劃技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。這些情況包括：復雜的資源約束、時間約束、活動之間并發(fā)性約束、探測環(huán)境的不確定性等。因此，和傳統(tǒng)的規(guī)劃技術(shù)方法相比，深空探測器任務規(guī)劃中存在多項亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)，研究重點包括以下內(nèi)容。

圖1 探測器自主規(guī)劃系統(tǒng)設(shè)想Fig.1 A thought of autonomous planning system for probe

1)深空探測領(lǐng)域規(guī)劃知識表示方法

規(guī)劃知識的表示是器載計算機進行知識存儲和開展規(guī)劃的基礎(chǔ)。目前已經(jīng)形成了比較標準的規(guī)劃描述語言(PDDL)，可以方便地描述傳統(tǒng)規(guī)劃問題中的因果關(guān)系、任務目標、初始狀態(tài)等。但對于深空探測領(lǐng)域中的任務規(guī)劃來說，有些規(guī)劃問題特性不能全面描述，甚至有些問題根本無法描述，例如活動之間的并發(fā)性、復雜時間約束、資源約束等，所以要想解決此類實際領(lǐng)域問題，必須尋找表達能力更強的規(guī)劃知識表達方式。如DS-1探測器為了解決器上的規(guī)劃問題，設(shè)計了基于狀態(tài)時間線的規(guī)劃知識庫描述方法，用于描述深空探測中狀態(tài)的變化、資源約束、多活動間時間約束等信息。

需要建立一種適合的規(guī)劃知識描述方法，達到以下目的：①方便各種知識的統(tǒng)一描述；②方便隱含知識的挖掘，提高規(guī)劃領(lǐng)域知識的利用率；③縮小問題空間，提高規(guī)劃效率。規(guī)劃知識描述方法的設(shè)計直接影響到任務規(guī)劃系統(tǒng)的性能和搜索策略。規(guī)劃知識描述方法確定后，便可對探測器的經(jīng)驗、知識進行綜合提取，建立全面的規(guī)劃知識模型。

2)復雜時間資源約束下的快速任務規(guī)劃技術(shù)

是否能夠快速、正確地生成規(guī)劃序列是任務規(guī)劃的核心。任務規(guī)劃算法是針對深空探測器任務目標、建立器上各種約束條件、活動/狀態(tài)之間的關(guān)系知識，利用器載計算機有限的資源，進行搜索和推理，生成某一段時間內(nèi)的任務序列。

在探測器任務規(guī)劃中，需要將來自不同子系統(tǒng)的目標、規(guī)則、約束、資源等都集中存儲在器載系統(tǒng)的內(nèi)存中，形成多維規(guī)劃知識空間。而探測器系統(tǒng)復雜、活動間存在并行、相關(guān)等時間約束特性，造成知識搜索空間增大，因而采用何種規(guī)劃算法將會直接影響搜索到合理任務規(guī)劃的時間和代價。

此外，在深空探測任務規(guī)劃中，不僅要考慮因果關(guān)系，還需要考慮活動之間的并行約束、順序約束、資源約束等，僅靠簡單的在因果空間中搜索已經(jīng)無法解決問題，因此需要引入一些約束處理方法、定量/定性信息處理方法，例如約束滿足方法、基于修復的策略、啟發(fā)式搜索方法等。

2 自主導航技術(shù)

2.1 發(fā)展現(xiàn)狀

深空探測的特殊環(huán)境導致了無法進行實時測控，探測器必須具有較強的自主導航能力，以保證安全和準確地完成探測任務。

早在20世紀60年代，Battin等人就提出了星際航行航天器自主導航理論，即通過測量已知天體(如太陽、地球、月球等)與遙遠恒星視線之間的夾角，結(jié)合這些天體的星歷，解算出航天器位置。深空探測任務中，1968年發(fā)射的阿波羅-8飛船任務應用了這一理論，使用六分儀作為測量天體視線的自主天文導航敏感器。由于受到當時技術(shù)的限制，單純依靠角測量獲得的位置解算精度并不太高，因此自主導航僅作為地面測控的補充，用于確認軌道安全，并在地面不能向航天器提供導航支持情況下為航天器返回地球的任務提供了支持。

