 导语 空天系统不仅是人工智能科学与技术成果的重要应用领域，也是推动人工智能快速发展最强劲的动力之一！人们耳熟能详的空间交会对接、机械臂在轨服务、无人机导航制导及控制，以及相关的火箭发射、制造、运输、设备故障诊断和健康管理等方面都无一不在期待人工智能新理论、新方法、新技术的问世和应用。 本期专辑邀请了智能空天系统专业委员会重点研究方向上的著名学者对其最新成果作一介绍，包括非完备信息下无人机智能攻防决策技术研究现状与展望、航天发射安全性智能评估技术研究、深空探测航天器的自主运行技术、多电飞机飞行控制电静液作动器的智能化问题以及云边协同的智能制造系统5篇稿件，以期对感兴趣的读者有所帮助。  摘 要 摘 要：随着深空探测任务的复杂化，传统航天器的操作和控制等技术已受到极大制约，必需提升探测器的自主化水平。以深空探测的国家重大战略需求为牵引，本文从“自主导航、自主制导控制、自主任务规划、自主诊断重构”四个方面，对深空探测航天器自主运行技术的研究现状进行综述，阐述了上述四方面关键核心技术在我国月球探测任务中的实际应用情况和效果，并针对我国即将开展的火星着陆巡视、小行星取样返回等任务需求，提出了未来深空探测航天器自主运行技术的发展方向和研究内容。 关 键 字 深空探测航天器；自主运行；自主导航；自主制导控制；自主任务规划；自主诊断重构  0 引言 本世纪初，国务院发布了《中国的航天》白皮书，明确提出了我国开展以月球探测为主的深空探测发展目标。在“人民科学家”叶培建院士等老一辈科学家的带领下，以嫦娥一号为开端，通过嫦娥二号、嫦娥三号、嫦娥五号T1 和嫦娥四号任务的连续成功，保障了我国探月工程“绕、落、回”三步走目标的顺利完成。以火星着陆巡视、小行星取样返回等任务为牵引，通过自主运行等关键技术的创新突破，开启了我国由月球探测向深空探测进军的新篇章。 深空探测任务中探测目标远、飞行时间长、所处环境动态多变等特点，导致深空探测航天器的操作和控制与近地轨道航天器存在很大区别，例如上传指令延迟大、地面测控精度差、数据传输码率低、安全自主保证难等。目前传统的“地面测控站——航天器”大回路操作控制模式，严重限制了深空探测任务的实时性、安全性和可靠性。 自主运行技术是解决上述问题的有效途径，已成为未来深空探测技术发展的一个重要方向。自主运行技术即是在深空探测航天器上构建一套精度高、自主性强、安全可靠的运行管理系统，来实现长时间无人参与情况下的自主安全运行，具体任务是根据飞行阶段和周围环境，自主开展工程任务与科学任务的调度规划、感知导航、命令执行、器上状态监测与故障时的系统重构，确保实现深空探测航天器的安全可靠自主运行。 针对深空探测任务实现自主化的根本需求，在自主运行技术的大方向下，以月球探测、火星探测和小行星探测等任务为背景，本文提炼了具有共性和挑战性的科学问题与技术难题，围绕“自主导航、自主制导控制、自主任务规划、自主诊断重构”四个方面开展了深入的研究攻关和具体的应用实践，解决了一系列实际需求和难题，已应用于我国嫦娥系列月球探测器和火星探测器等任务中。 本文后续内容将从“自主导航、自主制导与控制、自主任务规划、自主故障诊断与重构”四个方面，重点对深空探测航天器自主运行技术的研究和应用现状进行综述；针对我国深空探测后续任务实施的具体需求，提出未来深空探测航天器自主运行技术的发展方向和研究内容。 1 自主导航技术 目前航天器通常依靠地面站的无线电测控进行导航，但对于深空探测航天器而言，由于探测目标远、通信时延大，难以实现实时测量。