航天器控制系统可重构性的内涵与研究综述
王⼤轶1屠园园2刘成瑞2何英姿2李⽂博2
摘要可重构性设计是提⾼航天器在轨运⾏质量的有效途径，可以从系统层⾯克服航天器控制系统固有可靠性不⾜、星上资源受限以及在轨故障不可维修等缺陷,⽬前已引起控制理论和航天器控制⼯程等领域的⾼度重视与⼴泛关注.本⽂⾸先结合航天器控制系统的固有特点，具体介绍可重构性的研究意义与概念内涵.然后从评价与设计两⽅⾯，详细梳理航天器控制系统可重构性的研究内容与研究现状.最后对⽬前可重构性研究领域中存在的⼀些问题以及未来可能的发展⽅向进⾏深⼊探讨.
关键词航天器，控制系统，可重构性，可重构性评价，可重构性设计，资源约束，时间特性
随着航天器在国防、通信、⽓象、勘探等多个领域中发挥着越来越重要的作⽤,⼈们对其在轨运⾏质量的要求也越来越⾼.然⽽由于规模庞⼤、运⾏环境恶劣等原因，航天器在轨故障难以避免[1−3].为了描述故障发⽣后系统的⾃主恢复能⼒，美国国家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration,NASA)于1982年提出了控制可重构性(Control recon fi gurability)[4−5]的概念，它是⼀种表征控制系统⾃主故障处理能⼒的基本属性,⽬前已引起控制理论和航天器控制⼯程等领域的⾼度重视与⼴泛关注.
为了提⾼航天器在轨运⾏的安全性，传统⽅法是通过可靠性设计来降低故障发⽣的概率[6−7].但是受成本和重量等因素的制约，航天器可备份的部件数量有限，再加上⼯艺⽔平的限制，其可靠性的提升存在“瓶颈”；更重要的是，可靠性描述的仅仅是概率意义下系统正常⼯作的可能性,⾼可靠性不代表不出现故障.同时，因为独特的运⾏条件,⼤多数航天器发⽣故障后均存在不可维修的问题.鉴于此，亟需提⾼航天器对故障的⾃主处理能⼒，确保系统可以及时采取有效措施，使故障影响降到最低.
对故障进⾏⾃主处理的前提是航天器具备可以重构的能⼒，即可重构性，其⼤⼩取决于系统的先天设计.因此，针对有可能发⽣故障的航天器，进⾏可重构性优化设计，可以从系统层⾯克服产品固有的可靠性不⾜，提⾼航天器对故障的⾃主处理能⼒，从⽽有效改善其在轨运⾏质量.
作为航天器的核⼼分系统，控制系统长期处于运⾏状态，功能复杂且零部件众多，故障尤其多发，所以应重点研究该分系统的可重构性.值得⼀提的是，虽然控制系统可重构性的概念提出于20世纪80年代，但是对于航天器控制系统⽽⾔，有限的星上资源以及复杂的运⾏条件带来了许多诸如时间有界、输⼊饱和以及能量受限等新问题.因此，结合航天器控制系统的固有特点，对可重构性问题开展进⼀步研究，具有⼗分重要的⼯程实际意义.
综上所述，本⽂针对航天器控制系统可重构性的研究意义、概念内涵、研究内容以及研究现状进⾏了系统、全⾯的梳理、归纳与总结，具体结构安排如下:1)结合航天器控制系统的固有特点，介绍了其可
重构性的研究意义.2)从定义出发，深⼊分析了其概念内涵.3)对可重构性的研究内容进⾏了详细梳理，包括可重构性评价与可重构性设计，并分别归纳了其研究现状.4)对⽬前可重构性研究领域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.
王爱珍1 航天器控制系统可重构性的内涵
只有在全⾯掌握可重构性内涵的基础上，才能够对系统进⾏深⼊的可重构性分析.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.为了给今后的研究⼯作提供⼀些指导作⽤，本节结合航天器控制系统的固有特点，从描述要素、影响因素以及与可靠性的关系和应⽤范围出发，对可重构性的具体内涵进⾏了深⼊分析，从⽽进⼀步阐述了可重构性研究的重要意义，为后续的相关研究提供了理论依据.
针对可重构性，在机器⼈[8]、制造系统[9]和计算机⽹络通信[10]等不同领域具有不同的定义.对航天器控制系统⽽⾔，可重构性反映的是系统对故障的⾃主处理能⼒.基于此，结合实际⼯程背景，给出其具体定义：航天器控制系统的可重构性是指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，系统通过⾃主改变空间构型或控制算法等⽅式，克服故障，恢复全部或部分既定功能的能⼒.
