包為民

中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司,北京 100048

航天技術(shù)是一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的重要體現(xiàn),經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展,中國(guó)航天已經(jīng)步入世界航天大國(guó)行列,截止至2021年11月,“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭累計(jì)成功發(fā)射了390余次,并且連續(xù)2年宇航發(fā)射數(shù)量位居世界第一?；仡欀袊?guó)航天的發(fā)展歷程,中國(guó)運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有、從有到全、從低軌到高軌,從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射空間站的不斷跨越。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始,長(zhǎng)征一號(hào)(CZ-1)、長(zhǎng)征二號(hào)(CZ-2)運(yùn)載火箭的發(fā)射成功,解決了中國(guó)運(yùn)載火箭的有無(wú)問(wèn)題；90年代長(zhǎng)征二號(hào)捆綁(CZ-2E)火箭成功發(fā)射外國(guó)衛(wèi)星,中國(guó)航天商業(yè)發(fā)射走向世界；載人航天運(yùn)載火箭長(zhǎng)征二號(hào)F(CZ-2F),已取得了“16戰(zhàn)16捷”的驕人戰(zhàn)績(jī),將11名宇航員14人次送入太空；進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),長(zhǎng)征五號(hào)(CZ-5)、長(zhǎng)征七號(hào)(CZ-7)、長(zhǎng)征八號(hào)(CZ-8)等新一代運(yùn)載火箭陸續(xù)首飛,中國(guó)航天全域軌道發(fā)射能力達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平,長(zhǎng)征十一號(hào)(CZ-11)固體運(yùn)載火箭商業(yè)化發(fā)展趨勢(shì)明顯,快速、便捷、靈活、發(fā)射成本低等特點(diǎn)支撐了多樣化發(fā)射需求。隨著中國(guó)航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的步伐加快,新一代載人運(yùn)載火箭(CZ-5G)轉(zhuǎn)入方案研制階段,重型運(yùn)載火箭(CZ-9)處于關(guān)深階段,重復(fù)使用火箭進(jìn)入工程研制,高可靠和智能化將成為未來(lái)火箭的發(fā)展方向。

在國(guó)內(nèi)外航天史上,火箭發(fā)射失利時(shí)有發(fā)生。其中,以動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)故障較為頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì),到20世紀(jì)70年代,美國(guó)發(fā)射了上千枚中遠(yuǎn)程導(dǎo)彈及運(yùn)載火箭,其中,由于增壓輸送及發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)故障造成的飛行失敗約占50%。1990—2015年間,國(guó)外火箭由于動(dòng)力系統(tǒng)故障導(dǎo)致失敗的共有64起,占全部發(fā)射失敗的51%。2015—2017年間,國(guó)外火箭發(fā)射失利共7起,推進(jìn)系統(tǒng)引起的有5起。據(jù)統(tǒng)計(jì),在1990—2000年間,約42.5%的歐美,日本及前蘇聯(lián)/俄羅斯運(yùn)載器發(fā)射失敗都有可能利用先進(jìn)制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制技術(shù)得以補(bǔ)救挽回,能夠繼續(xù)完成任務(wù)或者降級(jí)完成任務(wù)[1]。

支撐中國(guó)航天未來(lái)發(fā)展核心關(guān)鍵領(lǐng)域之一的制導(dǎo)、導(dǎo)航與控制等技術(shù),已成為近年來(lái)航天領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)[2]。隨著以人工智能技術(shù)為代表的新工業(yè)革命快速發(fā)展,先進(jìn)空間國(guó)家紛紛在自己的宇航計(jì)劃中增大了對(duì)智能自主控制技術(shù)方面的投入力度,航天控制系統(tǒng)正在逐步走向智能化[3]。通過(guò)智能控制技術(shù)提高火箭性能,增強(qiáng)火箭主動(dòng)適應(yīng)及自主決策能力,賦能火箭“會(huì)學(xué)習(xí)”[1],將具有重要的理論與工程應(yīng)用價(jià)值。

1 航天智能技術(shù)從航天器的可靠性做起

航天技術(shù)是實(shí)現(xiàn)人類(lèi)走出地球、利用空間、探索空間的重要手段。航天工業(yè)涉及總體設(shè)計(jì)、控制、材料、計(jì)算機(jī)等多個(gè)領(lǐng)域,覆蓋航空宇航科學(xué)、控制科學(xué)、儀器科學(xué)、材料科學(xué)等多個(gè)學(xué)科內(nèi)容,是一個(gè)涉及專(zhuān)業(yè)多、領(lǐng)域覆蓋廣、學(xué)科覆蓋全的綜合行業(yè)。為確保航天任務(wù)萬(wàn)無(wú)一失,航天技術(shù)的發(fā)展以提升航天器的可靠性為基礎(chǔ),特別是近年來(lái)智能控制技術(shù)的快速發(fā)展,為航天器可靠性的提升提供了新的探索方向。

1.1 航天器是可靠性要求高的自主系統(tǒng)

作為自主系統(tǒng),航天器對(duì)可靠性的要求更高、更嚴(yán)格[4],具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

