王陳亮，郭 康，朱玉凱，袁 源，余 翔，喬建忠，王曉軍，郭 雷

(1.北京航空航天大學自動化科學與電氣工程學院，北京100191；2.鵬城實驗室數(shù)學與理論部，深圳518055；3.北京航空航天大學宇航學院，北京100191；4.西北工業(yè)大學航天學院，西安710072)

0 引 言

空間感知網絡是指以衛(wèi)星集群為平臺，具有廣域時空信息獲取和處理能力的感知系統(tǒng)?？臻g感知是保障空間安全的首要任務和重要發(fā)展方向，應用領域覆蓋空間設施保障與維護、空間/地面重大目標動態(tài)監(jiān)視和跟蹤、空間/地面態(tài)勢突變預警等。發(fā)展新型空間感知網絡是新一輪空間競爭的焦點，也是航天強國建設的重要內容。

隨著小衛(wèi)星批量制造、火箭重復使用等技術的快速發(fā)展，衛(wèi)星組網協(xié)同的成本日益降低。為搶占軌道和頻譜資源，美國、英國、歐盟、俄羅斯、加拿大等陸續(xù)提出了星群計劃[1]，其中規(guī)模最大、計劃衛(wèi)星數(shù)量最多的是美國太空探索技術公司(SpaceX)的“星鏈”計劃。該計劃預計發(fā)射4.2萬顆衛(wèi)星，具有高速率通信、高精度感知和態(tài)勢靈活塑造等多方面用途，顯示出廣闊的軍民兩用前景。在中國，空間感知網絡建設已經上升到國家戰(zhàn)略高度，目前在研的主要有“鴻雁”星座、“虹云”工程、“行云”工程、“天象”星座等。其中，中國航天科技集團有限公司提出的“鴻雁”星座由300顆低軌衛(wèi)星組成，可提供導航定位、應急救援和全天候通信等多種服務。2022年，中國國家航天局宣布，將打造“近地小行星防御系統(tǒng)”，未來幾年內將針對小行星抵近觀測、就近撞擊、軌道改變等開展技術試驗。

近年來，盡管國內外在包括星群在內的集群系統(tǒng)研究方面取得了長足的進展[2]，但現(xiàn)有集群系統(tǒng)針對干擾、突變、對抗態(tài)勢的應對能力不足。從空間信息感知的需求角度，空間感知網絡的智能性、自主性、適應性以及在“危險、極端、特殊、惡劣”(“危極特惡”)環(huán)境下的生存能力還有待提升。特別地，現(xiàn)有星群網絡拓撲相對固定、感知范圍和能力受限，信息獲取手段單一，多源異質異構信息的融合能力不足。與此同時，新一代衛(wèi)星的工作環(huán)境更為復雜，任務、環(huán)境、本體的未知因素增多，星群等復雜動態(tài)系統(tǒng)時常面臨不確定、突變和博弈對抗態(tài)勢[3]。一方面，衛(wèi)星受到來自外部環(huán)境擾動、執(zhí)行機構誤差、結構振動、器部件退化、未建模動態(tài)、星間互干擾、載荷互干擾等客觀因素影響；另一方面，對手極可能實施惡意接近、瞄準甚至撞擊等主動行為，并可能施加惡意的網絡攻擊，帶來虛假信息注入、通道阻塞、數(shù)據(jù)丟包等問題。在干擾對抗環(huán)境下，如何實現(xiàn)星群智能自主的空間目標/態(tài)勢感知，如何提升星群的在“危極特惡”環(huán)境下的生存智能，是未來空間感知系統(tǒng)建設中需要解決的核心關鍵問題。

本文結合近年來科技發(fā)展趨勢，從仿生智能的視角總結空間感知網絡的國內外研究現(xiàn)狀，圍繞實現(xiàn)空間感知網絡仿生智能功能和行為的目標，探討了一些挑戰(zhàn)性技術難題以及可能的解決思路，以推動未來我國空間智能感知網絡技術的發(fā)展。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 星群拓撲設計與重構