在后續(xù)的深空探測任務中，自主導航技術(shù)持續(xù)發(fā)展，并且在眾多具有自主導航能力要求的任務中，自主導航系統(tǒng)配置均采用了光學成像敏感器，并與激光雷達、微波雷達、慣性測量單元(IMU)等其他設(shè)備共同組成自主導航系統(tǒng)。1994年的“克萊門汀號”月球探測器，利用紫外/可見光敏感器開展了地月轉(zhuǎn)移段和環(huán)月段自主導航試驗；1996年的NEAR號小行星探測器實現(xiàn)了繞飛段和降落段基于光學成像跟蹤測量的自主導航；1998年的DS-1探測器首次成功在軌驗證了深空自主導航系統(tǒng)，在巡航階段進行了基于小行星及背景恒星圖像的自主導航技術(shù)的飛行驗證，在接近和飛越小行星段，進行了基于目標天體圖像的自主導航技術(shù)的飛行驗證；日本的隼鳥一號探測器利用光學導航敏感器和激光測距儀實現(xiàn)了交會、附著段的自主導航；NASA的深度撞擊號探測器利用成像敏感器實現(xiàn)了接近和撞擊段的自主導航；2011年NASA的火星科學實驗室號探測器利用成像敏感器實現(xiàn)了著陸過程的自主導航；中國2013年發(fā)射的嫦娥三號(CE-3)月球探測器在著陸過程首次實現(xiàn)了基于光學圖像的自主障礙識別與避障。如圖2所示。

圖2 嫦娥三號著陸過程自主光學導航避障過程Fig.2 Autonomous optical navigation obstacle avoidance process of CE-3

通過自主導航技術(shù)的發(fā)展可以看出：隨著光學、微電子、計算機以及圖像處理等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，深空探測器自主導航技術(shù)也取得了長足進步。目前多數(shù)深空探測器已經(jīng)具備部分的自主導航功能，而且功能逐漸完善和強大，并向系統(tǒng)級自主導航發(fā)展。主流的自主導航技術(shù)均建立在用光學導航敏感器獲取的導航星或目標天體圖像信息基礎(chǔ)上，而對光學導航系統(tǒng)獲取的圖像信息進行自主圖像識別，目標辨識已成為當前深空自主導航的核心內(nèi)容。并且，深空自主導航不僅是保證安全必不可少的系統(tǒng)，也成為地面測控的有效補充，在某些特殊的飛行階段(如目標天體接近、繞飛、著陸、附著和撞擊等)，已經(jīng)表現(xiàn)出超越地面測控的一定技術(shù)優(yōu)勢。隨著深空探測任務的不斷實施，自主導航技術(shù)將會得到進一步發(fā)展，獲得更廣泛的應用[5]。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

探測器從飛離地球到接近或著陸深空目標天體，整個航行過程一般分為：分離段、巡航段、交會段和著陸段。由于各個航行階段的飛行特點都不相同，每個階段必須采用相應的導航方式，因此在整個過程中需要采用多種自主導航方法。

從國外深空探測任務和計劃所采用的自主導航技術(shù)可看出，光學導航是目前深空探測的主流自主導航技術(shù)。光學導航的工作原理是以目標天體或者運行軌道附近的一些已知星歷的天體作為導航星，然后規(guī)劃和處理觀測到的天體光學圖像，利用已知的天體信息，確定探測器的位置和速度。

由于深空探測器任務方式多樣，不同階段所處的環(huán)境各不相同，雖然光學導航是各種深空探測自主導航的基本方法，但是，根據(jù)探測器距離目標天體的遠近，探測器與太陽、地球等大天體的相對關(guān)系，以及周邊小天體的分布不同，各種探測器在不同的任務階段具體選擇的光學導航敏感器以及采用的圖像處理算法、自主導航方法也不盡相同。后續(xù)研究重點包括以下內(nèi)容。

1)自主導航多源信息融合技術(shù)

