倪海波

沈強(qiáng)在馬耳他參加國際會議期間留影

2021年，是沈強(qiáng)接觸航天器控制研究的第11年。這11年，沈強(qiáng)參與了多項(xiàng)新加坡國防科技局、美國國防高科技研究局關(guān)于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計、航天器容錯系統(tǒng)設(shè)計、飛行器行為意圖辨識等項(xiàng)目。與此同時，在世界范圍內(nèi)，航天器作為太空探索任務(wù)的核心載體，一直備受各個國家的重視，而其控制系統(tǒng)更是起著關(guān)鍵作用，對于今后航天器更好地完成空間探測任務(wù)具有重要意義。

順應(yīng)時勢，沈強(qiáng)回國應(yīng)聘成為上海交通大學(xué)長聘教軌副教授，他心里已經(jīng)勾勒出了一個完美的發(fā)展起點(diǎn)——足夠優(yōu)秀的平臺、更多的交流機(jī)會、在業(yè)內(nèi)發(fā)揮影響力的專家與他同行合作。2020年，沈強(qiáng)成功入選上海海外高層次人才引進(jìn)計劃，他愿做航天器的“護(hù)航者”，在航天器智能自主和安全控制上深耕，為國家重大需求貢獻(xiàn)自己的力量。

興趣是最好的老師

指針不停轉(zhuǎn)動的鐘表，隨音樂起舞的八音盒，按照指令運(yùn)行的計算機(jī)……從機(jī)械自動化到程序自動化，這些都是少年時期的沈強(qiáng)最感興趣的器件。除此之外，沈強(qiáng)喜歡數(shù)學(xué)和物理，對火箭發(fā)射、探測器登月格外熱衷，對擁有航空、航天、航海專業(yè)的三航院校心生向往。高考那年，他綜合多方面因素，選擇了西北工業(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，攻讀自動化專業(yè)。

2011年，興趣加持的沈強(qiáng)前往新加坡南洋理工大學(xué)電力與電子工程學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)，并且順利拿到了新加坡政府全額研究生獎學(xué)金。讀博期間，沈強(qiáng)的研究方向一如既往地和自己的興趣貼合，他通過閱讀外文文獻(xiàn)，積極與導(dǎo)師交流，冒出了不少新的想法。他主動跟導(dǎo)師進(jìn)行匯報反饋，確定了自己的研究方向——航天器容錯控制系統(tǒng)的研究?！俺上裥l(wèi)星發(fā)射升空后最重要的功能之一是拍照，我要做的工作有兩個：一是調(diào)整衛(wèi)星在軌道運(yùn)行的姿態(tài)，使其更好地對準(zhǔn)拍照；二是衛(wèi)星在姿態(tài)機(jī)動中可能發(fā)生故障，需要確保發(fā)生故障后衛(wèi)星依然能完成拍照任務(wù)，保障衛(wèi)星的安全性和穩(wěn)定性。”沈強(qiáng)談到自己的研究領(lǐng)域，話匣子漸漸打開了。

“有興趣就是一種動力，有動力才會去發(fā)現(xiàn)問題、探索問題、解決問題，問題解決了自然會出成果。”在沈強(qiáng)看來，興趣—探索—收獲是一個無限正循環(huán)的過程，人只有在這個過程中不斷地向前走，才能保持一顆對學(xué)術(shù)追求火熱的心。

2016年，沈強(qiáng)獲得了由國家留學(xué)基金管理委員會設(shè)立的“國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎學(xué)金”，新加坡一年只有30多名留學(xué)生能獲得這項(xiàng)獎勵。“我感受到了國家對我的鼓勵，至少說明博士期間的科研工作得到了認(rèn)可。”沈強(qiáng)略帶開心地說道。

博士畢業(yè)后，沈強(qiáng)主動找到了新加坡國立大學(xué)的Goh Cher Hiang教授，進(jìn)入新加坡國立大學(xué)淡馬錫實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究科學(xué)家，繼續(xù)著自己博士期間的研究——如何控制航天器，提高它的自主性、魯棒性、安全性。Goh Cher Hiang教授是新加坡的第一顆微型人造衛(wèi)星X-SAT的總負(fù)責(zé)人，與沈強(qiáng)的研究方向非常契合。此后兩年的時間里，沈強(qiáng)跟隨Goh Cher Hiang教授的團(tuán)隊(duì)一起做項(xiàng)目，其間和新加坡科技工程有限公司（Singapore Technologies Engineering）合作，開發(fā)新加坡新一代的衛(wèi)星容錯自主控制系統(tǒng)。他也因此學(xué)到了很多科研之外的東西，比如團(tuán)隊(duì)管理經(jīng)驗(yàn)和對項(xiàng)目的管控能力。