1) 基本可靠性要求高。無(wú)人、自主飛行是航天器與生俱來(lái)的特質(zhì),航天器要在無(wú)人干預(yù)的條件下,在特定環(huán)境和時(shí)間內(nèi)無(wú)故障、高可靠工作,這對(duì)航天器設(shè)計(jì)、制造過(guò)程中的基本可靠性提出更高要求。

2) 使用可靠性要求高。航天器所處的空間環(huán)境復(fù)雜,自身體積、功耗、運(yùn)算裝置、能源等均有苛刻限制,同時(shí)還要完成入軌、調(diào)姿、對(duì)接等高精度任務(wù),這些限制約束對(duì)航天器在實(shí)際環(huán)境中的使用可靠性提出了更高要求。

3) 任務(wù)可靠性要求高。航天系統(tǒng)需要具備進(jìn)出空間、利用空間、探索空間以及自主開(kāi)發(fā)空間4大能力,任務(wù)復(fù)雜程度高,難度大,需要多個(gè)航天器協(xié)同完成,需要復(fù)雜的事件流程和任務(wù)規(guī)劃,需要多個(gè)航天器在任務(wù)剖面內(nèi)精確的完成預(yù)定動(dòng)作,這對(duì)整個(gè)任務(wù)完成的可靠性提出了更高要求。

1.2 火箭、衛(wèi)星、深空探測(cè)器對(duì)高可靠性需求迫切

航天任務(wù)系統(tǒng)復(fù)雜,具有投入大、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn),而如何提升航天器的可靠性,減少任務(wù)失敗的可能性,也是航天工程面臨的永恒主題。隨著重復(fù)使用、在軌服務(wù)與維護(hù)、深空探測(cè)等任務(wù)需求的進(jìn)一步明確,中國(guó)航天技術(shù)的發(fā)展將圍繞如何提升航天器的自主性、可靠性展開(kāi),具體體現(xiàn)在：

1) 運(yùn)載火箭需具備高可靠、低成本、多任務(wù)實(shí)現(xiàn)等能力。高可靠實(shí)現(xiàn)故障能診斷、控制可重構(gòu)；低成本實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用以及自主返回功能；多任務(wù)實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃、多任務(wù)統(tǒng)籌等功能。

2) 衛(wèi)星要具備易運(yùn)維、多功能等能力。易運(yùn)維能力實(shí)現(xiàn)星上自診斷、自決策,減少對(duì)地面測(cè)控依賴(lài)；多功能能力實(shí)現(xiàn)軟件功能自定義,可支撐多種空間任務(wù)。

3) 深空探測(cè)器要具備強(qiáng)適應(yīng)、強(qiáng)生存、強(qiáng)自主等能力。強(qiáng)適應(yīng)實(shí)現(xiàn)自主決策與規(guī)劃,能夠適應(yīng)極端環(huán)境；強(qiáng)生存實(shí)現(xiàn)動(dòng)力持久、壽命長(zhǎng)、超遠(yuǎn)距離測(cè)控與通信；強(qiáng)自主實(shí)現(xiàn)自主導(dǎo)航與控制、未知環(huán)境自主探測(cè)以及威脅識(shí)別與自主規(guī)避等功能。以上能力需求的提出,對(duì)航天器的高可靠性提出了更高需求,亟需對(duì)提升航天器可靠性進(jìn)行研究和探索。

2 航天器的可靠性從航天智能控制做起

隨著控制科學(xué)與技術(shù)的迅速發(fā)展,人工智能的理論與技術(shù)成果已在控制領(lǐng)域得到了應(yīng)用和發(fā)展,智能控制技術(shù)將是人工智能及相關(guān)前沿技術(shù)的綜合體現(xiàn)。在航天工程領(lǐng)域,由于環(huán)境、故障、本體不確定,外部干擾等特有屬性,傳統(tǒng)控制方法存在應(yīng)對(duì)能力不足、解決問(wèn)題不全等問(wèn)題,亟需航天智能控制技術(shù)給出系統(tǒng)性、綜合性的解決方案,以提升航天飛行器的可靠性。

2.1 控制科學(xué)的發(fā)展路線(xiàn)

控制科學(xué)是一門(mén)研究機(jī)器、生命、社會(huì)中控制和通訊的一般規(guī)律的科學(xué),是研究動(dòng)態(tài)系統(tǒng)在變化的環(huán)境條件下如何保持平衡狀態(tài)或穩(wěn)定狀態(tài)的科學(xué)。按照控制學(xué)科的發(fā)展歷程,可分為萌芽期,古典控制,現(xiàn)代控制和智能控制4個(gè)階段[1]。

1) 萌芽期。19世紀(jì)中葉,麥克斯韋為解決蒸汽機(jī)調(diào)速系統(tǒng)劇烈問(wèn)題,引出了控制穩(wěn)定性等基本概念[5],在機(jī)械化廣泛應(yīng)用的背景下,萌生了自動(dòng)控制的研究需求。