星群拓撲設計是對星群幾何構型參數(shù)的設計和優(yōu)化，良好的拓撲設計可以提高星群感知能力，降低建設和維護成本。星群拓撲設計通常需要考慮感知任務需求和覆蓋特性。例如，從任務需求方面考慮，文獻[4]利用打靶法，提出了一種在全球范圍內可實現(xiàn)任意位置限時重訪的星群拓撲方案。從覆蓋特性方面考慮，文獻[5]結合模擬退火算法與等面積網格點覆蓋法，針對不規(guī)則區(qū)域成像覆蓋問題進行了星群拓撲優(yōu)化設計。為解決中國難以全球部署衛(wèi)星地面站的問題，文獻[6]提出了一種雙層星群構型，以分布式星群作為低軌衛(wèi)星，利用高軌衛(wèi)星增強中低緯地區(qū)覆蓋性能，從而實現(xiàn)全球覆蓋。衛(wèi)星在軌運行時受到大氣阻力、地球非球形引力、潮汐引力等多種干擾的影響，星間相對位置可能產生偏移，進而影響星群拓撲和感知能力。為此，文獻[7]將多種長期攝動對星群整體產生的影響進行擬合，根據(jù)擬合結果設計了調整方案，可保證星群拓撲的穩(wěn)定性。在空間感知網絡的運行過程中，當任務發(fā)生改變或者部分衛(wèi)星失效時，往往需要對星群拓撲進行重構。在少數(shù)衛(wèi)星失效的情況下，可采取改變當前衛(wèi)星運行軌道或者快速發(fā)射衛(wèi)星的方法進行重構。文獻[8]針對存在失效衛(wèi)星的感知星群進行了重構方案研究，利用相位機動的方法對在軌衛(wèi)星進行調整，對星群的空間拓撲進行重構，以達到修復星群的目的。文獻[9]提出了一種基于多目標遺傳算法的星群拓撲重構方法。文獻[10]設計了一種基于改進多目標粒子群優(yōu)化算法的星座重構方法，將一箭多星發(fā)射與在軌衛(wèi)星相位機動兩種策略相結合來重構受損星群。

現(xiàn)有空間感知網絡拓撲結構存在的主要問題是構型相對固定、單一，“靜有余而動不足”。為應對未來裝備快速化、立體化、隱蔽化、集群化和智能化的發(fā)展趨勢，從仿生和智能的角度來說，空間感知網絡應該涵蓋“眼、耳、腦、體、群”的動態(tài)協(xié)調，需要實現(xiàn)從“靜星座”到仿生可變構“活星群”的轉變?！盎钚侨骸本哂小耙暵牴踩凇惫δ墚悩嫷姆植际皆O計和機動靈活的構型拓撲重構能力，實現(xiàn)感知節(jié)點的“眼珠”、“脖子”、“腰腹”和“腿腳”的機動，完成視聽時空信息(包括光學、射電等異質信息)的同步獲取與深度融合。

1.2 星間相對測量與信息融合

星間相對測量和信息融合是星群完成協(xié)同感知任務的重要前提。星間相對測量方法主要包括GPS相對測量、射頻測量、激光測量、可見光視覺測量、紅外測量等。文獻[11]提出了一種基于多天線的星間GPS載波相位差分技術，解決了近距離交會對接等任務過程中航天器GPS天線相位中心造成的誤差等問題。文獻[12]采用基于時分多址的分布式廣播協(xié)議和非對稱雙邊雙向測距方法，提高了射頻測量系統(tǒng)的可拓展性，使之適用于星群編隊任務。星間激光干涉測距精度高，但誤差來源復雜。文獻[13]分析了激光測距過程中的光學非線性等誤差項，對噪聲進行了分類和量化。文獻[14]使用三臺可見光相機布置成等邊三角形來獲取圖像，并通過隨機抽樣一致性方法計算得到目標位置和姿態(tài)信息。紅外測量技術只能獲得角度信息而無法測量距離，因此通常與其他相對測量技術結合使用[15]。