因此，为保证深空探测航天器能安全、准确地完成探测任务，要求其必须具有极强的自主导航能力。自主导航技术不仅是深空探测航天器安全的重要保证，也是地面测控的有效补充。 自主导航技术指的是，不与外界进行信息传输和交换、不依赖于地面设备的定位导航技术，如图 1 所示。  图 1 传统导航与自主导航技术的对比示意图 自主导航技术按其获得信息方法主要可以分为惯性导航、光学导航、天文导航和组合导航四类。 (1) 惯性导航：发展较成熟，由惯性测量单元 IMU（主要包括加速度计、陀螺仪等）和计算机组成。惯导系统将测量的加速度或速度对时间进行积分得到位置信息。 (2) 光学导航：通过测量深空探测航天器相对于目标天体的斜距、斜距速度，或者测量目标天体的视角半径、表面图像，运用一定的数据处理或图像处理来估计深空探测航天器的轨道和姿态信息。 (3) 天文导航：通过测量已知运动规律的天体（称为参考天体，如太阳、月球、其他行星等）相对于某基准面的高度角和方位角来确定探测器的轨道和姿态信息的方法。已知运动规律的天体主要分为太阳和行星、小行星和行星卫星、脉冲星三大类。天文导航系统不依赖于地面设备，也是一种完全自主的导航系统，其导航精度高，不仅适用于短距离探测，也适用于远距离的探测。天文导航的关键问题是参考天体的测量值信号不能太弱。 (4) 组合导航：为了能充分发挥各种导航方式的特点，往往将几种导航方法组成一体进行自主导航，达到取长补短、综合发挥各种导航方式优势的目的。目前发展的自主导航系统大多是组合导航系统。深空探测任务常见的组合导航方式为，在地球逃逸段，采用惯性导航和光学导航的组合导航方式，用光学导航校准惯性基准；在日心过渡轨道段则可利用光学导航来完成；在最后的接近段，采用光学导航和器载雷达导航相结合方式，以达到改善精度的目的。 在深空探测航天器自主导航技术的研究与应用领域，我国取得了一系列显著的成果。 (1) 嫦娥二号卫星在地月转移轨道段末期，开展了我国首次深空探测自主导航试验。结果 表明，自主导航可满足接近轨道修正的需要，相对基准误差校正，可显著提高接近导航精度。 (2) 嫦娥三号月球探测器利用光学图像，首次实现了着陆过程的自主障碍识别与避障。针对月球软着陆任务面临的“复杂月面环境、动态振动条件下的高精度自主导航”难题，通过优化变系数门限的容错修正方案，解决了多信息源有效性动态监测和最优融合问题；针对月球软着陆任务最核心的“安全、自主障碍识别和规避”问题，基于在轨图像的自主避障方法，在软着陆接近段基于二维图像进行障碍识别和粗避障，在悬停段基于三维图像进行障碍识别并完成精确避障，保证了探测器的着陆安全。 (3) 嫦娥四号月球探测器成功着陆在月球背面，首次基于序列图像实现了月球背面崎岖、未知地形环境下的高精度自主避障软着陆。相比于嫦娥三号任务的月球正面虹湾区域着陆，月球背面地形地貌以高地为主，地形较为崎岖，复杂的地形条件对着陆过程的导航、制导与控制都带来了更大的挑战。针对崎岖地形可能带来的敏感器数据异常问题，嫦娥四号采用了基于多测速敏感器和惯性敏感器的导航方法。其中，惯性敏感器用于着陆过程的惯性自主导航，而测距测速敏感器通过源信息融合的多波束测距测速修正融合方法，建立了自主导航容错计算框架，从而实现了异常测量数据快速筛选与隔离、多波束测量信息的鲁棒融合，显著提高了着陆导航的可靠性。 2 自主制导控制技术 自主制导控制技术指的是，深空探测航天器不依赖地面，仅靠自身携带的测量设备和计算机实现姿态测量、轨道测量、确定或生成在控制力作用下的飞行规律并自主进行姿态控制和轨道控制。 