2) 古典控制。20世紀(jì)上半葉,Wiener等[6]提出了控制中最經(jīng)典的“反饋”概念,在通訊技術(shù)及自動(dòng)控制的推動(dòng)下,控制理論迅速發(fā)展。

3) 現(xiàn)代控制。自20世紀(jì)60年代以來(lái),航天器精準(zhǔn)控制、機(jī)器人靈巧控制等以狀態(tài)空間方法為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng),以分析和設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的現(xiàn)代控制理論,以及數(shù)字式控制系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

4) 智能控制。21世紀(jì)以來(lái),機(jī)器學(xué)習(xí)算法不斷突破、計(jì)算能力迅速提高,需要建立分布式多參數(shù)系統(tǒng)、非線(xiàn)性系統(tǒng)、隨機(jī)系統(tǒng)等更為復(fù)雜系統(tǒng)的控制理論與方法來(lái)解決日益增長(zhǎng)的任務(wù)需求,而智能控制的發(fā)展與應(yīng)用將是行之有效的解決途徑。

縱觀控制科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展歷程,可看出控制理論的任何重大進(jìn)展均取決于當(dāng)時(shí)社會(huì)生產(chǎn)力的需要和人類(lèi)已有知識(shí)的準(zhǔn)備,控制工程的任何重大進(jìn)展均取決于當(dāng)時(shí)的控制理論水平、零部件與工業(yè)制造水平。

2.2 智能控制技術(shù)是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)

作為控制理論的第4個(gè)里程碑,智能控制也是人工智能技術(shù)與工業(yè)界融合發(fā)展的抓手。美籍華人科學(xué)家傅京孫在1965年首次提出把人工智能的啟發(fā)式推理規(guī)則用于學(xué)習(xí)控制系統(tǒng),提出將人工智能與自動(dòng)控制結(jié)合起來(lái)[7]；1977年,美國(guó)人薩里迪斯 (G.N.Saridis) 提出智能控制是人工智能、自動(dòng)控制與運(yùn)籌學(xué)的深度交叉融合的產(chǎn)物[8]。將智能控制技術(shù)賦能航天工程,使得航天器更加聰明,主要技術(shù)指標(biāo)得到顯著提升,并能通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,使能力得到持續(xù)提升,解決傳統(tǒng)控制方法難以解決的控制問(wèn)題。智能控制技術(shù)能夠使航天器適應(yīng)更大的偏差、適應(yīng)更惡劣的環(huán)境,同時(shí)具備訓(xùn)練、學(xué)習(xí)、演進(jìn)的能力,是控制系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

2.3 智能控制技術(shù)是提升航天器可靠性的有效途徑

智能控制技術(shù)的發(fā)展,使航天器具備以往所不具備的能力,變得更聰明,能夠適應(yīng)來(lái)自本體、環(huán)境和目標(biāo)的不確定性,完成復(fù)雜任務(wù)。而當(dāng)前,中國(guó)航天工程可靠性提升存在的挑戰(zhàn)主要有飛行環(huán)境的不確定性、應(yīng)對(duì)故障的不確定性、應(yīng)對(duì)干擾的不確定性以及對(duì)自身狀態(tài)的不確定性4個(gè)方面。要解決這些難題,航天技術(shù)必須與“智能”相結(jié)合,以“智能控制”為抓手,提升航天器可靠性。

2.3.1 智能控制技術(shù)是提升運(yùn)載火箭可靠性的有效途徑

經(jīng)過(guò)60多年的發(fā)展,中國(guó)運(yùn)載火箭制導(dǎo)控制技術(shù)得到長(zhǎng)足發(fā)展。1960年,仿制前蘇聯(lián)“1059”導(dǎo)彈發(fā)射成功,無(wú)線(xiàn)電+位置積分的制導(dǎo)方式,實(shí)現(xiàn)了中國(guó)制導(dǎo)技術(shù)零的突破。1964年,攝動(dòng)制導(dǎo)技術(shù)在東風(fēng)二號(hào)復(fù)飛試驗(yàn)中首次應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)精度大幅提升。20世紀(jì)80年代開(kāi)始,迭代制導(dǎo)技術(shù)理論取得一系列突破,并在CZ-2F等運(yùn)載火箭上得到應(yīng)用,使中國(guó)運(yùn)載火箭的制導(dǎo)方法誤差減小了一個(gè)數(shù)量級(jí)。2010年以來(lái),進(jìn)行了非程序制導(dǎo)技術(shù)攻關(guān),并取得了演示驗(yàn)證飛行試驗(yàn)成功,大幅提升了制導(dǎo)技術(shù)智能化水平。

20世紀(jì)60年代,中國(guó)航天自主研發(fā)的頻域設(shè)計(jì)技術(shù)成功解決了以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭為代表航天運(yùn)載器控制問(wèn)題,奠定了姿態(tài)控制系統(tǒng)工程化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代,中國(guó)航天應(yīng)用數(shù)字式姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證技術(shù),實(shí)現(xiàn)了某飛行器全數(shù)字化姿態(tài)控制。20世紀(jì)90年代,CZ-2F載人運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)首先全面使用了系統(tǒng)級(jí)冗余技術(shù),顯著提高了火箭的故障適應(yīng)能力。2010年以來(lái),中國(guó)航天將自適應(yīng)控制技術(shù)應(yīng)用于某飛行器、遠(yuǎn)征(YZ)上面級(jí)等箭上姿控系統(tǒng)中,為具有不確定性參數(shù)和干擾的箭體控制提供了技術(shù)解決途徑。

