空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术.首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知-决策-执行”(Perception-decision-action, PDA)自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护(On-orbit servicing, assembly, and manufacturing, OSAM)控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考.     

空间控制技术发展与展望

控制是航天器在空间环境下自主完成复杂任务的关键技术。首先梳理了中国空间控制技术过去50多年来的发展成果,总结划分为航天器姿态控制、姿态轨道控制、“感知-决策-执行”（Perception-decision-action, PDA）自主控制三个方面,并在综述了各方面主要进展的基础上,围绕超大结构航天器姿态轨道控制、轨道空间博弈控制、网络化航天器集群控制、地外探测智能无人系统控制、跨域航天器自主控制、在轨建造与维护（On-orbit servicing, assembly, and manufacturing,OSAM）控制6个技术方向,提出面临的挑战和需要重点关注的基础性问题,为空间控制技术未来的发展提供借鉴和参考。     

航天控制的发展方向－－航天器智能自主控制

本文从航天任务、航天技术的发展过程分析了航天控制的发展方向,论述了发展航天器智能自主控制的必要性,航天器智能自主控制系统框架结构和需解决的问题,提出了智能控制理论中智能特征模型、智能控制器设计原则和智能控制目标可达性等几个关键性科学技术问题。论文最后介绍了智能自主控制在航天控制中的应用成果及有关理论与实践的关系问题。     

无人机感知-规避系统安全区域动态决策方法

为了解决无人机在空域交通中的感知-规避安全性需求问题,根据无人机的感知能力定义空域交通的安全边界,采用微分对策和生存能力理论对感知-规避问题进行描述和分析,提出一个理论框架和解决方案,给出了安全区域对无人机飞行策略和制导律的影响。只要无人机与冲突航线内的其他飞行器保持必要的间隔,所提出的方法就可采取有效的策略减小冲突航线上的不确定边界,并选择相应的规避决策调整航线,避免飞行冲突。     

基于稳态视觉诱发电位的智能轮椅半自主导航控制

针对现有基于脑-机接口(BCI)控制的智能轮椅因交互不协调、识别准确率低、执行效率差而造成用户疲劳等问题,提出了一种人机协同智能控制方法,设计并实现了一种基于BCI与层级地图结合的智能轮椅半自主导航控制系统.首先根据实际需要构建栅格-拓扑-意图3级层级地图.然后采用基于典型相关性分析的1维卷积神经网络对人的意图进行识别分类,并通过BCI系统发送至导航控制部分.最后经融合决策给出控制指令实现智能轮椅的导航.实验中所提方法的平均准确率为91.576%,对脑电信号的识别准确率高,控制系统的稳定性好.结果表明该方法可灵活控制轮椅运动方向并按照人的控制意图无碰撞地到达目标地点.     

自动化科学与技术发展方向

本文结合中国自动化科学与技术的发展状况和中国绝大多数大学设有自动化专业的现状,借鉴自动化科学与技术发展历程中的成功经验,结合国家社会经济发展和国家安全对自动化系统的未来需求,以生产制造系统、重要运载工具和人参与的信息物理系统为主要对象,以自动化系统的发展方向—智能自主控制系统、智能优化决策系统和智能优化决策与控制一体化系统的愿景功能为目标,以研究实现愿景功能的建模、控制与优化新算法和新的自动化系统的设计方法和实现技术以及结合重大应用领域开展的应用研究为主线,提出了自动化科学与技术的发展方向,并结合新兴应用领域对自动化科学与技术的需求与挑战,提出了未来自动化科学与技术的发展方向.     

网络安全态势认知融合感控模型

为了分析网络威胁的演化趋势,并探讨安全态势的自主感知和调控问题,将跨层结构和认知环融入模型的设计,提出一种基于融合的网络安全态势认知感控模型,增强网络安全系统的层间交互和认知能力.在分析模型组件及其功能的基础上,利用多源融合算法得到各异质传感器对网络安全事件的准确决策,结合对安全事件威胁等级和威胁因子关系的推演,克服威胁因子获取过程中需处理网络组件间复杂隶属关系的不足,从而提出包含服务级、主机级和网络级的层次化态势感知方法,提高对网络威胁的表达能力.而且通过对态势感知曲线的分析,搭建离散计算和连续控制之间的桥梁,形成闭环反馈控制结构,解决安全态势自感知和自调控的问题.仿真实验结果表明：基于融合的网络安全态势认知感控模型及方法能够融合异质安全数据,动态感知威胁的演化趋势,并具有一定的自主调控能力,达到了认知感控的研究目的,为监控和管理网络提供了新的方法和手段.     