踢字组词1.1 影响因素分析
从定义出发可以发现，航天器控制系统的可重构性兼具空间和时间两个维度的属性.⼀⽅⾯，它与系统的部件构型、资源配置以及故障程度等空间因素密切相关；另⼀⽅⾯，它受到任务窗⼝、诊断时长以及重构时延等时间因素的深刻影响.下⾯分别从空间与时间两个维度出发，对航天器控制系统可重构性的影响因素展开进⼀步的分析与讨论.
1.1.1 空间域
系统故障以后的剩余控制能⼒在⼀定程度上可以反映该系统的控制可重构性.在航天器控制系统中，执⾏机构的操作过程
系统故障以后的剩余控制能⼒在⼀定程度上可以反映该系统的控制可重构性.在航天器控制系统中，执⾏机构的操作过程可以描述如下：1)通过计算控制律得到期望控制⼒矩;2)根据执⾏机构的指令类型得到对应的总指令;3)通过分配逻辑将总指令分配到执⾏机构上;4)机构按指令⼯作，产⽣实际的控制⼒矩作⽤于被控对象.由上述过程可知，执⾏机构的实际输出与指令的分配逻辑直接相关,⽽分配逻辑的选取⼜与机构的安装构型有关，主要取决于机构个数、安装位置以及安装⾓度等参数.因此可得出结论：系统控制效能受执⾏机构安装构型的影响.
当航天器控制系统处于严重的故障状态时，执⾏机构的期望输出可能会超出其物理范围，例如轮控系统，过⼤的期望⼒矩会导致飞轮饱和⽽失去控制作⽤[11−13].另外，系统长期处于故障状态会引起资
源的⼤量浪费，由于航天器帆板发电能⼒和推进剂携带量有限[14]，过度的资源消耗会影响后续功能的实现.由此可见，系统的剩余控制能⼒与故障程度、控制输⼊范围以及燃料容量等系统配置有关.
基于上述分析，可以得出结论：在空间域内，航天器控制系统的可重构性与部件构型、故障程度以及资源配置等因素密切相关.
吴旭升1.1.2 时间域
典型重构控制系统的时间响应如图1所⽰.由图1可知，系统发⽣故障以后，需要花费⼀段时间进⾏故障诊断(td−tf)，才能“对症下药”，采取有效的重构措施，即控制重构存在⼀定的延时(tr−tf).如果这段延时过短，则诊断模块没有充⾜的时间对故障进⾏精确辨识,⽆法为重构控制器提供准确的故障信息，从⽽导致控制系统重构性能低下，甚⾄重构失败；反之，如果这段延时过长，则会造成有限资源的⼤量浪费，并引起故障偏差的过分扩散，使得后续重构代价过⼤，超出星上资源可以提供的范围，从⽽导致系统在实际意义下不可重构[15−16].
图1 重构控制过程的时间响应
Fig.1 Time respon during control recon fi guration
此外，在航天器的实际运⾏过程中，有很多特定的航天任务(变轨、着陆等)都需要在规定的时间窗⼝[17−19]内完成(t0～tmis).因此，系统发⽣故障后，为继续完成这类既定任务，必须在⼀定的时间窗⼝内进⾏控制重构，该窗⼝越⼩，说明系统的时间冗余度越⼩，相应地重构难度会越⼤.
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因此，故障系统是否可重构，除了取决于各项空间因素以外,⼀定程度上还受诊断时长、重构时延以及任务窗⼝等各种时间因素影响.
由此可见，控制系统的可重构性是⼀个横跨时空两域的⾼维概念.值得强调的是，由于运⾏条件的特殊性，相⽐于⼀般控制系统，航天器控制系统的时间问题更为突出，不应该被忽略.
1.2 描述要素分析
进⼀步分析可重构性的定义可知，要描述航天器控制系统的实际重构能⼒，需要考虑三⼤要素，即限制约束(资源配置、运⾏条件、安全时间等)、重构⽅式(改变空间构型或控制算法)以及重构⽬标(恢复全部或部分既定功能).下⾯分别对这三个要素进⾏分析，以便可以更加深刻地认识可重构性的基本内涵.
1.2.1 限制约束
⽬前关于可重构性的研究,⼤多基于故障系统的剩余能控/能观性⽽展开[5,20−21].然⽽，从上⼀节对可重构性影响因素的分析可知，由于星上资源受限，航天器控制系统的实际重构能⼒受时间、能量以及控制输⼊等多种横跨时空两域的限制约束影响.因此，故障系统即使依然能控/能观，也有可能会因为重构代价过⼤或时间过长，超出系统剩余能⼒范围⽽不可重构.由此可见，判断故障系统是否可重构，除了考察其剩余能控/能观性以外，还需综合考虑其实际约束.
