长期以来，人类探索太空奥秘的脚步从未停止，浩瀚而神秘的太空时时充满不可预知的诱惑。风筝断了线就失去了控制，卫星远在太空为何不会失控？在茫茫星海中，小小的卫星会迷路吗？如果地面站被毁，卫星怎么回家？它所接收的重要科研信息是否就随之一起永远失联？

2017年12月8日，作为“2017世界智能制造大会—智领全球高峰会”的构成部分，“智能制造系统解决方案”主题论坛在南京国际博览会议中心举行。论坛以“深入交融，中西合璧”为主题，邀请了中、德、美、日多方智能制造系统解决方案领域的知名企业专家齐聚南京，就智能制造系统解决方案的实践与应用、产业前沿科技、行业未来发展趋势展开交流互动，共话中外智能制造系统解决方案领域的新发展。

中国科学院吴宏鑫院士委托他的学生、北京康拓科技有限公司副总裁王迎春带来了题为《航天器智能自主控制进一步研究》的演讲，向大家系统介绍了当前智能制造研究成果在航空航天业中的应用。

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智能控制下，航天器自主运行

至今，人类已在地球卫星、载人航天和空间探测三大领域开展了广泛活动，取得了为世人所瞩目的成就。目前，全世界已经发射卫星、飞船、航天飞机、空间站和深空探测器等各种航天器6600多颗。中国于1970年4月也发射了第一颗人造卫星，至今已经发射航天器280多颗，为航天事业做出了突出贡献。

航天器上了天以后就进入“没有人管”的状态，那么它的可靠性和安全性怎么控制？“主要依靠地面站所干预的地面控制”，王迎春向大家介绍，目前的控制大多采用一些经典的控制方法，比如PID控制和相平面控制，少数也尝试了一些新的方法，比如鲁棒控制、自适应控制、最优控制等。卫星导航方式则以地面站与导航星GPS导航为主。

控制方法越成熟就越可靠，航天、军工的发展也推动了经典控制理论的发展。从上世纪八九十年代以来，随着自适应控制和智能控制的发展，航天器的控制也在探索做智能自主工作。

那么为什么要研究航天器的智能自主控制？

王迎春向大家娓娓道出原由：在1995年的世界IFAC大会上，时任中国自动化学会理事长的杨嘉墀院士指出，“由于传统控制技术在空间飞行器姿态和轨道控制方面存在问题，各空间国家十多年前就在发展智能自主控制技术。发展智能自主控制技术对中国来说更有必要性。”这种必要性主要为：一是航天器的高性能和强适应性的需求，特别是火星探测，火星表面发射光到地球最近距离时间为182秒，最远距离为1342秒，靠地面站指挥是不能实时和精确控制的；二是长期可靠运行的需求；三是在轨运行航天器数量增加，多星组往、编队飞行需要智能自主控制；同时还有保卫国防和全球弧段控制、空间飞行器在轨服务和维护的需求。

由于这些需求的迫切性，航天器的控制从经典控制转向了智能控制。“所谓航天器的智能自主控制，就是在航天器控制系统中引入人工智能与智能控制技术，使航天器在不确定的环境中以及内部结构和参数发生变化时，能够不依靠人的帮助和地面站的支持，完全依靠航天器上软硬件设备自身的能力实现自主运行。”

自主运行是目的，而各种智能的控制方法是实现手段。航天器智能自主控制有三个目标：一是解决在不确定或不确知环境下，在无人帮助和无地面站支撑的情况下，能够保证航天器高精度、高可靠性的稳定自主运行；二是当在轨环境或航空器内部发生变化或出现故障时，能够根据变化特征自主修改控制器以适应变化；三是当航天器在运行过程中遇到某些事先未预料到的情况时，能有临场决策能力。

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全世界都在研究航天器智能自主控制

多年来，世界上多个国家都在进行航天器智能自主控制的研究，这个领域的研究基本分为三个方面：

一是卫星自主导航。40多年来，美国、前苏联、俄罗斯和欧空局先后研究了多种卫星自主导航方案，部分进行了在轨飞行试验。美国从20世纪80年代开始制定了一系列卫星自主化政策。各国研究的目的在于不再依靠地面导航，而是靠空间天体间的物理运动来导航，例如对日、对月敏感器等。但是迄今还没有一个完全自主的卫星导航系统投入应用。