隨著深空探測任務向多樣性和復雜性發(fā)展，對自主導航系統(tǒng)性能的要求越來越高，無論是光學導航、慣性導航，還是基于雷達等主動測量設(shè)備的導航技術(shù)，都無法獨自滿足所有任務段高精度、高可靠的導航需求。將多種導航方式組合在一起，實現(xiàn)多種導航體制和多源信息間的融合，是深空探測自主導航的重要發(fā)展方向。如將陸標信息和天文測量信息相融合，可顯著提高環(huán)繞和著陸段的自主導航精度。

與單一的導航方式相比，基于多源信息融合的自主導航能顯著提高系統(tǒng)的精度和可靠性，在敏感器故障檢測、診斷與隔離以及系統(tǒng)誤差修正方面具有優(yōu)勢。從信息融合的角度，需要重點解決的問題包括濾波結(jié)構(gòu)與融合算法、異步時延數(shù)據(jù)融合方法和故障后的濾波重構(gòu)技術(shù)等。此外，設(shè)計具有統(tǒng)一框架的自主導航方案，采用模塊化的導航軟件能極大地提高導航系統(tǒng)通用性，也是滿足深空探測不同任務要求的重要手段[6]。

2)導航敏感器微小型化和可復用一體化技術(shù)

隨著現(xiàn)代微電子、光電子以及微機電系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，深空探測自主導航敏感器也正朝著微小型化、模塊化、集成化和一體化的方向快速發(fā)展[6]。美國和歐洲航天器都在積極研制各種微型太陽敏感器、恒星羅盤、視頻敏感器和陀螺儀等。微小型化技術(shù)不但可以減小器上功能部件自身的重量，也會帶來系統(tǒng)的整體小型化和低功耗，從而大大減小整器的質(zhì)量、體積和功耗。

除了要向小型化、集成化、低功耗和輕型化的方向發(fā)展外，提高敏感器的復用程度也是有效途徑之一。國外的深空探測器，導航敏感器和光學載荷往往是共用的，可在不同階段實現(xiàn)不同的功能。例如星塵號探測器在飛越Wild-2彗星的過程中，就利用導航敏感器對彗核進行了三維測繪；隼鳥一號小行星探測器的著陸導航敏感器也同時承擔了對小行星表面的成像觀測任務等[7]。

3)導航目標的人工智能識別技術(shù)

獲取導航測量信息是實現(xiàn)自主導航的關(guān)鍵，導航信息的自主獲取與處理是實現(xiàn)自主導航與控制的前提[5]。為了提高自主導航系統(tǒng)的性能，必須獲取高質(zhì)量的導航信息，光學圖像導航是深空探測器自主導航的發(fā)展趨勢，圖像處理算法是其核心，是獲取高精度的導航天體信息和提高導航精度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，人工智能技術(shù)發(fā)展迅速，特別是在圖像識別領(lǐng)域中的應用有長足的進步，出現(xiàn)了專門用于圖像或語音處理的多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡學習算法。對于深空探測，越來越遠的飛行距離以及不確定的環(huán)境因素，使人工智能技術(shù)可成為未來導航目標識別的有效解決途徑之一。

3 自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)

3.1 發(fā)展現(xiàn)狀

自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)是隨著航天飛行任務擴展、可靠性提高及工作壽命延長等要求而發(fā)展起來的[8]。技術(shù)發(fā)展過程如圖3所示。

20世紀50年代開始的第一代航天器主要是通過器上各種狀態(tài)遙測數(shù)據(jù)發(fā)送至地面站，由地面站進行監(jiān)測并對航天器上可能出現(xiàn)的故障進行判斷，并簡單的通過航天器設(shè)計硬件的冗余切換，進行故障處理。如美國的第一艘載人宇宙飛船水星號以及蘇聯(lián)的第一艘載人宇宙飛船東方號。由于設(shè)計之初并沒有考慮到故障診斷的問題，僅通過遙測數(shù)據(jù)很難精確定位故障，所以只能采用整機切換的方式實現(xiàn)故障隔離。