深空探测航天器与地面测控站通信延迟大，且信号有可能会被太阳及其他天体遮挡，不利于突发事件的及时处理。因此，自主制导控制技术是解决突发事件、保证深空探测航天器安全的重要手段。 美国 JPL 实验室对火星软着陆障碍规避技术进行了研究，提出了一套火星着陆的障碍规避方法。着陆器根据障碍检测所得到的局部地形情况，选择出安全着陆区域，并根据探测器当前的位置、速度，期望达到的位置、速度和加速度规划一条障碍规避轨迹，控制探测器沿此轨迹下降，实现了精确安全着陆。 针对不规则弱引力小天体的着陆自主制导控制问题，美国 JPL 实验室针对小天体表面地形的特点，发展了基于计算机视觉的小天体着陆方法，通过跟踪可见的特征点和识别路标来达到探测器的精确制导和避障。日本通过“隼鸟 1 号”任务，验证了利用光学测量实现自主着陆小行星的自主导航和制导方案。NASA 的“欧西里斯”小行星任务，针对下降着陆段导航中的自然特征点跟踪地形匹配的局限性，提出了适应照明变化和小天体表面反射率不同的鲁棒地形相对导航方法，在仿真实验中取得了良好效果。即将在轨进行实际演练。 我国在深空探测航天器自主制导控制技术的研究与应用领域，取得了一系列显著的成果。 (1) 在嫦娥一号、嫦娥二号卫星设计中，针对“飞行控制任务复杂多变，对卫星的姿态和轨道控制实时性、可靠性和精度要求较高”等具体需求，在总体、控制分系统等设计中采取了多项创新性设计。具有代表性的成果主要包括：针对奔月轨道控制需求，设计了在线规划调度、星敏感器与陀螺联合定姿算法、基于四元数的高品质相平面控制算法、高精度和高可靠关机策略等新的自主制导与控制方法。针对“近月制动控制具有唯一时机特征并关系任务成败”的关键难题，建立了国内首个适应复杂变轨、高精度高自主三体指向的控制系统体系结构；设计了可实现“容错组合重构、自主恢复功能”的高可靠变轨控制设计准则与框架，突破实现了自主可恢复的变轨控制技术，化解了由于制动异常而导致飞掠月球任务失败的风险。 (2) 在嫦娥三号月球软着陆探测器设计中，利用自适应动力显式制导、无迭代多项式粗避障制导，以及内外环结合的精避障制导等方法，实现了软着陆过程的自主制导。 (3) 在嫦娥四号月球软着陆探测器设计中，针对崎岖地形带来的导航高度急剧变化所导致的制导控制状态不稳定问题，以及崎岖地形带来的精确避障需求，采用了一种将垂直接近和精确避障相结合的控制方法，实现了月球背面崎岖地形的精确避障和安全着陆。 3 自主任务规划技术 自主任务规划技术指的是，根据深空探测航天器自身的能力和状态、对空间环境的感知认识，以及各种约束条件自主规划飞行任务，形成控制策略来控制航天器，以完成各种任务要求的技术。 自主任务规划技术分为规划和调度两个过程，规划是从某个特定的问题状态出发，寻求一系列行为动作，并建立一个操作序列，执行这个序列能实现目标状态；调度是在计划己经制定好之后，为计划中的各种动作分配合理的资源和时间，解决现实世界中的各种约束关系，协调系统工作，以确保任务能正确完成。规划的主要目的是寻求操作序列，而调度负责为这些操作分配资源和时间。 美国 JPL 实验室采用经典规划调度算法开发的自主规划与调度系统，实现了任务与规划调度系统的模块化，并在“地球观测 1 号”卫星上得到了成功的应用；美国 Colorado Space Grant 学院，基于贪婪算法，提出了一种在轨卫星最大化任务数量下的任务规划调度方法，开发了自动规划 / 调度系统，并成功应用于 STS-85 航天飞机；NASA 根据启发式搜索方法，开发了航天器任务规划调度系统 EUROPA，并应用于 “勇气号”“机遇号”火星车等多个型号任务。 