然⽽，由于航天器受到的约束种类较多，难以周全考虑，为了能够对系统的可重构性进⾏有效描述与分析，应该抓住关键⽭盾，区分主次约束.基于此，可以根据来源将约束划分为两类:1)硬约束，该类约束来源于系统的物理限制，不允许任何程度的放松，例如轮控系统的输出上限[22];2)软约束，该类约束是指考虑经济、环保、安全、甚⾄最后要达到的控制精度等要求,⽽对系统施加的相关约束，允许在⼀定程度上进⾏放松[23].
1.2.2 重构⽅式
可重构性实质上描述的是系统进⾏⾃主故障处理的最⼤潜⼒.⽽⾃主故障处理的最⼤潜⼒是指系统穷尽⼀切可以⾃主实现的⽅式，能够达到的最⼤功能恢复能⼒.这些⽅式主要有两类:⼀类是改变系统构型[24−25]，另⼀类是改变控制算法(参数或类型)[26],⼆者分别对应于硬件和软件的调整,⽬的都在于充分
多读书有什么好处调⽤系统既有冗余资源.
当配置数量⼀定的时候，系统的最⼤重构潜⼒取决于空间构型，因此，改变构型的⽅法能够从根本上提⾼系统的固有可重构性，相⽐于另⼀种⽅法更为彻底.然⽽对于航天器控制系统⽽⾔，该⽅法难以在轨实现,⽬前更适⽤于地⾯设计阶段，不过未来有很⼤的发展空间.改变控制算法的⽅式，可以在构型不变的前提下，尽可能充分利⽤系统既有冗余资源.相对⽽⾔，该⽅法⽐较易于⾃主实现，适⽤于运⾏阶段对故障的及时处理，但是受固定构型的限制，对可重构性的提升能⼒有限.
因此，在实际应⽤中，若采⽤改变控制算法的⽅式⽆法满⾜期望的重构要求，则在条件允许的情况下，可以考虑采⽤改变构型的重构⽅式.
1.2.3 重构⽬标
控制系统重构⽬标的制定主要依据原始⽬标,⽽完成程度⼜受故障⼤⼩、剩余资源以及系统性能的制约，可见重构⽬标的选取受多种因素影响，并不唯⼀[27−30].故障发⽣后，应该根据系统的实际状态，制定合理的重构⽬标.采⽤不同的划分原则可以得到不同的分类⽅案，这⾥参考⽂献[30]，以⼀种基于功能完成程度的分类⽅案为例，将重构⽬标分为三⼤类：完全重构⽬标、部分重构⽬标以及安全重构⽬标.三种⽬标的具体含义如下:
1)完全重构⽬标
完全重构⽬标要求系统在没有任何性能下降的前提下完成既定功能，该类⽬标适⽤于对控制要求⼗分严格的航天任务，例如，嫦娥三号着陆任务(必须保证着陆点处于⼀个绝对的精度范围)、姿态跟踪控制任务(航天器的三轴姿态必须实时跟踪期望⽬标)等.针对这类航天任务，系统发⽣故障以后，要继续完成既定功能，则必须保证其在各项约束的作⽤下，仍然具有⼀定的控制/观测能⼒，因此该类重构⽬标的研究对象为系统的剩余能控/能观性.
2)部分重构⽬标
部分重构⽬标允许系统规格有所下降地完成部分既定功能，例如，星载陀螺失效以后，可以改⽤星敏感器进⾏定姿，虽然精度有所下降，但仍然可以保证系统正常运⾏；对地观测卫星发⽣故障以后，其偏航轴不需要绝对能控，只需要保持⼀定的稳定性，便可以继续完成相应的对地观测任务，针对这种情况，应该研究故障系统的剩余镇定性.
3)安全重构⽬标
安全重构⽬标指的是在确保系统仍然运⾏于⼀定安全范围的前提下，决定暂时搁置当前任务，但后续可采取相应措施(例如地⾯⼲预)，使系统在等待⼀段时间以后，可继续降级完成部分既定功能.该类⽬标适⽤于故障偏差较⼤，暂时⽆法依靠星上资源进⾏⾃主恢复的系统，针对这种情况，应该研究系统的剩余稳定性.
通过对描述要素的分析可知，评价故障系统的可重构性，需要明确系统能够实现的重构⽅式、确定系统必须满⾜的硬约束，在此基础上合理规划软约束，以此制定符合实际情况的重构⽬标.