20世紀70年代的第二代航天器系統(tǒng)中，故障診斷和重構(gòu)技術(shù)得到了很大發(fā)展。美國的陸地遙感衛(wèi)星(Landsat)、法國的斯波特衛(wèi)星(SPOT)、日本的地球遙感衛(wèi)星(JERS-1)等都具備了不同程度的故障診斷、隔離及重構(gòu)能力[9]。

第三代航天器系統(tǒng)關(guān)鍵部件有多重冗余，具有自主診斷和重構(gòu)的能力，滿足航天器對系統(tǒng)的安全性、可靠性要求，做到“一重故障保工作，雙重故障保安全”。如美國的阿波羅號載人飛船和俄羅斯的聯(lián)盟號飛船。

目前，航天器已從原來單一的由各分系統(tǒng)(如控制、電源、推進系統(tǒng)等)配置的故障診斷系統(tǒng)，向系統(tǒng)級狀態(tài)監(jiān)測、故障預測和故障修復系統(tǒng)發(fā)展，逐步形成航天器集成健康管理系統(tǒng)，從保障任務完成的系統(tǒng)頂層實現(xiàn)對航天器的故障綜合檢測與重構(gòu)。

中國航天器的自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)的研究起步相對較晚。20世紀80年代末，資源一號衛(wèi)星配置了具有智能接口的部件和模塊級備份計算機，成為中國第一顆具有一定自主故障診斷與重構(gòu)能力的衛(wèi)星。進入90年代，中國研制的遙感衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星、通信衛(wèi)星以及各類小衛(wèi)星的系統(tǒng)都不同程度地具有故障診斷與重構(gòu)功能。到目前為止，門限值檢驗法、推斷檢驗法、一致性檢驗法等故障診斷方法，以及備份部件切換、系統(tǒng)切換、敏感器和執(zhí)行機構(gòu)重構(gòu)等冗余控制方法都在中國已發(fā)射或在研型號中得到應用，可診斷到系統(tǒng)級和部件級。

圖3 自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀Fig.3 Development status of autonomous fault diagnosis and reconstruction technology

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)是建立在對航天器故障模式及其要素進行全面分析的基礎(chǔ)上，對部件級和系統(tǒng)級故障進行詳細的故障模式與影響分析，包括對故障發(fā)生機理、故障現(xiàn)象、故障對上下級部件的影響以及故障征兆在系統(tǒng)中的傳播關(guān)系，從而建立系統(tǒng)級故障模式與影響分析(FMEA)模型進行研究。其中，部件級故障模型以“故障輸出=正常輸出+故障”的簡單形式而得到。系統(tǒng)級故障模型以運動學和動力學關(guān)系為基礎(chǔ)，建立狀態(tài)空間方程，將敏感器故障作為輸入型故障，執(zhí)行機構(gòu)故障作為輸出型故障而得到。由于故障模型未能深入反映部件內(nèi)部的故障機理，以及解析模型自身不確定性因素的影響，約束了故障診斷方法的研究和應用。

在工程實施階段，需要根據(jù)對機理的分析，從系統(tǒng)頂層設(shè)計開始，就充分圍繞系統(tǒng)可診斷性進行設(shè)計，使航天器系統(tǒng)能夠檢測并識別出自身故障狀態(tài)，針對故障狀態(tài)進行系統(tǒng)的可靠性設(shè)計。由于規(guī)模的約束，可靠性設(shè)計不能僅僅依靠系統(tǒng)的冗余備份完成，必須考慮系統(tǒng)的可重構(gòu)性，并設(shè)計相應的工作模式或降維工作模式。特別是深空探測任務，對系統(tǒng)整體規(guī)模的約束更加嚴格，合理的診斷設(shè)計和重構(gòu)設(shè)計，是未來自主運行技術(shù)發(fā)展的重要途徑。后續(xù)研究重點包括以下內(nèi)容。

1)資源約束條件下的可診斷性設(shè)計[10]