典型的深空探测航天器自主规划系统主要包括任务规划调度模块、指令管理模块和探测器任务约束模型三个组成部分，具体如图2所示。  图 2 深空探测航天器的自主规划系统组成 我国在深空探测航天器自主任务规划技术的研究与应用领域，取得了一系列显著的成果。 (1) 在嫦娥一号和嫦娥二号月球探测任务中，采用了多级递阶控制的技术方法，根据任务规划、信息管理、资源管理及安全管理四方面顶层需求及相互约束，从系统全局统筹设计了基于多级控制结构的星载信息网络体制和分系统协同工作模式，可靠实现了测控、应急安全等子任务的自主管理。采用热控、电源和轨道联合优化方法，设计实现了温度多模式自主控制和电源充放电高效自主管理，解决了长时间阴影下系统自主运行的难题，使嫦娥卫星自主安全可靠地度过了月食。 (2) 在嫦娥四号月球探测任务中，动力下降段需要深空探测航天器在约 700 s 内把距离月面高度从 15 km 降低到 0 m，速度从 1.7 km/s 减小到 0 m/s，姿态从 90° 调整到 0°，这是一个轨道、姿态密切耦合的高动态变化过程。经过精细设计实现了该过程子任务的自主完成。同时，为确保着陆过程不同姿态下中继链路的可用性和着陆后整器安全，结合飞行轨迹与姿态，针对动力下降过程对中继星测控数传链路自主模式切换的策略进行设计，实现了子任务级的自主规划实施。 4 自主诊断重构技术 自主诊断重构技术指的是深空探测航天器不依赖地面，仅靠自身携带的多种测量装置和执行机构，以及构建的解析冗余关系等，自主地实现故障检测与隔离，并根据诊断结果，通过改变测量装置或执行机构的配置构型、或控制算法等方式应对与处理故障，以恢复系统全部或部分既定功能的技术手段。 目前大多数航天器还是由“地上人”监测“天上星”，即采用“天地大回路”的方式诊断与处理故障：当航天器检测到系统异常后，通过遥控遥测将数据传输给地面测控站；通过人工判读、专家会诊的方式对故障进行分析和确诊后，再将处理结果通过指令的形式上注给航天器。然而，上述传统的故障诊断重构技术无法满足深空探测航天器自主运行的迫切需求。 为了确保航天器安全可靠自主运行，在以往的型号研制和方法研究过程中，主要集中在故障发生的“两头”，即在故障发生之前，重点关注零部件的可靠性增长问题。然而，受加工、制造和装配等客观因素影响，提升零部件可靠性的能力有限，而且选用高可靠性的零部件并不能保证系统的可靠性最高；同时，高可靠性不能保证系统一定不发生故障。因此，该技术手段只是降低了故障的发生概率，且存在费效比偏高的问题。 另外，在故障发生之后，主要集中在诊断重构的算法研究与系统实现，具有代表性的成果包括：在深空探测领域，美国的 DS-1 深空探测器，基于模型的故障诊断方法，并利用人工智能技术，在轨进行故障的识别和定位，以及系统的模式重构；在遥感领域，美国的 Landsat卫星、法国的 SPOT 卫星等均都具备了不同程度的自主故障诊断与重构能力；在载人航天领域，美国的 Apollo 载人飞船和俄罗斯的 Soyuz飞船，通过多硬件的冗余备份，达到了“一重故障保工作，双重故障保安全”的目标。 我国在深空探测航天器自主诊断重构技术的研究与应用领域，取得了一系列显著的成果。 (1) 嫦娥一号深空探测航天器，根据实际任务需求，设计了“天线展开控制监控与应急操作、整星应急控制、复位／切机后自主恢复操作”等自主故障诊断策略，增加了深空探测航天器在轨的生存能力和可靠性。 (2) 嫦娥四号深空探测航天器，基于月球背面软着陆任务的特点，将原本依赖地面的基于人工判断处理的方式改变为器上自主地进行诊断与执行。在部件级层面，重点针对推进发动机、陀螺、加速度计、测距敏感器、测速敏感器等关键部件，设计了自主故障诊断与重构算法；在系统级层面，重点针对导航、姿控等关键分系统，设计了自主故障定位与重构策略，极大提升了航天器系统故障的自主能力。 目前，我国航天器已逐步从关注分系统故障诊断与重构能力，转变为系统级的状态监测、以及故障预测与修复，并初步形成了集成的航天器健康管理系统，进而可以从顶层实现的角度确保任务的顺利执行。值得一提的是，不同于传统抓“两头”的研究思路，从 2003 年开始，在多项国家级和省部级预研项目的支持下，本项目组发现航天器自主故障诊断与重构技术在轨实施受限的关键核心在于——对航天器系统的诊断重构能力认知不清，即缺乏相关的理论方法表征、判定和量化系统的可诊断性与可重构性。以此为出发点，项目组突破了航天器控制系统自主故障诊断与重构亟需解决的重大基础问题和技术难题，改变了传统航天器故障诊断与重构设计理念，将以往仅关注后端的诊断重构算法，转变为在系统设计之初就进行可诊断性与可重构性研究。提出创建的可诊断性与可重构性理论和方法是表征系统故障诊断与重构能力的本质属性，基于此发明的可诊断性与可重构性评价设计技术，是从根本上提升控制系统自主故障诊断与重构能力的重要手段，是保障深空探测任务的顺利实施与完成的关键核心。 5 自主诊断重构技术 我国未来深空探测任务可能要开展月球永久阴影区探测、小行星采样返回探测、火星采样返回探测、木星系及行星际穿越探测、太阳系边际探测等一系列深空探测活动。随着上述任务的实施，将开拓我国深空探测的深度和广度，获取重大原创性科学发现，促进我国航天技术跨越式提升，有力推动空间科学、空间技术和空间应用全面发展。 面向我国未来深空探测重大战略需求，在深空探测航天器的自主运行技术领域开展基础性、创新性的科学技术研究和核心技术攻关，进一步深入探索研究以下 4 个发展方向，引领我国深空探测航天器自主化技术水平的跨越发展。 5.1 适应深空物性未知环境的自主导航方法 后续深空探测任务将探测一些人类认知极其有限的目标天体，主要面临的难题是目标天体的先验知识缺失或者不完备，如引力模型、大气环境、表面地形等任务设计所必需的要素。同时“定点着陆、采样返回”等科学探测任务需求对自主导航的功能性能要求越来越高。如何解决未知环境下高精度控制的难题，是自主导航技术需深化研究的方向。 (1) 研究基于多源信息融合的自主导航技术，包括视觉 / 激光 / 红外多手段一体化协同探测技术、非合作目标多源数据协同融合感知技术、在轨状态高精度测量与辨识技术等； (2) 研究基于序列图像的自主导航技术，包括基于序列图像的可观测性理论方法、基于动力学约束的暗弱小天体识别与提取方法、物性未知小天体高效表征与特征鲁棒匹配方法、基于可观测度分析的相对导航状态估计与误差校正方法等。 5.2 深空复杂不确定性环境下自主制导控制方法 不同于地球和月球，后续深空探测任务的飞行环境更为复杂、先验知识匮乏、不确定性强，而且深空探测器与地面测控站通信延迟大、通讯信号易被其他天体遮挡，因此星上需要根据实时动态变化的环境自主进行姿态和轨道控制。目前深空探测器控制系统是将制导回路与控制回路分开进行设计，没有考虑制导与控制回路之间的耦合性，后续深空任务应用场景中（如火星探测大气进入过程），姿轨控的强耦合性更大，产生的制导指令易超过控制系统的机动范围。