信息融合旨在感知衛(wèi)星本體、環(huán)境和目標信息，實現(xiàn)“看得清”，面對的主要問題還是干擾和對抗因素對信息獲取的影響[16]，其中采用較多的濾波方法是卡爾曼濾波。針對視覺和慣導對空間目標進行相對導航的情形，文獻[17]提出了一種相機和慣性測量單元外參數(shù)標定方法，同時使用擴展卡爾曼濾波進行信息融合。針對純差分GPS在衛(wèi)星相對導航性能上的不足，文獻[18]結合星間自主射頻測量傳感器組成增強導航系統(tǒng)，并采用擴展卡爾曼濾波對相對位置和相對速度進行估計。文獻[19]使用迭代擴展卡爾曼濾波器估計了非合作空間目標的相對位置和運動狀態(tài)，可減小因線性化帶來的誤差。文獻[20]提出了一種改進容積卡爾曼濾波算法，通過在線調整濾波增益提高了在可觀性較差區(qū)段的估計性能。文獻[21]利用激光雷達與羅盤獲得衛(wèi)星的空間位置以及衛(wèi)星姿態(tài)和角速度數(shù)據(jù)，聯(lián)合無跡卡爾曼濾波算法進行融合處理。

卡爾曼濾波的收斂性是建立在干擾滿足高斯分布且統(tǒng)計特性精確已知的假設之上。然而，實際工程中的主客觀干擾具有多來源、多類型、多通道特征，大部分是非高斯的。為克服卡爾曼濾波的高斯局限性，文獻[22]提出了多源干擾系統(tǒng)復合干擾濾波方法，針對部分動態(tài)信息已知的干擾設計干擾觀測器進行在線估計和前饋補償，針對能量有界干擾設計魯棒H2/H∞多目標優(yōu)化濾波器進行抑制，進而實現(xiàn)多源干擾的同時抑制與補償，顯著提升了濾波器的精確性和魯棒性。文獻[23]針對更具一般性的狀態(tài)空間模型，在隨機量測缺失的情形下提出了基于干擾估計和補償?shù)臑V波器設計方法，進一步完善了復合干擾濾波理論。

總之，在信息融合方面，現(xiàn)有星群的“視聽”時空信息共融能力、感知與導航信息深度融合能力以及“本體—環(huán)境—目標”融合感知能力仍顯不足，針對博弈對抗環(huán)境下的異常信號估計、預測和溯源能力也有待提升。

1.3 面向感知需求的單星自主機動控制

動態(tài)目標監(jiān)視、跟蹤等感知任務對衛(wèi)星控制系統(tǒng)的精確性、自主性和可靠性提出了高要求，目標、環(huán)境、衛(wèi)星本體的不確定性和多來源、多類型、多通道的干擾是主要制約因素。在衛(wèi)星資源受限以及物理、信息、時空約束情形下如何實現(xiàn)衛(wèi)星的快響應、高機動控制是一個挑戰(zhàn)性問題。面向“危極特惡”環(huán)境下的空間感知需求，多種具有抗干擾能力的控制方法得到了深入研究。文獻[24]考慮了修正羅德里格參數(shù)描述的衛(wèi)星姿態(tài)控制問題，提出了一種非線性魯棒H∞控制方法。文獻[25]針對存在外部干擾與模型不確定性的衛(wèi)星姿態(tài)系統(tǒng)，提出了一種自適應神經網絡控制算法。就存在撓性附件的衛(wèi)星姿態(tài)控制問題，文獻[26]基于特征建模提出了一種智能自適應控制方法，可有效抑制姿態(tài)角和模態(tài)振動。文獻[27]在高階全驅系統(tǒng)的理論體系下，提出了一種最優(yōu)姿態(tài)控制方法，可實現(xiàn)平滑穩(wěn)定的姿態(tài)響應。

衛(wèi)星的大帆板和天線使得撓性和質心不確定性增大。為進一步增強衛(wèi)星控制系統(tǒng)的抗干擾機動能力，近年來干擾抵消控制方法成為一個研究熱點。文獻[28]考慮了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中的參數(shù)變化與外部干擾因素，設計了自抗擾控制器；文獻[29]利用干擾觀測器來估計并補償衛(wèi)星的模型不確定性與外部干擾。傳統(tǒng)自抗擾控制(Active disturbance rejection control,ADRC)方法與基于干擾觀測器的控制(Disturbance observer-based control,DOBC)方法均針對單一干擾系統(tǒng)。針對多源干擾系統(tǒng)的復合分層抗干擾控制(Composite hierarchical anti-distur-bance control,CHADC)方法近年來引起了廣泛關注[30-32]。在CHADC的理論架構下，文獻[33]提出了一種具有DOBC前饋補償環(huán)節(jié)和ADRC反饋控制環(huán)節(jié)的衛(wèi)星強抗擾控制(Enhanced anti-disturbance control,EADC)方法，解決了衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)撓性振動、慣量不確定性等多源干擾的表征、分離與解耦估計難題。文獻[34]總結了復合抗干擾動態(tài)調節(jié)方法的新進展，可用于衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)中多源干擾的消納、補償和抑制。