2017年12月，沈強(qiáng)結(jié)束在新加坡國立大學(xué)淡馬錫實(shí)驗(yàn)室的研究工作，前往美國亞利桑那州立大學(xué)機(jī)械與航天工程系從事博士后研究，跟隨導(dǎo)師Yong Sze Zheng教授研究自動駕駛系統(tǒng)的智能自主控制和狀態(tài)估計，在無人駕駛方面做了大量的工作?！白詣玉{駛的車輛怎樣去估計和學(xué)習(xí)其他車輛的行為意圖？如果能夠了解其他車輛的行為意圖，就可以提高無人駕駛系統(tǒng)的安全性，減少對突發(fā)情況的反應(yīng)時間，同時保證駕駛的舒適性和安全性?！鄙驈?qiáng)相信如果能做出成果，將給人類未來的生活帶來巨大的改變。

奮斗的日子閃閃發(fā)光

2019年冬天，伴隨著凜冽的寒風(fēng)，沈強(qiáng)回到了闊別已久的祖國?；叵肫鸾?0年海外學(xué)習(xí)生涯，那些奮斗過的日子依然在他的記憶里閃閃發(fā)光。他清楚地記得剛?cè)バ录悠聲r，“那是我第一次作組會報告，做得不太好，所以印象特別深刻”，導(dǎo)師王鄲維教授當(dāng)時一字一句地和沈強(qiáng)說明應(yīng)該如何修改：從論文題目選取、摘要及內(nèi)容細(xì)化，到怎樣開展相關(guān)研究學(xué)習(xí)、找到最適合自己的研究方法，再到演講的姿態(tài)、行為舉止……這些事無巨細(xì)的教導(dǎo)至今仍然深深影響著沈強(qiáng)。

而第一次投稿論文則讓沈強(qiáng)對研究過程中的溝通交流有了更深的體會?！拔业牡谝黄撐?，寫了很長時間，但是投出去后等了11個月卻被拒掉了?！鄙驈?qiáng)當(dāng)時覺得非常沮喪，但是他沒有氣餒。他非常理性地分析了論文存在的問題，跟導(dǎo)師進(jìn)行交流，重新梳理了文章的框架。除此之外，他還積極聯(lián)系校內(nèi)校外的老師，甚至是開會認(rèn)識的老師，發(fā)郵件給他們，請他們幫忙修改，改到最后他幾乎把所有的內(nèi)容重新寫了一遍。最終，沈強(qiáng)的論文登上了航天技術(shù)類的國際頂級期刊，他說：“要對自己的問題有理性的思考，不懼怕困難，多和老師進(jìn)行合理、深度的交流，才能最終解決問題。”

第一次作報告的無措、第一次投稿被拒的沮喪，可能都比不上截稿日期當(dāng)天交稿的瘋狂。沈強(qiáng)與美國亞利桑那州立大學(xué)Yong Sze Zheng教授合作的論文在提交時發(fā)現(xiàn)了一個致命的錯誤，只能找現(xiàn)有的論文資料，自己想辦法寫出解決問題的答案。當(dāng)時，沈強(qiáng)和Yong Sze Zheng教授在辦公室待了一整天，一直討論，一直寫到晚上12點(diǎn)，在截稿日期的最后一分鐘提交了論文?！皶r間真的很緊迫，但是大家一起討論的聲音至今還能在耳邊響起?！痹诳蒲械牡缆飞?，能和同行者一起交流、探索，最后成功地完成，沈強(qiáng)現(xiàn)在回想起來還是覺得很有成就感。

回國后沈強(qiáng)選擇了上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院作為自己在國內(nèi)的起點(diǎn)，開始了新的旅程。在沈強(qiáng)看來，個人的發(fā)展總要和國家的發(fā)展需求結(jié)合起來，一個人只有順應(yīng)國家發(fā)展的潮流，才能把握住其中的機(jī)遇，自己也能得到更好的發(fā)展。而上海交通大學(xué)素來有這樣的傳統(tǒng)，如錢學(xué)森等許多在國家艱難困苦之際，克服重重困難，毅然回國的前輩，深刻影響著沈強(qiáng)。上海作為科技與經(jīng)濟(jì)中心，其活力也深深感染了他，在這里有優(yōu)秀的平臺，有更多科研交流的機(jī)會?！吧虾＝煌ù髮W(xué)有許多在行業(yè)內(nèi)很有影響力的專家學(xué)者，對我來說是一個很好的契機(jī)。”沈強(qiáng)對自己今后在上海的發(fā)展充滿信心。