因此，针对更为遥远、更为复杂的深空探测任务需求，需进一步提升制导控制方法的自主性和鲁棒性。 (1) 针对空间环境下星上计算资源、感知和控制能力严重受限而环境不确定性和干扰性强的约束，研究结构简单能在线自主生成的鲁棒制导与控制方法； (2) 针对如深空天体大气进入过程等飞行环境复杂，制导与控制系统模型具有强非线性和强耦合性的深空探测任务，研究完善且适用性强的鲁棒制导与控制一体化设计方法，在理论上确保制导和控制系统整体上的稳定性。 5.3 系统多维约束空间内的高效自主任务规划方法 后续小行星、木星系等深空探测任务探测距离更远，航天器与地面站的通信延迟达数分钟甚至数小时。特别是当外部环境或航天器状态发生超出预期突变时，如果通过地面站进行遥测遥控和任务重规划，必将耗时极多，甚至影响整个探测任务的成败。因此，未来的深空探测航天器必须具备更强的自主任务规划与调度能力。在有限的器载资源和严格的执行时间等复杂约束条件下，探测器不仅需要进行活动的自主选择和排序，而且还需要对资源、时间进行合理分配和优化，从而快速、准确地生成规划序列。 (1) 建立适合深空探测领域的规划知识建模方法，实现多种知识的统一表达，便于知识挖掘，缩小问题空间； (2) 在由不同子系统特性组成的多维规划知识空间内，利用星上有限的计算资源，研究高效的知识搜索和推理方法，实现快速、准确的任务规划； (3) 考虑因果关系和活动之间的多种约束条件，以及深空环境的动态不确定性，研究约束处理方法和定量信息处理方法，实现复杂约束条件和不确定性环境下的自主任务规划。 5.4 基于可诊断性与可重构性理论指导的自主诊 断重构方法由于后续火星着陆巡视、小行星采样返回等深空探测任务存在距离远、延时大、信息交互难、不确定性强等技术难题，这使得现有方法难以满足自主诊断重构的时效性、安全性和可靠性要求。因此，如何进一步提升深空探测航天器故障诊断的识别精度和快速性，同时在保证故障后功能不变的情况下降低重构能耗，是后续亟需深化研究的具体问题。 (1) 将目前关于航天器控制分系统的可诊断性与可重构性成果进一步研究推广应用于航天器系统，实现整器自主诊断重构能力的可表征、可判定及可量化； (2) 针对多因素耦合作用下系统诊断能力的精准度量与综合优化等难题，研究基于解析冗余关系与相似度的可诊断性评价、系统配置与诊断策略的一体化设计等方法； (3) 针对复杂多目标约束下系统重构能力的精细度量与强化实现等难题，研究基于多目标的可重构性综合评价、面向时间与空间双维度的可重构性协同设计等方法。 6 结束语 航天器这一典型的自主无人系统，一直以来都是依赖地面进行操控与协同。对于更为遥远的深空探测航天器而言，实现自主运行是学者和工程师们的不懈追求。本项目组一直致力于探究制约深空探测航天器自主运行技术的科学问题内涵；针对航天器这一类资源严重受限、不易在轨维护的空间无人系统，力求以系统观测、诊断和重构能力的定性判定和定量表达为突破口，以星上最低资源占用且不依赖任何人造信标为约束条件，去自主完成深空探测的使命任务。 深空探测航天器自主运行技术的实现途径，不同于一般的理论研究、常规的技术攻关和传统的工程设计，既要基于科学原理，又要面对复杂约束，同时必须安全可靠，并最终成功应用于工程实践。 （参考文献略）  选自《中国人工智能学会通讯》 2021年第11卷第2期 智能空天系统专题 |
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