可診斷性設(shè)計是指在設(shè)計階段，為了提高故障診斷性能而采取的措施，主要涉及可診斷性評價與測點配置?？稍\斷性評價用于判斷當前配置情況下，提供給故障診斷單元的信息是否足夠，測點是否已涵蓋考慮的所有故障模式，以及是否有必要對這些測點進行優(yōu)化或添加新測點來達到一定的故障診斷要求。

對于不滿足故障診斷要求的情況，需要在考慮深空探測器系統(tǒng)資源約束下，研究測點優(yōu)化配置方法。目前，在深空探測器系統(tǒng)設(shè)計過程中，遙測點配置雖然也考慮了部分故障診斷的需求，但大部分還是憑借經(jīng)驗，通過逐個分析故障來添加測點，尚未從全局出發(fā)通過分析各測點之間的冗余關(guān)系而給出涵蓋所有故障的最優(yōu)測點。

2)資源約束條件下的可重構(gòu)性設(shè)計[11]

深空探測器系統(tǒng)受重量和體積約束，不可能過多的為各部件配置硬件冗余，勢必造成故障發(fā)生后，缺乏有效的重構(gòu)策略可以實施，因此有必要在設(shè)計階段引入可重構(gòu)性設(shè)計，分析深空探測器對故障的容忍能力，識別系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，進而對薄弱環(huán)節(jié)進行硬件冗余或功能冗余設(shè)計，保證一旦發(fā)生故障后能夠?qū)崿F(xiàn)切換或系統(tǒng)重構(gòu)。但目前在深空探測器研制過程中，主要依靠可靠性分析、FMEA和設(shè)計人員的經(jīng)驗來確定系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，缺乏從重構(gòu)角度得到的相關(guān)分析，無法指導深空探測器的可重構(gòu)性設(shè)計。

可重構(gòu)性設(shè)計研究主要包括冗余度分析、重要部件識別、薄弱環(huán)節(jié)識別、系統(tǒng)構(gòu)型優(yōu)化設(shè)計等。

3)先進故障診斷重構(gòu)方法[12]

目前，國內(nèi)工程實施的深空探測任務所使用的故障診斷方法的對象特點單一，尚缺乏從系統(tǒng)層面進行故障診斷的方法，如基于解析模型的方法、基于知識的方法以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法等。如國外已成功將奇偶空間方法用于陀螺故障診斷中，將參數(shù)估計方法用于動量輪的故障診斷中。先進故障診斷方法的研究需要緊密結(jié)合深空探測器的下述特點開展。

(1)魯棒性。深空探測器所處環(huán)境中的各種未知干擾因素較多，而且往往難以事先預料；另一方面隨著深空探測器任務和結(jié)構(gòu)的復雜性日益增長，建模誤差對故障診斷的影響也越來越明顯，容易引起誤報和漏報。

(2)非線性。深空探測器屬于非線性系統(tǒng)，雖然在小角度情況下，動力學可以線性化，但由于太陽帆板和液體燃料儲箱等撓性因素影響，深空探測器動力學中的非線性特性越來越明顯。

(3)閉環(huán)特性。深空探測器是典型閉環(huán)系統(tǒng)，由于反饋的存在，早期的故障通常被控制器覆蓋，并且故障傳播也會使某一故障引起多個測點出現(xiàn)異常。

另外，大多數(shù)故障診斷方法都假設(shè)是已知故障，而深空探測器中還存在一類特殊故障，即非預期故障。雖然深空探測器發(fā)射之前也制定了相應的故障預案，但由于深空探測器運行環(huán)境的特殊性和復雜性，導致工作人員對故障模式的認識不夠透徹和深入，缺乏對在軌故障的了解，造成部分故障超出了故障預案范疇，稱之為非預期故障。針對非預期故障開展故障診斷方法研究也是關(guān)鍵技術(shù)之一。

4 智能信息技術(shù)

4.1 發(fā)展現(xiàn)狀

智能信息技術(shù)為自主任務規(guī)劃技術(shù)、自主導航技術(shù)、自主故障診斷與重構(gòu)技術(shù)等技術(shù)的在軌實現(xiàn)提供計算能力和網(wǎng)絡能力支撐，使得各類自主管理相關(guān)算法可以在高性能計算平臺中運行，并通過網(wǎng)絡與航天器內(nèi)部或其它航天器的節(jié)點進行信息交互，實現(xiàn)協(xié)同工作。