AUV自主控制全局模型及智能决策算法研究

分析了自主式水下潜器(AUV)自主控制全局模型的内涵,指出应该包含环境信息、使命信息以及自身状态三个部分;用栅格法建立了环境模型;定义了"多区域地形勘察"使命案例;分析了与决策算法相关的AUV自身状态的表示方法;在此基础上开发了智能决策算法,算法包含路径选优和速度规划两部分;应用图论及运筹学的方法实现了路径选优,应用遗传算法实现了速度规划;用Petri网为AUV的使命控制过程建模,最终完成了智能决策算法和使命控制系统的集成;经仿真验证,所开发的智能决策决策算法正确有效,AUV使命的控制和执行自主可靠.     

太阳帆航天器地球逃逸轨道解析最优控制律

针对太阳帆航天器地球逃逸轨道控制问题,给出一种新的解析最优控制律.该控制律可使航天器在逃逸过程中轨道能量变化速率最大,从而保证逃逸时间最短.考虑到地球逃逸轨道形状,引入改进春分点轨道根数对航天器运动学方程进行描述,并给出了地球逃逸轨道最优控制律的推导过程.仿真分析表明,该控制律计算速度较快,而且可以根据航天器状态实时计算姿态控制角,因此比较适用于未来太阳帆航天器在轨自主控制系统.     

基于地平/恒星的GEO航天器自主导航仿真分析

研究航天器自主导航的优化测试问题,针对我国的GEO轨道及施加小推力后的航天器自主导航的研究却很少.对GEO轨道航天器来说,若其不在我国测站测控范围内,则难以实现轨道测控.针对上述问题,提出采用地平仪和星敏感器的自主导航方案.同时,考虑众多的GEO轨道航天器采用高比冲电推进技术用于位置保持以及寿命末期离轨,还研究了在沿轨道速度方向连续小推力作用期间的自主导航问题.通过仿真,结果表明采用地平仪和星敏感器以及推广卡尔曼滤波的自主导航方法可以适用于GEO轨道航天器.     

面向自主运行的深空探测航天器体系结构设计 及自主任务规划方法

传统的航天器运行管控方式严重依赖地面指控、人力成本耗费大且对任务响应时间长,难以满足深空探测远距离通信时延突出的任务特点,航天器的智能化水平亟待进一步提高.本文通过对航天器自主运行问题进行系统地分析,提出一种基于多智能体的航天器自主运行的体系结构,面向自主系统结构、运行流程等进行了设计.重点针对小行星探测任务,提出了一种包含平台和载荷任务管理的两阶段航天器自主任务规划算法设计方案,能够实现平载一体的航天器自主任务管理,根据高级任务目标输出完整的指令序列.并通过自主任务规划仿真,对相关算法和模型的正确性和可行性进行了可视化验证和分析,为航天器自主运行技术研究提供了一种有益的思路和方法.     

Intelligent command and control agent in electronic warfare settings

This paper investigates the autonomous decision‐making process of threat detection, classification, and the selection of alternative countermeasures against threats in electronic warfare settings. We introduce a threat model that represents a specific threat pattern and also present a methodology that compiles the threat into a set of rules using soft computing methods. This methodology, which is based upon the inductive threat model, could be used to classify real‐time threats. Furthermore, we calculate the expected utilities of countermeasures that are applicable given a situation and provide an intelligent command and control agent with the best countermeasure to threats. We summarize empirical results that demonstrate the agent's capabilities of detecting and classifying threats and selecting countermeasures to them in simulated electronic warfare settings. © 2010 Wiley Periodicals, Inc.     