1.3 与可靠性的关系
同属于提升系统质量特性的⼯具，可重构性与可靠性有很多异同点.综合上⽂对可重构性内涵的分析，给出可靠性与可重构性的对⽐分析，如表1所⽰.
表1 可靠性与可重构性的对⽐分析
Table 1 The comparative analysis of reliability and recon fi gurability
⾸先，可靠性与可重构性都属于系统运⾏质量特性的研究范畴，前者主要从统计学⾓度来衡量系统的冗余度，后者主要从功能完成⾓度来衡量.对系统进⾏可靠性设计的⽬的在于预防故障的发⽣,⽽进⾏可重构性设计的⽬的在于提⾼故障发⽣后系统的功能恢复能⼒.前者的主要⼿段是提⾼系统的冗余度，后者的主要⼿段是优化系统的冗余分配.在时间维度上，可靠性会因为元器件的⽼化与损耗，随着时间的增长⽽有所下降[31]，可重构性也会由于资源消耗、故障扩散以及任务要求等原因，受到各种时间因素的制约；在空间维度中，可靠性设计主要关注元器件之间的备份关系，贴近于⼀种⼆维概念,⽽可重构性设计主要讨论元器件的空间布局，更注重三维的构型.在设计过程中，可靠性的提升主要受成本、重量、⼯艺⽔平等⽣产因素的限制;⽽可重构性的提升主要受资源配置、时间窗⼝、执⾏器输出能⼒等性能因素的制约.
更宏观地来看，提⾼可重构性，可以提⾼系统对故障的⾃主处理能⼒，从⽽增⼤系统顺利完成任务的可能性.因此，提⾼可重构性，在⼀定程度上可以提⾼整个系统的可靠性.反之，系统可靠性的提升对可重构性产⽣的影响，需要分两种情况进⾏讨论:1)如果通过增加备份数量来提⾼系统的可靠性，那么由于冗余量的扩充，系统进⾏故障处理的能⼒也可能有所增强，此时提⾼系统的可靠性有可能会提⾼其可重构性;2)当备份数量⼀定时，仅仅通过优化部件质量来提⾼整个系统的可靠性，只能降低系统发⽣故障的概率，并不能提⾼其对故障的⾃主处理能⼒，此时提⾼系统的可靠性并不能提⾼其可重构性.由此可见，相⽐于可靠性设计，对控制系统进⾏可重构性设计是提升其运⾏质量更为全⾯有效的技术途径，它是对可靠性设计的⼀个补充.
1.4 应⽤范围安全生产表态发言
由于具备重要的⼯程实际意义，可重构性的应⽤范围⼗分⼴泛.对于航天器控制系统⽽⾔，可重构性主要应⽤于两⼤阶段：系统的地⾯设计阶段和空间运⾏阶段.
在地⾯设计阶段，其主要作⽤在于评价系统的功能冗余⽔平并指导系统反设计.具体应⽤⽅式为：以可重构性为依据，通过优化系统构型及重构预案，科学分配冗余度，从⽽以尽可能少的资源配置获得尽可能⼤的功能冗余⽔平，即优化可重构性，以提⾼系统对故障的⾃主处理潜能.
在空间运⾏阶段，可重构性的主要作⽤在于评估故障系统的性能状态，并指导重构策略的实时优化.具体应⽤⽅式为：以可重构性为指导，通过对容错算法、空间构型以及重构时间等⽅⾯进⾏优化，充分调⽤系统的既有冗余度，从⽽以尽可能少的资源使故障对系统的影响尽可能⼩，即深⼊挖掘系统对故障的⾃主处理潜能.
2 航天器控制系统可重构性研究内容及现状
在对航天器控制系统可重构性的内涵有了深刻了解的基础上，需进⼀步明确可重构性的研究内容与研究现状，才能更加有针对性地对其展开深⼊研究.本节结合航天器控制系统的固有特点，对可重构性的研究内容进⾏梳理，并对相应内容的研究现状进⾏介绍.需要说明的是,⽬前在可重构性研究领域中，
枸杞的药用价值针对航天器控制系统的研究还不是很多,⽽针对⼀般控制系统的研究已经有了⼀定进展，这对前者有着重要的借鉴意义.因此，本节归纳的可重构性研究现状并不局限于航天器控制系统.
可重构性的研究内容包括：可重构性评价与可重构性设计，具体如图2所⽰.下⾯将从各项研究内容⼊⼿，对可重构性的研究现状进⾏归纳总结.
2.1 可重构性评价及其研究现状
可重构性评价是指通过理论判据和数学描述，判断系统重构能⼒的有⽆或描述系统重构能⼒的⼤⼩.由此可见，可重构性评价可以细分为性能判定和定量描述两个⼦问题，前者分析性质的有⽆，是⼀个⼆值判定问题；后者分析性能的⼤⼩，是⼀个能⼒评估问题.