運(yùn)載火箭制導(dǎo)控制技術(shù)的發(fā)展逐步從適應(yīng)偏差,向適應(yīng)本體、適應(yīng)環(huán)境、適應(yīng)任務(wù)更新升級(jí),提升了運(yùn)載火箭的入軌精度、控制品質(zhì)與可靠性。隨著未來(lái)新型運(yùn)載火箭發(fā)展,將呈現(xiàn)高密度發(fā)射、重復(fù)使用、航班化等運(yùn)營(yíng)模式,亟需航天智能控制技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提升運(yùn)載火箭的可靠性。中國(guó)運(yùn)載火箭制導(dǎo)控制技術(shù)發(fā)展歷程,如圖1所示。

圖1 中國(guó)運(yùn)載火箭制導(dǎo)控制技術(shù)發(fā)展歷程

2.3.2 智能控制技術(shù)是提升空間飛行器可靠性的有效途徑

1970年,中國(guó)航天采用單軸自旋穩(wěn)定控制技術(shù)成功發(fā)射東方紅一號(hào)衛(wèi)星,標(biāo)志著中國(guó)正式開(kāi)啟太空時(shí)代。1997年,東方紅三號(hào)衛(wèi)星控制系統(tǒng)首次采用全三軸穩(wěn)定控制技術(shù),顯著提升了衛(wèi)星在軌壽命和運(yùn)行可靠性。2011年,神州八號(hào)載人飛船與天宮一號(hào)成功實(shí)施中國(guó)首次空間交會(huì)對(duì)接,標(biāo)志著中國(guó)成為世界上第3個(gè)獨(dú)立掌握空間合作目標(biāo)自主交會(huì)技術(shù)的國(guó)家。2013年,中國(guó)航天將自主懸停避障技術(shù)成功應(yīng)用于嫦娥三號(hào)著陸器,實(shí)現(xiàn)中國(guó)首次對(duì)地外天體的直接探測(cè)。近年來(lái),中國(guó)航天突破了衛(wèi)星群狀態(tài)智能感知、智能規(guī)劃、自主協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù),未來(lái)將逐步建設(shè)可在軌服務(wù)與維護(hù)、升級(jí)拓展、星群編隊(duì)的空間系統(tǒng)。

中國(guó)空間飛行器逐步從科研試驗(yàn)轉(zhuǎn)向業(yè)務(wù)應(yīng)用,特別是在近地到深空、在軌服務(wù)與維護(hù)、大規(guī)模衛(wèi)星星座等方面快速發(fā)展,空間飛行器制導(dǎo)控制技術(shù)將從傳統(tǒng)控制逐步向智能控制升級(jí)更新,亟需航天智能控制技術(shù)來(lái)提升空間飛行器的可靠性和自主運(yùn)維能力。中國(guó)空間飛行器制導(dǎo)控制技術(shù)發(fā)展歷程,如圖2所示。

圖2 中國(guó)空間飛行器制導(dǎo)控制技術(shù)發(fā)展歷程

2.4 航天智能控制技術(shù)支撐了航天重大科技工程的實(shí)踐

在建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)的征程中,運(yùn)載火箭智能化水平的提升對(duì)空間經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)能力、工程技術(shù)綜合實(shí)力、中國(guó)在國(guó)際社會(huì)上的政治影響力等方面有著重要的戰(zhàn)略意義,增強(qiáng)運(yùn)載火箭學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力,保證其高可靠安全飛行,是航天工程發(fā)展和航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的迫切需求。近年來(lái),中國(guó)將先進(jìn)智能控制技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)載火箭發(fā)射,顯著提升了火箭控制系統(tǒng)對(duì)各種任務(wù)的適應(yīng)能力和智能化水平,確保了發(fā)射任務(wù)圓滿(mǎn)成功[9-11],如表1所示。

表1 智能控制技術(shù)在航天重大科技工程中的應(yīng)用

3 航天智能控制從“會(huì)學(xué)習(xí)”的火箭做起

“會(huì)學(xué)習(xí)”運(yùn)載火箭制導(dǎo)控制技術(shù)就是將智能技術(shù)引入制導(dǎo)、導(dǎo)航及控制等各個(gè)環(huán)節(jié),使運(yùn)載火箭變得更自主、更可靠、更聰明,通過(guò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練,彌補(bǔ)程序化控制策略帶來(lái)的局限性,增強(qiáng)運(yùn)載火箭適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境及應(yīng)對(duì)突發(fā)事件的能力,提高航天發(fā)射任務(wù)的可靠性?！皶?huì)學(xué)習(xí)”的火箭作為未來(lái)亟需的研究對(duì)象需要航天智能控制技術(shù)的支撐,圍繞飛行狀態(tài)在線(xiàn)辨識(shí)與感知、制導(dǎo)控制在線(xiàn)重構(gòu)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)自學(xué)習(xí)、自主適應(yīng)與進(jìn)化、箭上強(qiáng)計(jì)算五大能力需求[3],不斷提升“會(huì)學(xué)習(xí)”火箭的可靠性和性能指標(biāo)。

