航天器控制系统可重构性是指：航天器控制系统在资源配置和运行条件一定的情况下，在保证安全的时间内，通过自主改变构型、算法以及参数等方式，克服故障、恢复全部或部分既定功能的能力。

自主运行是新一代航天器的发展趋势。目前，大多数航天器都采用天地大回路的方式来进行控制，主要依托地面遥测遥控来实现。然而，随着航天技术的发展，特别是考虑到用户需求，这种控制方法已经无法满足新的任务要求。例如：

1）深空探测：距离远、延时大、运行环境复杂；

2）民用航天：用户广、及时性与可靠性要求高；

3）军事应用：战时能够不依赖地面自主生存;

……

面对这些任务，地面站难以满足实时性和安全性要求，因此亟需提升航天器的安全自主运行能力，这是支撑测控区外自主“执行任务”的使能技术。

深空探测：

距离远、延时大、环境复杂

军事应用：

战时不依赖地面、自主生存

导航通信：

用户广、实时/可靠性要求高

要实现安全自主运行，航天器必须具备自主故障诊断与控制重构的能力。故障是妨碍航天器安全运行的一大因素，由其引发的航天灾难在好莱坞大片中屡见不鲜，这不仅仅是存在于科幻电影中的情节，更是航天工程在实际发展过程中面临的严峻问题。航天器所处的太空环境十分恶劣，太阳活动、微小流星、太空垃圾等都会给航天器带来麻烦甚至是致命的伤害。此外，随着功能的多样化，航天器的规模复杂度日益增加，这也大大提高了故障发生的概率。因此，必须提高航天器的自主故障诊断与控制重构能力。

地心引力 Gravity (2013)

太空旅客 Passengers (2016)

复杂的空间环境

意大利和荷兰合作研制的BeppoSAX号卫星陀螺仪故障

NASA的地球静止轨道环境业务卫星GOES-9动量轮故障

如何提高航天器的自主诊断与重构能力？目前，主要通过优化诊断与重构方法来实现。然而，诊断与重构方法只是提升系统故障处理能力的后天因素，受航天器自身特性的严重制约。航天器有别于一般的系统：一方面，受运行条件的限制，它无法像飞机一样进行定期的保养与维护，也无法在故障以后进行直接的维修；另一方面，受运载能力的限制，它的可用资源严重受限（包括计算资源、硬件资源以及能量资源），很多先进的诊断与重构方法无法在轨实现。因此，需要在资源有限且不可维修等限制条件下，从根本上提升航天器自主诊断与重构的先天能力，将工作重点前移至系统的地面设计阶段。针对有可能发生故障的航天器控制系统进行可诊断性与可重构性优化设计，可以提高既有冗余的配置效率，从系统层面弥补航天器固有可靠性不足、星上资源受限以及在轨故障不可维修等缺陷，是从根本上提高航天器控制系统自主故障处理能力的一种有效途径。具体的优势可以概括如下：

1)       识别系统薄弱环节：增强航天器的健壮性；

2)       优化冗余分配效率：提高星上资源利用率；

3)       降低控制算法难度：节约有限的计算资源；

4)       避免过冗余设计：减轻航天器的运载压力。

目前，关于航天器控制系统可重构性的研究才刚刚起步，相关的概念内涵还比较模糊。鉴于此，本文结合航天器控制系统的固有特点，从描述要素、影响因素、应用范围、以及与传统可靠性之间的关系等方面出发，对航天器控制系统可重构性的具体内涵进行了深入剖析。在此基础之上，将可重构性研究划分为评价与设计两大部分，对其研究现状进行了归纳总结，并对其中存在的一些问题以及未来可能的发展方向进行了深入探讨。

引用格式：王大轶, 屠园园, 刘成瑞, 何英姿, 李文博. 航天器控制系统可重构性的内涵与研究综述. 自动化学报, 2017, 43(10): 1687-1702

作者简介：

王大轶, 北京空间飞行器总体设计部研究员. 主要研究方向为航天器自主制导、导航与控制, 故障诊断与容错控制.本文通信作者. E-mail:dayiwang@163.com

屠园园, 北京控制工程研究所博士研究生.  2014年于哈尔滨工业大学获学士学

位. 主要研究方向为卫星控制系统的可重构性评价与设计. E-mail:tyyfti@163.com

刘成瑞, 北京控制工程研究所高级工程师.  2006年在北京航空航天大学获博士

学位. 主要研究方向为卫星控制系统的故障诊断与容错控制. E-mail:liuchengrui@gmail.com

何英姿, 北京控制工程研究所研究员.主要研究方向为航天器制导与控制.E-mail:heyz1970@163.com

李文博, 北京控制工程研究所高级工程师. 2012年在哈尔滨工业大学获博士学位.主要研究方向为故障诊断与容错控制,卫星控制系统的可诊断性评价与设计.E-mail:liwenbo bice@163.com

阅读原文