Autonomous implementation of dynamic operations in a geostationary orbit. II. Synthesis of control algorithms

This study continues the series of papers devoted to the problems of autonomous operation of spacecraft in a geostationary orbit. The solution of the problem considered here assumes the formation of a set of algorithms for control processes in a closed autonomous spacecraft control and navigation system in a geostationary orbit. The paper is aimed at the formalization and solution of the new technical task of autonomous control during the spacecraft’s ascent to the given orbital position and remaining in this position. An important requirement is to provide the safe separation of several spacecraft in one orbital position. The control problem is solved using the combined optimization method developed by us; in this method, the control vector is divided into the synthesized and the programmed components taking into account the principle of the separation of the navigation and control problem in the stochastic approach. The motion’s models proposed in the previous paper are used to develop the control algorithms for a spacecraft’s ascent to the working position in a geostationary orbit and remaining in this position. The results of the algorithms simulating the ascent and maintaining for the exactly known state vector taking into account the random spread of the initial conditions and thrust are presented.     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺复合自抗扰控制

讨论空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击力矩破坏的避撞柔顺控制问题.在机械臂与关节电机之间配置一种弹簧类柔顺装置——旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用在于:1)在捕获碰撞阶段,可通过其内置弹簧的变形吸收碰撞产生的能量;2)在镇定运动阶段,结合避撞柔顺策略适时开、关电机,以保证关节所受冲击力矩受限在安全范围.首先,应用拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别得到捕获前空间机器人及目标航天器系统动力学方程;然后,结合整个系统动量守恒关系,捕获操作后速度约束关系及力的传递规律,建立捕获后两者形成联合体系统的动力学方程;最后,针对失稳的联合体系统提出一种基于复合误差的避撞柔顺自抗扰控制方案以实现其镇定控制.系统数值仿真结果表明了上述避撞柔顺策略的有效性.     

航天器多维动态可配置健康管理系统设计

以工程任务为牵引,提出了一种基于多维动态可配置模型的航天自主健康管理及控制系统设计与实现方法,有效解决了不同航天器间自主控制管理需求差异大、开发效率低等问题,具有一定的创新性。阐述了系统的设计思路,并给出实现示例,通过参数的动态表格化配置、判据的多源拟合等设计,实现健康管理规则库的构建;通过数据有效性服务的设计,完成对航天器健康状态判断数据源的质量控制;无差别异常检测模块、异常隔离与恢复等模块的设计,保障了航天器异常状态的实时处置,确保航天器安全运行。通用化的模型设计可支持不同航天器的自主健康管理及控制系统,已获得多个型号整器级测试应用验证,具有推广价值。     

Reinforcement learning in spacecraft control applications: Advances,prospects, and challenges

This paper presents and analyzes Reinforcement Learning (RL) based approaches to solve spacecraft control problems. Different application fields are considered, e.g., guidance, navigation and control systems for spacecraft landing on celestial bodies, constellation orbital control, and maneuver planning in orbit transfers. It is discussed how RL solutions can address the emerging needs of designing spacecraft with highly autonomous on-board capabilities and implementing controllers (i.e., RL agents) robust to system uncertainties and adaptive to changing environments. For each application field, the RL framework core elements (e.g., the reward function, the RL algorithm and the environment model used for the RL agent training) are discussed with the aim of providing some guidelines in the formulation of spacecraft control problems via a RL framework. At the same time, the adoption of RL in real space projects is also analyzed. Different open points are identified and discussed, e.g., the availability of high-fidelity simulators for the RL agent training and the verification of RL-based solutions. This way, recommendations for future work are proposed with the aim of reducing the technological gap between the solutions proposed by the academic community and the needs/requirements of the space industry.     

航天器控制系统的自主诊断重构技术

自主诊断重构是确保航天器控制系统安全可靠自主运行的关键技术之一.本文针对航天器资源严重受限的客观情况,改变传统一味追求华丽算法与豪华配置的设计理念,从航天器的自身特性出发,深入挖掘诊断重构问题的本质,提出基于可诊断性与可重构性评价设计的研究思路.文章首先介绍了航天器自主诊断重构技术的发展现状,分析了当前技术的不足之处并探究了其深层原因;然后,提出了通过可诊断性与可重构性评价设计从根本上提高系统自主诊断重构能力的全新思路,梳理了其研究内容与研究概况;最后,对航天器控制系统自主诊断重构技术的发展趋势进行了展望.     

基于网络化的航天器智能GNC系统体系架构研究

智能化的导航制导与控制系统(GNC)是提高航天器在轨自主运行能力及其智能性的关键分系统。本文从航天器GNC系统智能化的意义、智能GNC的基本特征、智能等级划分、国内外航天器智能信息系统研究现状等方面进行了介绍,结合国内航天器GNC系统研究现状,提出了下一代基于时间触发以太网(TTE)技术的航天器智能GNC系统体系架构,指出了需要研究的主要内容及关键技术,为航天器智能GNC系统的发展提供技术参考。