上述控制方法大多僅保證了“內部”狀態(tài)的漸近穩(wěn)定性，對于實時性要求較高的機動感知任務而言，衛(wèi)星姿軌一體化的快速協(xié)調控制方法必不可少。有限時間控制具有收斂速度快、魯棒性強等優(yōu)勢，可為衛(wèi)星快速機動提供一種有效的控制手段。文獻[35]提出了一種自適應有限時間控制方法，能夠實現(xiàn)衛(wèi)星大角度機動控制。文獻[36]同時考慮了參數(shù)不確定性、外部干擾、執(zhí)行機構飽和與故障，提出了一種光滑有限時間姿態(tài)控制算法。另一種常用的快速收斂算法是固定時間控制，具有收斂時間不依賴于系統(tǒng)初值的優(yōu)勢。針對模型不確定性與干擾影響下的衛(wèi)星姿態(tài)控制問題，文獻[37]提出了具有固定時間收斂特性的控制算法，提升了控制系統(tǒng)快速性和精確性。

總之，單星自主控制技術近年來取得了長足的發(fā)展，但現(xiàn)有成果對強耦合、多約束下衛(wèi)星可控能力和控制性能量化分析不足，姿軌一體的機動控制方法有待深入研究。特別地，對于空間感知等復雜空間任務而言，仍然亟需在“感知—控制—數(shù)傳”一體化的架構下，開展干擾對抗等突變、非理想、不確定環(huán)境下衛(wèi)星快速機動對準和協(xié)調操控技術研究，賦予衛(wèi)星“跟得快”、“對得準”、“躲得開”等任務能力。

1.4 感知星群分布式協(xié)同控制

感知星群分布式協(xié)同控制離不開星間通信和數(shù)據(jù)傳輸，星間通信鏈路可由有向圖或無向圖描述。星群的協(xié)同控制的目標是實現(xiàn)廣域、廣譜的信息感知，同時信息的豐富也為控制能力的提升提供了技術支持。文獻[38]基于無向圖提出了一種分布式姿態(tài)協(xié)同控制方法，文獻[39]在有向圖下設計了姿態(tài)協(xié)同控制方案。文獻[40]基于非線性輸出調節(jié)理論設計了分布式控制器，實現(xiàn)了慣量不確定星群姿態(tài)對期望姿態(tài)的漸近跟蹤。文獻[41]針對星群信息連續(xù)交互導致通信資源浪費的問題，提出了一種基于事件觸發(fā)星間通信策略的姿態(tài)協(xié)同控制方法，降低了星間通信負擔。文獻[42]在有向圖下提出了一種基于事件觸發(fā)通信的抗干擾姿態(tài)協(xié)同控制方法，設計了非線性干擾觀測器，實現(xiàn)了干擾精細估計和補償，提升了控制精度。上述方法主要研究星群姿態(tài)協(xié)同控制問題，欠缺對于星群感知和控制乃至傳輸(感控傳一體化)的協(xié)調設計。

文獻[43]綜合考慮星群姿態(tài)和軌道控制問題，提出了一種基于非線性干擾觀測器的復合控制方法，可保證6自由度衛(wèi)星實現(xiàn)期望的編隊飛行。文獻[44]在考慮計算效率和精度的情況下，設計了自抗擾姿態(tài)和軌道協(xié)同控制器。文獻[45]針對分布式星群建立了姿軌耦合動力學模型，提出了一種基于事件觸發(fā)通信的姿軌耦合滑?？刂品椒āＮ墨I[46]研究了衛(wèi)星編隊飛行的相對位置跟蹤和姿態(tài)同步控制問題，設計了魯棒自適應有限時間快速終端滑模控制器，在存在模型不確定性和外部干擾的情況下實現(xiàn)了編隊飛行。