在計算能力方面，主要包含航天器抗輻照處理器和航天器嵌入式操作系統(tǒng)兩個部分。美國抗輻照處理器包括獵戶座[13]上使用的PPC750FX(主頻900 MHz)、火星車使用的RAD750(主頻110～200 MHz)、深空一號上使用的RAD6000(主頻33 MHz)、SMART-1使用的TSC695F(主頻25 MHz)等。中國抗輻照處理器包括TSC695F以及BM3803(主頻100 MHz)等，此外珠海歐比特公司開發(fā)了4核的S698PM(主頻600 MHz)，北京控制工程研究所開發(fā)了4核的SoC2012(主頻100 MHz)。美國嵌入式操作系統(tǒng)包括Green Hills公司的Integrity操作系統(tǒng)、風河公司的VxWorks操作系統(tǒng)等。中國嵌入式操作系統(tǒng)包括北京空間飛行器總體設(shè)計部開發(fā)的ASOS、EVTOS操作系統(tǒng)以及北京控制工程研究所開發(fā)的SpaceOS等。

在網(wǎng)絡能力上分為空間網(wǎng)絡和器內(nèi)網(wǎng)絡兩個部分。在空間網(wǎng)絡，美國與德國在2008年進行了空間激光試驗，傳輸速率達到5.6 Gbit/s，在軌星間速率在目前為止為最高。2013年美國的LLCD項目進行了月球到地面的激光通信，前向速率為20 Mbit/s，返向速率為622 Mbit/s。后續(xù)美國在研的OSIRISv3項目將進行國際空間站對地的激光試驗，預計速率可達10 Gbit/s。中國于2017年在實踐十三號衛(wèi)星上進行了地球同步軌道(GEO)對地的空間激光試驗，速率為2.4 Gbit/s。在器內(nèi)網(wǎng)絡，美國在獵戶座飛船中使用了時間觸發(fā)以太網(wǎng)，速率不小于1 Gbit/s，中國天宮一號上還使用了速率100 Mbit/s的1394總線，中國在深空探測器使用的主要為1553B總線。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

航天器智能信息技術(shù)包含在軌信息的獲取、處理和分發(fā)等多個方面，用于構(gòu)建航天器的計算和網(wǎng)絡平臺，為智能自主管理提供基礎(chǔ)支撐。具體包含高性能計算技術(shù)、多核分區(qū)操作系統(tǒng)技術(shù)、航天器組網(wǎng)與互聯(lián)互操作技術(shù)、航天器內(nèi)高速總線技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。其相互關(guān)系如圖4所示。

1)高性能計算技術(shù)

高性能計算技術(shù)重點研究構(gòu)建以高性能處理器為核心的高性能通用計算機。處理器目前的主流發(fā)展方向是由單核到多核。由于深空領(lǐng)域?qū)χ亓恳蟊容^苛刻，可重點研究將各類外圍接口(如遙控、遙測、總線等)與處理器集成形成片上系統(tǒng)(SOC)產(chǎn)品，用于支撐各類自主管理算法的高效運行。

2)多核分區(qū)操作系統(tǒng)技術(shù)

操作系統(tǒng)技術(shù)目前的發(fā)展趨勢是由支持單核到支持多核，由不支持分時分區(qū)到支持分時分區(qū)，功能更加多樣化?？紤]到未來在軌靈活動態(tài)加載各類智能算法APP，在軌需要具有分時分區(qū)功能的操作系統(tǒng)，使得不同用戶開發(fā)的APP可以在空間和時間隔離，一個APP出現(xiàn)故障不會影響其它APP。

3)航天器組網(wǎng)與互聯(lián)互操作技術(shù)