有壓力才有動力

沈強(qiáng)在上海交通大學(xué)的教學(xué)崗位是長聘教軌副教授，學(xué)校從2010年起探索設(shè)置長聘教軌，候選者在6年聘期結(jié)束時接受學(xué)?？己耍巧醋撸婵疾旌蜻x者的師德師風(fēng)、學(xué)術(shù)水平、教學(xué)能力、綜合素養(yǎng)等，從而實(shí)現(xiàn)好中選優(yōu)、優(yōu)中選強(qiáng)。為期6年的考核制度對沈強(qiáng)來說，既是壓力又是動力?！拔覍毫€是挺積極樂觀的，我感覺這也是一個自我提升的過程。”沈強(qiáng)認(rèn)為只有在有壓力的環(huán)境下，人才能成長，才能做出預(yù)期的成果。

有動力的沈強(qiáng)目前正在積極申請科研項(xiàng)目，他的項(xiàng)目“執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障情況下航天器容錯自適應(yīng)控制分配方法研究”獲得了上海市2020年度揚(yáng)帆計劃項(xiàng)目的資助，項(xiàng)目“基于凸優(yōu)化的受限航天器容錯姿態(tài)控制”獲得了2020年度上海市自然科學(xué)基金的資助。

控制分配是解決冗余控制的一種有效方法，在航天器、艦船、水下航行器、四輪驅(qū)動汽車等對安全性要求較高的過驅(qū)動（over-actuated）動態(tài)控制系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。過去通常采用靜態(tài)控制分配的方法去管理系統(tǒng)冗余，滿足控制過程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)約束和提高系統(tǒng)安全性，而這一方法需要在每一采樣周期求解一個優(yōu)化問題，實(shí)時性較差，尤其在系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障后，穩(wěn)定性和可靠性得不到保障。

在此基礎(chǔ)上，沈強(qiáng)通過多方面的考慮設(shè)計了動態(tài)的控制分配方法，能夠?qū)崟r保證系統(tǒng)的安全性，提高系統(tǒng)的可靠性?！笆紫?，我們將執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障信息和控制分配算法有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造能夠最少使用故障執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動態(tài)自適應(yīng)控制分配策略?！鄙驈?qiáng)通過設(shè)計針對控制分配誤差的李雅普諾夫函數(shù)，使控制分配更新律能夠在有限時間內(nèi)漸近收斂到最優(yōu)值，從而避免在每一采樣周期直接求解優(yōu)化問題。其次，考慮航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，沈強(qiáng)所提出的方法能夠避免傳統(tǒng)容錯控制系統(tǒng)的控制器重構(gòu)，在控制分配設(shè)計中直接實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最優(yōu)故障調(diào)節(jié)和冗余管理。如果項(xiàng)目進(jìn)展成功，沈強(qiáng)將所設(shè)計的自適應(yīng)控制分配方法應(yīng)用到航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中驗(yàn)證其有效性和可靠性。

“未來預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益主要是在降低航天器運(yùn)行成本和維修成本?！鄙驈?qiáng)解釋道，航天器的控制系統(tǒng)里有一臺星載計算機(jī)，對安全性能的要求非常高，因?yàn)樗３Ｌ幵诜浅毫拥沫h(huán)境中，受到空間環(huán)境強(qiáng)輻射、強(qiáng)電磁干擾等因素影響。但是機(jī)載計算機(jī)的安全性能提高后，它的計算性能就會下降。而沈強(qiáng)的方法可以在不影響星載計算機(jī)安全性能的前提下降低控制系統(tǒng)對計算性能的要求，從而降低包括衛(wèi)星等航天器的運(yùn)行成本。同時，此方法通過控制分配實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)無故障和故障情況下的自主控制調(diào)節(jié)，減少地面測控中心和在軌服務(wù)航天器等支持系統(tǒng)的干預(yù)，進(jìn)而降低航天器維修成本和延長航天器在軌運(yùn)行壽命。