图2 航天器控制系统可重构性的研究内容
Fig.2 Rearch contents of recon fi gurability of spacecraft control system
由前⽂可知，航天器控制系统的可重构性不仅取决于系统固有配置，还受到性能约束和功能要求的影响，因此可将现有的可重构性评价⽅法归纳为：基于系统固有特性、基于系统性能约束以及基于系统功能要求的可重构性评价⽅法.下⾯分别对这三类评价⽅法的研究现状进⾏介绍.
2.1.1 基于系统固有特性的可重构性评价
很多学者试图通过对系统的固有特性进⾏分析来研究其可重构性，例如通过分析系统的能控性、能观性、稳定性等基本性质与故障之间的关系，进⼀步度量控制系统的重构能⼒⼤⼩.
1)线性系统
这种基于系统固有特性的可重构性评价⽅法，多以⼀般控制理论为依据，因此其主要研究对象为线性定常系统.
女人吃维生素e功效⽂献[32]基于能控性，以结构解析模型研究了多旋翼⽆⼈机的可重构性判定问题.⽂献[33]基于稳定性，利⽤故障传函、以互质分解的⽅法描述了系统保持稳定可以承受的最⼤故障边界.然⽽，上述可重
构性研究都只能对控制系统是否具备重构能⼒做出⼀个⼆值判断，在实际⼯程应⽤当中，设计者往往需要知道重构能⼒的⼤⼩，才能更加明确地指导系统的优化设计，因此有必要对可重构性进⾏定量描述.针对这⼀问题，很多学者从剩余控制能⼒出发，对执⾏器发⽣故障的控制系统进⾏可重构性度量.他们认为，在实际应⽤过程中，并⾮所有故障都可以通过容错控制策略进⾏补偿，如果发⽣故障以后，系统依然能控，但能控的程度并不⾼，则该故障不易甚⾄不能通过容错控制进⾏补偿.由此可见，在不考虑实际约束与重构⽬标的前提下，故障系统的剩余控制能⼒可以反映其可重构程度，进⽽指导系统构型或重构策略的优化设计[34].下⾯针对⼏种典型的基于能控度的可重构性描述⽅法，进⾏归纳总结.
a)基于Gramian矩阵的可重构性描述
⽤于衡量系统控制能⼒的⽅法有很多，其中最常见的是基于系统能控性Gramian矩阵的评价⽅法[35−38].
能控性Gramian矩阵Wc常被⽤于判定系统的控制能⼒，然⽽该判定过程仅对Wc的奇异性进⾏分析，并未深⼊挖掘其物理含义.对此,⽂献[39−40]阐述了Wc的实际物理意义：矩阵对应的椭球⽅程，反映了系统达到⼀定控制⽬标所需消耗的能量在各个⽅向上的分布情况.由此可见，控制系统的能控性Gramian矩阵可以从能量⾓度反映系统的控制能⼒.鉴于此,⽂献[37]基于Gramian矩阵，提出了三种能控度评价指标.
为了综合控制与观测两⽅⾯信息，对执⾏器和敏感器故障进⾏统⼀考虑，部分学者通过对能控性和能观性Gramian矩阵进⾏有效组合，对控制系统的可重构性展开了进⼀步研究.1981年,Moore基于Gramian矩阵提出了系统⼆阶模态[39]的概念.1999年,Frei等在⽂献[4]中⾸次采⽤两种Gramian矩阵的⾏列式来描述线性定常系统的可重构性.2000年,Wu等以最⼩⼆阶模态δmin作为系统冗余⽔平的度量指标，对不包含虚轴极点的线性定常系统进⾏了可重构性评价[5]，并考虑能量受限问题，规定δmin的下限，以此保证系统在容许的能量范围内可重构.后续有不少学者将这种评价⽅法应⽤于各个⼯程领域，例如,⽂献[41−43]基于该评价⽅法解决了电⼒系统的容错配置问题;⽂献[44]对该评价⽅法在频域中的具体计算问题展开了进⼀步研究.
基于Gramian矩阵进⾏可重构性评价，最关键的⼀步就是计算系统的Gramian矩阵，该项⼯作⼀般在系统运⾏前离线进⾏.⽽当系统投⼊运⾏之后,⼀旦发⽣故障，则需根据输⼊输出数据在线评估系统的性能状态，计算系统的可重构性，以此来指导实际过程中的容错设计.鉴于此,⽂献[45−46]提出了⼀种基于数据驱动的特征系统实现算法(Eigensystem realization