3.1 航天智能控制技術(shù)的發(fā)展階段

航天智能控制技術(shù)發(fā)展可以簡(jiǎn)單劃分為4個(gè)階段：第1階段具備適應(yīng)能力,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)關(guān)鍵環(huán)節(jié)的智能化；第2階段具備學(xué)習(xí)能力,實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)先進(jìn)、跟隨模仿；第3階段具備想象能力,實(shí)現(xiàn)舉一反三、超越常識(shí)認(rèn)知；第4階段具備演化能力,實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。

航天智能控制技術(shù)也可概括為如圖3所示的2個(gè)階段：“+智能”——將人工智能控制技術(shù)應(yīng)用于控制系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)工程性融合；“智能+”——將智能技術(shù)與控制技術(shù)深度融合,實(shí)現(xiàn)火箭控制系統(tǒng)顛覆性演進(jìn)。

圖3 航天智能控制技術(shù)的兩個(gè)階段

3.2 “邊飛邊學(xué)”和“終身學(xué)習(xí)”特征的進(jìn)一步思考

1) 邊飛邊學(xué)。運(yùn)載火箭通過(guò)學(xué)習(xí)來(lái)應(yīng)對(duì)外界的變化和影響,充分利用本體和環(huán)境的信息,在飛行過(guò)程中,采用航天智能控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)本體與環(huán)境的在線(xiàn)辨識(shí)、能力在線(xiàn)評(píng)估與規(guī)劃、控制在線(xiàn)重構(gòu)等,具備個(gè)體強(qiáng)適應(yīng)、任務(wù)快響應(yīng)、飛行自學(xué)習(xí)的典型特征。

2) 終身學(xué)習(xí)。運(yùn)載火箭通過(guò)全生命周期數(shù)據(jù)的充分利用,完成智能建模、智能模型修正、方案以及參數(shù)智能優(yōu)化等,采用航天智能控制技術(shù),通過(guò)持續(xù)的自我學(xué)習(xí)和優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)知識(shí)的深度挖掘與應(yīng)用、智能決策評(píng)估,具備一次設(shè)計(jì)延伸全生命周期、可重復(fù)使用、控制系統(tǒng)能力迭代優(yōu)化的典型特征。

“會(huì)學(xué)習(xí)”運(yùn)載火箭兩個(gè)特征的相互關(guān)系如圖4所示,邊飛邊學(xué)積累的數(shù)據(jù)作為終身學(xué)習(xí)的輸入,通過(guò)不斷的學(xué)習(xí)、訓(xùn)練、優(yōu)化,為邊飛邊學(xué)提供智能方案和參數(shù),實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)的閉環(huán)促進(jìn)與優(yōu)化。

圖4 “會(huì)學(xué)習(xí)”的運(yùn)載火箭兩個(gè)特征

3.3 “邊飛邊學(xué)”制導(dǎo)控制技術(shù)研究與應(yīng)用

“邊飛邊學(xué)”制導(dǎo)控制技術(shù)依靠箭上強(qiáng)大計(jì)算能力,充分利用箭載多源信息,針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)典型故障實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)實(shí)時(shí)辨識(shí),運(yùn)載及控制能力在線(xiàn)評(píng)估,軌跡在線(xiàn)規(guī)劃、控制參數(shù)在線(xiàn)優(yōu)化等能力?；谶\(yùn)載火箭的“邊飛邊學(xué)”特征,開(kāi)展了如圖5所示的制導(dǎo)控制技術(shù)探索與應(yīng)用。

圖5 “邊飛邊學(xué)”制導(dǎo)控制技術(shù)

1) 對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)非致命故障辨識(shí)與制導(dǎo)控制重構(gòu)——學(xué)會(huì)自診斷

典型動(dòng)力系統(tǒng)故障辨識(shí)與制導(dǎo)控制重構(gòu)技術(shù),是在傳統(tǒng)火箭控制系統(tǒng)功能基礎(chǔ)上,增加動(dòng)力故障辨識(shí)與控制重構(gòu)單元,動(dòng)力故障辨識(shí)綜合考慮箭體運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力運(yùn)行狀態(tài)等測(cè)量信息,以及制導(dǎo)控制效果信息,實(shí)時(shí)進(jìn)行故障辨識(shí),包括故障檢測(cè)和識(shí)別、能力評(píng)估與決策。在線(xiàn)評(píng)估故障的影響域和影響程度,確定相應(yīng)回路控制器(姿態(tài)控制律、制導(dǎo)律)的應(yīng)對(duì)策略,通過(guò)自適應(yīng)在線(xiàn)調(diào)整參數(shù)和結(jié)構(gòu),從而提高動(dòng)力系統(tǒng)非致命故障條件下發(fā)射任務(wù)的可靠性?？傮w研究思路如圖6所示。