二是航天器智能自主控制。美国发射了多颗卫星来进行航天器智能自主控制的研究和试验，其中于1998年发射的深空一号远程智能体实验中，首次将智能技术应用于航天器控制；2004年发射的勇气号火星探测器自主运行7个月，行程4.85亿公里后安全登陆火星；2005年的“深信撞击”探测器则代表着目前航天智能自主控制的最新进展。前苏联、俄罗斯也从90年代开始应用自适应控制技术，控制侦查卫星的燃料晃动和帆板震动。日本进行了隼探测器自主小行星探测。

三是卫星控制系统本身的自主故障诊断和重构。美国对航天器主要子系统和设备建设了多个故障诊断与重构系统，英国、德国等都开展了相关研究。

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中国的嫦娥、神舟都是智能控制的

北京控制工程研究所、清华大学、北航、哈工大、国防科大、西工大等单位都进行了自主导航、智能自主控制以及自主在轨诊断的研究和试验，取得了一定的成绩。

一是自主导航。北京控制工程研究所经过10年研究，在深空探测器自主导航方面提出了惯性/星光组合导航技术和基于光学成像测量的深空探测自主导航技术，主要应用就是嫦娥的月球探测器自主导航。2013年嫦娥3号软着陆探测器首次实现了基于在轨图像的地外天体软着陆自主避障。

二是卫星的姿态轨道控制。国家自然科学基金和国防973重点基金支持的智能自主控制技术取得了一定成果，特别是在神舟载人飞船神一到神十的返回再入自适应控制方面，研究出基于智能特征模型的黄金分割自适应交会对接的精准控制等具体应用，这实际上是吴宏鑫院士和他的团队自主创造的一个基于智能特征模型的智能控制方法，已经在航天器上得到了应用。

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有了自主导航，再也不用担心卫星迷路

航天器自主导航就是依靠航天器本身所具备的软硬件设备，在空间飞行时自主确定自己在空间的方位、速度和姿态，为卫星轨道和姿态控制提供信息。自主导航是航天器能否实现智能自主控制，高性能地自主飞行的先决条件。

根据航天器运行轨道不同，自主导航分为两类：深空探测自主导航和地球轨道的自主导航。

深空探测自主导航主要是由光学成像敏感器作为测量手段，在此基础上采用智能控制的方法，测量对象为恒星、近天体和小行星等。迄今还没有一项深空探测任务可以实现完全不依赖地面测控的全自主导航和自主控制。

对于地球轨道的航天器来说，自主导航是采用红外地球敏感器加强敏感性的一种天文导航方法，其原理上和工业系统里智能控制的研究是一样的。

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航天器智能控制在线“自救”

这里的航天器是指人造地球卫星、载人飞船、空间站和宇宙（深空）探测器等，被控对象表现为时变、不确定性、非线性分布参数等动力学特性，从而使得精确的数学模型很难建立。

实际上是通过把这种通用的智能控制的建模方法与航天器姿态特别是航天器的特征相结合，来进行航天器的智能自主执行控制。智能控制最关键最基本的能力是抓特征，用智能特征和智能控制的方法，根据运行过程中出现的头部自行在线调整控制算法。这在抢救卫星的过程当中使用得比较多。

“比如，由于技术设计上的某个疏忽，使得偏航轴方向的推力器不能提供正常的控制力矩，一个三轴稳定的卫星只能依靠其他两轴进行控制，这样就叫做欠驱动控制。”王迎春表示，关于欠驱动控制的理论和方法，国际上有很多论文发表，但真正应用于实际航天器控制的未见报道。中国的航天控制专家利用了动力学耦合特性和欠驱动理论及方法，系统地重构设计、自主调整控制策略，挽救了这颗卫星。

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失联后，卫星可以自主工作

为保证航天器自主运行，整个航天器在太空运行中各种信息的获取、传输、处理和应用顺利进行，即使地面站被毁也不怕，整个信息系统本身必须有自主工作的能力。

比如，2014年11月1号，美国的日地关系观测台的卫星与地面失去了联系，22个月后，在2016年又收到了信息。在失联的22个月里，智能在进行控制，自主启动了72小时应急呼救系统。

“航天器智能自主控制要研究新理论、新方法、新技术和工程实现以及飞行验证与工程应用，这是一个全新的过程，是一个大的工程系统。”王迎春特别提醒，以上介绍的主要是智能自主控制的初步设想和展望，还有很多问题都有待于进一步研究。

整理 | 张寄尘

摄 | 秦永诚

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