現(xiàn)有星群協(xié)同控制方法大多局限于固定拓撲，未充分考慮主被動干擾和時間(編隊時間等)、空間(障礙物等)、物理(執(zhí)行機構飽和、通道非匹配等)、能量(能量受限等)、信息(星間通信受限等)等多維度約束，以及約束下協(xié)調控制問題。此外，現(xiàn)有協(xié)同控制方法普遍將單星視為同質節(jié)點，未充分考慮單星的功能異構特征。從仿生的角度看，整個感知網絡是一個整體，單星分布承擔“眼、耳、腦”等異構功能。針對干擾博弈條件下的異構分布式感知星群高精度協(xié)同控制問題，仍需結合仿生技術開展感控傳一體化的系統(tǒng)性研究工作。

2 趨勢與展望

空間感知網絡的發(fā)展趨勢可總結為逐漸向智能性、自主性和適應性發(fā)展，道法自然而又超越自然，仿生技術已成為一個重要的研究思路。在干擾對抗環(huán)境下，空間感知網絡的第一要務是生存。對于長時間能量信息等資源匱乏的空間感知網絡，應該具有自隱、自耐和自生能力。自隱就是能夠對威脅和攻擊進行感知、預判、隱藏和規(guī)避，實現(xiàn)“明察秋毫、未雨綢繆”；自耐就是具備適應和調節(jié)的能力，能夠對干擾和對抗“兵來將擋、水來土掩”；自生是指在突變和強不確定環(huán)境下能夠學習與進化，實現(xiàn)“魔高一尺、道高一丈”。

在國內外現(xiàn)有研究成果的基礎上，為實現(xiàn)干擾對抗環(huán)境下星群的仿生智能自主感知，以下關鍵技術領域值得深入探索。

2.1 可變構異構分布式仿生智能感知網絡設計

從全天域、全天候、高動態(tài)目標感知的任務需求來說，空間感知網絡應該是一個“眼、耳、腦、體、群”協(xié)同的仿生可變構“活網絡”。然而，傳統(tǒng)星群網絡構型相對固定，異質異構信息融合能力不足。為此，亟需開展具有仿生意義的可變構異構分布式智能感知網絡設計理論與方法研究，包括空間異構分布式星群拓撲組網與軌道設計技術、不確定態(tài)勢下空間網絡自主重構與拓撲生成技術、基于“空間云腦”的視聽信息智能融合與理解技術等。該方面研究旨在設計具有自主任務切換、智能調度、機動靈活、生成重構、全域覆蓋能力的可生成式空間異構分布式網絡。從衛(wèi)星平臺技術看，大平臺的分解、重構和協(xié)同能力也是未來的重要研究方向。例如，可使大衛(wèi)星平臺作為母系統(tǒng)，攜帶子衛(wèi)星應對突發(fā)事件。

2.2 面向感知需求的單星自主機動對準和協(xié)調操控技術

突變/不確定空間態(tài)勢感知、空間基礎設施保障維護等感知任務對單星快速機動對準以及協(xié)調操控能力提出了迫切需求。然而，傳統(tǒng)衛(wèi)星難以勝任突變與不確定環(huán)境下智能自主感知需求，亟需實現(xiàn)從高穩(wěn)定度“靜衛(wèi)星”到高動態(tài)機動對準“活衛(wèi)星”的跨越。針對上述問題，需開展面向感知需求的單星自主機動對準和協(xié)調操控技術研究，包括非合作目標自限接近與跟瞄技術、博弈對抗環(huán)境下自學習與思維控制技術、不確定/突變/損傷情形下自主任務/控制重構技術、具有干擾消納/補償/抑制能力的精細抗干擾動態(tài)調節(jié)技術、“感知—控制—數(shù)傳”一體化技術等，提升衛(wèi)星快速接近、精準跟瞄等任務能力。