圖6 發(fā)動(dòng)機(jī)故障辨識(shí)與制導(dǎo)控制重構(gòu)技術(shù)總體研究思路

① 主發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降故障辨識(shí)技術(shù)

針對(duì)運(yùn)載火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)一度故障模式,采用三通道信息融合的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力進(jìn)行辨識(shí)?；趹T組敏感的箭體系視加速度和角速度信息,以及伺服擺角指令,利用擴(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(ESO)估計(jì)得到角加速度,通過(guò)含遺忘因子的最小二乘算法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力進(jìn)行辨識(shí),實(shí)現(xiàn)主發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降辨識(shí),辨識(shí)技術(shù)如圖7所示。

圖7 主發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降辨識(shí)技術(shù)

② 主發(fā)動(dòng)機(jī)推力下降故障的控制重構(gòu)

基于發(fā)動(dòng)機(jī)推力故障下降程度,離線(xiàn)分檔設(shè)計(jì)控制器,即在每一推力下降檔位,先設(shè)計(jì)一個(gè)標(biāo)稱(chēng)控制器,再設(shè)計(jì)重構(gòu)控制器或補(bǔ)償器,根據(jù)診斷的故障信息進(jìn)行控制器的切換或控制器參數(shù)自適應(yīng)時(shí)變,來(lái)實(shí)現(xiàn)針對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)故障的自適應(yīng)控制,如圖8所示。

圖8 控制重構(gòu)參數(shù)自適應(yīng)切換示意圖

針對(duì)運(yùn)載火箭主發(fā)動(dòng)機(jī)、姿控噴管、末修發(fā)動(dòng)機(jī)三類(lèi)典型動(dòng)力系統(tǒng)故障模式,突破了基于運(yùn)動(dòng)信息、圖像信息的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)故障在線(xiàn)辨識(shí)關(guān)鍵技術(shù),突破了飛行能力在線(xiàn)評(píng)估、非致命故障在線(xiàn)重構(gòu)的制導(dǎo)控制技術(shù),其中姿控噴管極性及常開(kāi)/常閉故障辨識(shí)技術(shù)、姿控噴管極性故障控制重構(gòu)技術(shù)已閉環(huán)應(yīng)用于CZ-3 Y63飛行試驗(yàn),得到了工程驗(yàn)證。

2) 基于光纖光柵的運(yùn)載火箭彈性模態(tài)識(shí)別——學(xué)會(huì)建模調(diào)參

運(yùn)載火箭的彈性模態(tài)數(shù)據(jù)是進(jìn)行姿態(tài)穩(wěn)定設(shè)計(jì)的必要輸入,一般由地面大型彈性模態(tài)試驗(yàn)獲得,試驗(yàn)周期長(zhǎng)、成本高,且有可能存在天地不一致的情況。若采用光柵光纖傳感器,當(dāng)火箭本體形變發(fā)生變化,通過(guò)光的折射率變化轉(zhuǎn)換到形變量計(jì)算,在線(xiàn)感知本體的模態(tài)變化,并將辨識(shí)結(jié)果引入到控制方程中,通過(guò)在線(xiàn)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制指令修正,將提升控制系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜飛行環(huán)境的可靠性,減少控制系統(tǒng)對(duì)模型的依賴(lài)。飛行器彈性模態(tài)在線(xiàn)識(shí)別與控制方案,如圖9所示。

圖9 飛行器彈性模態(tài)在線(xiàn)識(shí)別與控制方案

目前突破了光纖應(yīng)變信號(hào)實(shí)時(shí)解調(diào)、基于功率譜的模態(tài)頻率辨識(shí)等關(guān)鍵技術(shù),搭建了地面原理性演示系統(tǒng),并基于飛行演示驗(yàn)證平臺(tái),完成了飛行試驗(yàn),關(guān)鍵技術(shù)得到了初步驗(yàn)證。

3) 軌跡在線(xiàn)規(guī)劃技術(shù)——學(xué)會(huì)選路徑

在故障條件下,運(yùn)載火箭可能無(wú)法將載荷繼續(xù)送到目標(biāo)軌道,采用在線(xiàn)任務(wù)降級(jí)或軌跡在線(xiàn)規(guī)劃,可保障火箭進(jìn)入半長(zhǎng)軸最大橢圓軌道或進(jìn)入安全停泊軌道。入軌終端約束、控制能力以及動(dòng)力學(xué)等多種非凸約束限制了火箭軌跡規(guī)劃問(wèn)題,采用變量替換與無(wú)損凸化,將火箭軌跡規(guī)劃中的非凸問(wèn)題轉(zhuǎn)化為凸規(guī)劃問(wèn)題,通過(guò)凸優(yōu)化在線(xiàn)求解器對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)求解,得到最優(yōu)推力矢量指令,使火箭在滿(mǎn)足多種約束條件下,進(jìn)入安全停泊軌道或半長(zhǎng)軸最大的橢圓軌道。示例如圖10所示。