沈強(qiáng)的另一個主要研究方向是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制。姿態(tài)控制系統(tǒng)作為航天器核心分系統(tǒng)之一，其任何部件的可靠性和安全性都直接關(guān)系航天器的安全和航天任務(wù)的成功。惡劣的太空環(huán)境、長時間高強(qiáng)度運(yùn)行以及復(fù)雜的機(jī)械電子設(shè)備等因素導(dǎo)致航天器故障層出不窮。例如，2019年1月，美國洛克希德·馬丁公司建造并發(fā)射的“Word View 4”衛(wèi)星，由于姿態(tài)控制系統(tǒng)中控制力矩陀螺失效，致使其無法精確控制指向，因而不能再生成可用圖像?！靶l(wèi)星在太空中發(fā)生故障時，我們其實(shí)很難對故障進(jìn)行建模和實(shí)時估計，現(xiàn)有的衛(wèi)星故障模型也很難真實(shí)反映衛(wèi)星到底出現(xiàn)了什么樣的故障。”基于上述考慮，沈強(qiáng)想到通過機(jī)器學(xué)習(xí)方法去辨識和估計航天器中發(fā)生的故障，簡化典型故障下的不確定非線性航天器動力學(xué)模型，研究主動故障診斷方法實(shí)現(xiàn)航天器故障的快速定位、快速隔離，減少故障估計的時間，從而降低故障對系統(tǒng)性能的影響。

在中國駐新加坡大使館參加國家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎學(xué)金頒獎典禮

在沈強(qiáng)看來，研究航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)自主容錯技術(shù)，為航天器主動故障診斷中關(guān)鍵技術(shù)和前沿難點(diǎn)問題提出新的理論研究方法，為智慧航天器的安全可靠自主運(yùn)行提供理論儲備和技術(shù)支撐，有著重大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。沈強(qiáng)認(rèn)為，現(xiàn)在很多人都提出中國要在各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，他卻覺得彎道超車固然很好，但更重要的是要另辟蹊徑，做出中國自己的特色。

努力向未來邁進(jìn)

沈強(qiáng)回國的時間不長，但是他對自己的定位很明確。在教學(xué)上，他感謝上海交通大學(xué)的老師和同事給了他很多指導(dǎo)建議，期待未來能成為一位好老師。在培養(yǎng)學(xué)生上，雖然才剛剛起步，但沈強(qiáng)最重視學(xué)生的興趣和好奇心，“如果學(xué)生有興趣和好奇心，那么他探索的問題就會越多，主動研究的資料也會越多，能學(xué)到的東西自然是最多的”。在團(tuán)隊(duì)發(fā)展上，沈強(qiáng)希望能夠通過3～5年的發(fā)展，擁有一個在智能航天器及集群自主安全控制研究上較有規(guī)模的團(tuán)隊(duì)，申請到國家重大計劃項(xiàng)目和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持?！拔业难芯款I(lǐng)域都是國家未來需要快速發(fā)展和投入很多精力的領(lǐng)域，如果能把個人的發(fā)展和國家的需求結(jié)合起來，讓自己的科研服務(wù)于國家，就再好不過了?！?/p>

平時沈強(qiáng)長期待在實(shí)驗(yàn)室，面對文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能坐上一整天，而生活中的他卻是一位登山和馬拉松運(yùn)動的愛好者。2014年10月，印度尼西亞林賈尼火山徒步旅行；2015年12月，新加坡渣打馬拉松；2016年3月，馬來西亞沙巴京那巴魯山徒步旅行；2017年5月，四川四姑娘山徒步旅行……那些攀登過的山、跑過的馬拉松，就像是科研中的每一個節(jié)點(diǎn)，沈強(qiáng)順利通過它們，繼續(xù)攀登新的山峰?！坝泻玫纳眢w，才能做更好的研究?！鄙驈?qiáng)表示自己一直堅(jiān)持跑步，好的身體才能讓他在學(xué)術(shù)道路上孜孜求索，在研究領(lǐng)域內(nèi)不斷取得新的成果。

科研就像是一場沒有終點(diǎn)的馬拉松比賽，不僅要有耐心，還要有絕對的熱忱，只有一刻不停地向前奔跑，才能離真理更近一點(diǎn)?！翱蒲羞@場馬拉松，我要一直跑下去?！鄙驈?qiáng)笑著說。