航天器組網(wǎng)與互聯(lián)互操作技術(shù)主要研究航天器與航天器之間、航天器與地面之間如何聯(lián)網(wǎng)，涉及核心通信協(xié)議、配套的硬件和軟件等多個方面。在協(xié)議層面重點研究如何將空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(CCSDS)協(xié)議與TCP/IP協(xié)議融合，以及特別適用于深空長延遲、高誤碼率環(huán)境下的容延遲網(wǎng)絡(DTN)協(xié)議[14]。配套的硬件主要為用于空間路由的空間路由器，配套的軟件包括用于實現(xiàn)各類協(xié)議的器載網(wǎng)絡中間件。

4)航天器內(nèi)高速總線技術(shù)

航天器內(nèi)高速總線技術(shù)用于在航天器內(nèi)部構(gòu)建一個高速網(wǎng)絡，使得各計算機之間可以進行信息共享，便于部署在不同計算機的智能自主管理APP進行通信以及在必要時進行任務遷移和重構(gòu)。目前可考慮基于TTE構(gòu)建航天器內(nèi)部高速網(wǎng)絡，基于CCSDS的航天器接口業(yè)務(SOIS)[15]搭建總線的相關(guān)通信協(xié)議，實現(xiàn)信息的共享。

圖4 航天器智能信息技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)Fig.4 Key technology of spacecraft function information technology

5 結(jié)論

隨著深空探測器對安全性、自主性的需求增長，對自主運行技術(shù)的需求越來越明顯。NASA已經(jīng)宣稱：在下一個十年里所有類型的探測器都將引入更多的先進集成管理技術(shù)，使探測器越來越智能，能夠?qū)崿F(xiàn)執(zhí)行系統(tǒng)級自評估、規(guī)劃并執(zhí)行其任務、管理自身健康并確定修復措施、與探測器上或地面人員交互和/或提供建議等功能。

自主運行技術(shù)是一項涉及學科廣泛、針對性強、工程需求明確的研究課題，是深空探測發(fā)展的共性核心技術(shù)。鑒于自主運行技術(shù)的重要意義和發(fā)展趨勢，提出如下建議。

(1)從深空探測發(fā)展道路中總結(jié)經(jīng)驗，制定適合中國國情的技術(shù)發(fā)展路線。DS-1探測器、小型先進技術(shù)研究任務-1(SMART-1)月球探測器的自主管理系統(tǒng)或故障檢測、隔離與重構(gòu)(FDIR)系統(tǒng)表明美國、歐洲等航天先進國家逐步探索并掌握了一定的自主技術(shù)。中國也取得了一定的階段性成果，但是由于深空探測器的廣度和深度還略顯不足，這就要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)，結(jié)合目前研究水平，提出符合當前發(fā)展規(guī)劃的自主運行技術(shù)的發(fā)展思路，針對實際的任務需求開展研究，切勿急功近利。

(2)根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)和研究結(jié)果，逐步完成基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)實施的轉(zhuǎn)化。中國在自主任務規(guī)劃、自主故障診斷與重構(gòu)研究方面雖已經(jīng)取得了一些成熟理論成果，但開展的研究必須緊密聯(lián)系具體系統(tǒng)和實際工程，單純理論上的研究在工程實用方面還存在許多限制。因此理論成果到產(chǎn)品和工業(yè)的轉(zhuǎn)化還需要一段進程，須要以實事求是的態(tài)度，盡快開展探測器系統(tǒng)自主運行技術(shù)的發(fā)展研究，逐步完成基礎(chǔ)理論到關(guān)鍵技術(shù)的轉(zhuǎn)化。

(3)著力開展地面驗證與飛行試驗。深空探測器自主運行技術(shù)應按照地面仿真驗證、地面物理驗證和飛行試驗三個階段開展。地面驗證(包括地面仿真驗證和地面物理驗證)是推動自主運行技術(shù)各方面核心技術(shù)走向工程實用的必要且重要的一環(huán)。如何在地面真實且全面地模擬可能的故障現(xiàn)象以及如何評估采用方法或模型的有效性都是研究的重點，應盡快在現(xiàn)有試驗條件的基礎(chǔ)上改造或新建地面驗證系統(tǒng)，促進研究方法和技術(shù)的工程實現(xiàn)。