圖10 芯一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)生嚴(yán)重推力下降故障后的軌跡規(guī)劃圖

圍繞三類(lèi)軌跡規(guī)劃問(wèn)題：火箭故障后能力評(píng)估與軌跡規(guī)劃、火箭變目標(biāo)軌跡規(guī)劃、火箭垂直回收軌跡規(guī)劃,突破了基于凸優(yōu)化的在線(xiàn)能力評(píng)估與規(guī)劃技術(shù)、基于凸優(yōu)化和多項(xiàng)式的運(yùn)載火箭垂直回收軌跡規(guī)劃技術(shù),基于演示驗(yàn)證平臺(tái),完成了飛行試驗(yàn),以CZ-5為模型,完成了不同飛行階段故障后軌跡重構(gòu)的仿真驗(yàn)證。

4) 基于穩(wěn)定裕度在線(xiàn)辨識(shí)的參數(shù)重構(gòu)控制技術(shù)——學(xué)會(huì)自?xún)?yōu)化

在運(yùn)載火箭助推段飛行段,質(zhì)心變化、推力變化、不確定性氣動(dòng)環(huán)境變化均會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)穩(wěn)定裕度帶來(lái)影響,通過(guò)對(duì)閉環(huán)系統(tǒng)施加最優(yōu)多正弦激勵(lì)信號(hào),在線(xiàn)觀測(cè)輸入輸出數(shù)據(jù)并求取系統(tǒng)穩(wěn)定裕度,建立控制參數(shù)與穩(wěn)定裕度的映射關(guān)系,制定調(diào)參策略,從而提高火箭對(duì)本體不確定性的適應(yīng)能力。其中,通過(guò)采用頻域辨識(shí)方法求解系統(tǒng)的頻率特性函數(shù),進(jìn)而得到系統(tǒng)的穩(wěn)定裕度?；诜€(wěn)定裕度在線(xiàn)辨識(shí)的原理如圖11所示。

圖11 基于穩(wěn)定裕度在線(xiàn)辨識(shí)原理圖

研究了姿態(tài)控制穩(wěn)定裕度在線(xiàn)辨識(shí)方法,實(shí)時(shí)求取穩(wěn)定裕度,制定了調(diào)參策略,提高了火箭對(duì)本體不確定的適應(yīng)能力。突破了基于時(shí)頻域轉(zhuǎn)換的穩(wěn)定裕度在線(xiàn)預(yù)示、基于穩(wěn)定裕度的控制能力分配策略、基于穩(wěn)定裕度預(yù)示的控制參數(shù)在線(xiàn)優(yōu)化技術(shù),并基于演示驗(yàn)證平臺(tái),完成飛行驗(yàn)證。

5) 分布式多元異構(gòu)智能計(jì)算——箭上強(qiáng)算力

“會(huì)學(xué)習(xí)”的火箭采用分布式多元異構(gòu)智能計(jì)算處理架構(gòu)平臺(tái),突破分布式異構(gòu)跨核高速信息交換以及多元異構(gòu)內(nèi)存共享調(diào)度管理技術(shù),開(kāi)發(fā)通用分布式多核異構(gòu)并行計(jì)算框架,提升算力功耗比。為打造“會(huì)學(xué)習(xí)”火箭的“數(shù)據(jù)計(jì)算中心”,將火箭的所有數(shù)據(jù)計(jì)算分布式實(shí)現(xiàn),實(shí)現(xiàn)算力共享和算力動(dòng)態(tài)調(diào)配。硬件平臺(tái)整機(jī)架構(gòu)如圖12所示。

圖12 硬件平臺(tái)整機(jī)架構(gòu)

3.4 “終身學(xué)習(xí)”控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

“終身學(xué)習(xí)”的控制系統(tǒng)以控制系統(tǒng)全生命周期數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的管理與梳理,挖掘其中內(nèi)在關(guān)聯(lián)信息,通過(guò)持續(xù)訓(xùn)練與優(yōu)化,改進(jìn)運(yùn)載火箭的控制系統(tǒng)架構(gòu)、控制方案和參數(shù)等,實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)與智能技術(shù)的深度融合,具備自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)、自演化的能力特征,如圖13所示。基于運(yùn)載火箭的“終身學(xué)習(xí)”特征,開(kāi)展了相關(guān)的探索與應(yīng)用。

圖13 “終身學(xué)習(xí)”的智能控制系統(tǒng)

1) 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的數(shù)據(jù)管理與挖掘技術(shù)——學(xué)會(huì)歸納