2.3 感知星群分布式高精度協(xié)同控制技術

空間態(tài)勢感知必然要求星群拓撲可隨任務/環(huán)境智能自適應變化，對協(xié)同控制精度要求極高。與此同時，空間感知網絡是一個“時間—空間—物理—能量—信息”多維約束嚴重的系統(tǒng)。傳統(tǒng)星群協(xié)同控制方法拓撲固定，難以適應動態(tài)拓撲和多維約束，難以事先指定跟蹤精度。針對上述問題，需在復雜環(huán)境和動態(tài)拓撲下研究星群分布式高精度協(xié)同控制技術，包括不完備信息/攻擊下星群分布式協(xié)同控制技術、多約束下指定性能姿軌耦合協(xié)同控制技術、異構星群分布式協(xié)同學習進化技術、協(xié)同測量與控制一體化技術等，提升分布式異構星群的自組織、自適應和自協(xié)同能力。

2.4 干擾對抗環(huán)境下空間感知網絡生存智能技術

空間感知網絡面臨干擾、攻擊、故障和多維約束，在不確定模式下較為脆弱。對于這樣的無人系統(tǒng)來說，生存是第一要務。無人系統(tǒng)生存智能包含安全控制、綠色控制和免疫控制等要素。安全控制的主旨是在干擾、攻擊、故障等極端環(huán)境下提升系統(tǒng)的安全性。從任務的角度來說，需要在干擾對抗情況下實現(xiàn)衛(wèi)星內部算法的動態(tài)調節(jié)和任務重構，包括小回路異常檢測、“信息獲取—控制—執(zhí)行”全回路動態(tài)優(yōu)化等。綠色控制是指既要在干擾對抗的環(huán)境下生存，又要與環(huán)境和諧發(fā)展。傳統(tǒng)控制方法在不同程度上類似于醫(yī)學中的“過度醫(yī)療”；而綠色控制具有“省能”、“省時”、“省力”、“省心”等特點，在能量約束下可減少能量消耗，在探測時敏目標等感知任務中可縮短響應時間，在物理飽和等約束下可節(jié)約控制強度，在硬件存儲、處理和計算能力受限情況下可降低計算負擔。免疫控制要充分利用感知信息，識別和診斷有害信號，主動反制或規(guī)避對手的對抗行為。傳統(tǒng)的群體智能研究側重于基于一致性的方法論和系統(tǒng)論，而仿生智能感知網絡基于可變構、功能異構分布式星群設計和安全、綠色、免疫控制等手段，旨在具備干擾對抗環(huán)境下強自主、強適應、強生存等智能行為能力，從而實現(xiàn)從方法論、系統(tǒng)論到行為論的跨越。

2.5 星群性能測試分析與評估技術

不確定性量化與測試評估對于預測和提升干擾對抗環(huán)境下的無人系統(tǒng)生存能力來說尤為重要，美國NASA和DARPA近年來開展了多項相關研究。為驗證和評估控制方法的性能和仿生空間感知網絡的生存智能，需開展星群性能測試分析和評估技術研究，其中的一個核心問題就是干擾和不確定性的精細量化。針對偵查、監(jiān)視與跟蹤等典型博弈對抗任務，搭建具有“干擾表征—方法設計—性能評估”三維拓撲結構的衛(wèi)星控制性能測試分析與驗證環(huán)境和一體化平臺，開展多源干擾精細表征、因果分析、溯源分析、閉環(huán)量化分析，建立評估指標體系和評估模型。針對“危極特惡”環(huán)境和不同物理約束，在細微與極端模式下完成不同任務、不同工況、不同控制算法下的多性能指標測試，分析系統(tǒng)極限能力，實現(xiàn)“算法—軟件—芯片—系統(tǒng)”一體化研究。

3 結束語

空間感知網絡技術屬于基礎性、戰(zhàn)略性、交叉性和前沿性的高新技術，仿生智能技術是空間感知網絡研究中需要重點關注的內容?？臻g感知系統(tǒng)正處于需求迫切、蓬勃發(fā)展的機遇期，建議高校、科研院所、學術機構以及相關部門開展緊密合作，促進多學科交叉融合，使理論研究與工程應用緊密結合，建設具有強自主、強適應和強生存能力的仿生空間智能感知網絡。相關技術還可向其他集群系統(tǒng)推廣應用，建設天/空/地/海/潛一體化、可變構、分布式異構協(xié)同感知網絡。