對(duì)同系列、多批次的歷史仿真、飛行、測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行整理歸納,形成全生命周期數(shù)據(jù),并通過(guò)大數(shù)據(jù)管理方法,搭建試驗(yàn)數(shù)據(jù)管理與分析平臺(tái),采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),從不同角度挖掘數(shù)據(jù)特征,實(shí)現(xiàn)參數(shù)間關(guān)聯(lián)規(guī)則抽取并獲取信息、飛行試驗(yàn)數(shù)據(jù)關(guān)系挖掘定性分析的能力,并挖掘出控制系統(tǒng)模型參數(shù)信息,如氣動(dòng)參數(shù)、彈性參數(shù)、單機(jī)特性等,并進(jìn)行修正,完成對(duì)本體和環(huán)境的感知,如圖14所示。通過(guò)對(duì)全生命周期的數(shù)據(jù)的挖掘,采用智能控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)對(duì)飛行狀態(tài)參數(shù)的辨識(shí),如動(dòng)壓、風(fēng)等環(huán)境模型參數(shù),靜穩(wěn)定度、控制效率等本體模型參數(shù)。數(shù)據(jù)作為“會(huì)學(xué)習(xí)”火箭的基礎(chǔ),通過(guò)挖掘獲取信息與知識(shí),為控制方案及參數(shù)智能優(yōu)化提供支撐。

圖14 基于關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的數(shù)據(jù)管理與挖掘技術(shù)

2) 基于全生命周期數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)技術(shù)——終身學(xué)習(xí)

基于全生命周期數(shù)據(jù),對(duì)運(yùn)載火箭飛行環(huán)境、飛行任務(wù)和火箭本體進(jìn)行自認(rèn)知,基于修正模型和經(jīng)驗(yàn)樣本進(jìn)行控制系統(tǒng)自學(xué)習(xí),通過(guò)利用全生命周期數(shù)據(jù)減少對(duì)模型的依賴(lài),并逐步升級(jí)為無(wú)模型自適應(yīng)控制。通過(guò)數(shù)據(jù)的挖掘與認(rèn)知,將全生命周期數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為經(jīng)驗(yàn)化數(shù)據(jù)池,依次進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)歸納與提煉、經(jīng)驗(yàn)樣本泛化,最終形成批量經(jīng)驗(yàn)樣本,實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)模型的學(xué)習(xí)。采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)、深度學(xué)習(xí)等算法實(shí)現(xiàn)控制律乃至控制系統(tǒng)的自我學(xué)習(xí)?！敖K身學(xué)習(xí)”的控制系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)方案如圖15所示。

圖15 控制系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)方案

自認(rèn)知、自學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)是“會(huì)學(xué)習(xí)”火箭的關(guān)鍵,支撐運(yùn)載火箭走向智能。

3) 基于自學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化技術(shù)——自演化

“會(huì)學(xué)習(xí)”運(yùn)載火箭通過(guò)對(duì)全生命周期數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘,并利用專(zhuān)家?guī)旖?jīng)驗(yàn),形成不斷改進(jìn)與演化的系統(tǒng)模型,并研究多種集群智能算法,實(shí)現(xiàn)控制方案和控制參數(shù)的不斷優(yōu)化,達(dá)到實(shí)時(shí)自主優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的目的?；谧詫W(xué)習(xí)自演化的控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化方案如圖16所示。

圖16 基于自學(xué)習(xí)自演化的控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化方案

自演化的控制系統(tǒng)是“會(huì)學(xué)習(xí)”火箭的核心,通過(guò)控制系統(tǒng)的自演化技術(shù),為火箭提供“智慧大腦”。

4 總 結(jié)

本文梳理了中國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展歷程,分析并指出航天器是自主系統(tǒng),且可靠性要求高,航天器未來(lái)的發(fā)展對(duì)高可靠性需求迫切,提出了航天智能技術(shù)從航天器的可靠性做起。并通過(guò)梳理控制科學(xué)的發(fā)展路線(xiàn),重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)了智能控制技術(shù)是控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì),是提升航天器可靠性的有效途徑,支撐了航天重大科技工程的實(shí)踐,提出了航天器的可靠性從航天智能控制做起。

總結(jié)了“會(huì)學(xué)習(xí)”運(yùn)載火箭的五大需求和兩大特征的內(nèi)涵,進(jìn)一步探索了“會(huì)學(xué)習(xí)”運(yùn)載火箭的智能制導(dǎo)控制技術(shù)的發(fā)展方向,重點(diǎn)圍繞非致命故障辨識(shí)與制導(dǎo)控制重構(gòu)、基于光纖光柵的運(yùn)載火箭彈性模態(tài)識(shí)別、軌跡在線(xiàn)規(guī)劃、基于穩(wěn)定裕度在線(xiàn)辨識(shí)的參數(shù)重構(gòu)控制、分布式多元異構(gòu)智能計(jì)算、基于關(guān)聯(lián)規(guī)則算法的數(shù)據(jù)管理與挖掘、基于全生命周期數(shù)據(jù)的控制系統(tǒng)自我學(xué)習(xí)、基于自學(xué)習(xí)的控制系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化8個(gè)方面進(jìn)行展開(kāi)介紹,提出航天智能控制從“會(huì)學(xué)習(xí)”的運(yùn)載火箭做起。通過(guò)航天智能控制技術(shù)的不斷更新迭代,支撐我國(guó)航天器飛得更可靠、更靈巧、更精彩,助力我國(guó)探索浩瀚宇宙的步伐走得更穩(wěn)、更遠(yuǎn)、更好！