前言

航天器是一類典型的無人系統(tǒng)，但是它們卻離不開人在地面的運控支持，必須確保航天器安全可靠應(yīng)該是目前這種狀況的主要原因。不過，對于一些特殊任務(wù)，或者一些特殊任務(wù)階段，比如深空探測的著陸/附著階段，還是明確提出了自主運行的需求。確保航天器安全可靠自主運行已成為建設(shè)航天強國的根本需要。

航天器自主運行的關(guān)鍵是航天器的控制系統(tǒng)要實現(xiàn)自主診斷重構(gòu)，主要原因是控制系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)復(fù)雜、故障事件高發(fā)、承擔任務(wù)關(guān)鍵、故障后果嚴重。自主診斷重構(gòu)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)故障的及時診斷和有效處理，是提升航天器安全可靠自主運行能力的有效途徑。楊嘉墀院士在1995年就已經(jīng)指出：自主診斷重構(gòu)是發(fā)展空間智能自主控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。孫家棟院士和李濟生院士也曾多次提出：未來航天器要朝著自主化方向發(fā)展，要有能力自己測量軌道、定位并調(diào)整控制偏離的軌道，要自己監(jiān)控狀態(tài)、自主診斷處理航天器出現(xiàn)的某些故障。提升控制系統(tǒng)的自主診斷重構(gòu)能力已成為確保航天器安全可靠自主運行的關(guān)鍵。

航天器故障處理的研究現(xiàn)狀主要有兩個方面：一是預(yù)防故障，也就是研究可靠性技術(shù)，但是高可靠不一定保證肯定不發(fā)生故障；二是應(yīng)對故障，主要是研究故障發(fā)生后的診斷重構(gòu)算法，但這些算法受制于系統(tǒng)設(shè)計結(jié)果，再加上航天器的資源嚴重受限且不能在軌維護，往往實施效果有限，航天器發(fā)生故障后仍然需要依靠地面處理。若要從根本上提升航天器的自主診斷重構(gòu)能力，必須抓住問題本質(zhì)，將研究重點前移至設(shè)計階段。然而，由于缺乏理論指導(dǎo)，設(shè)計師僅憑經(jīng)驗加冗余、添備份，往往導(dǎo)致系統(tǒng)的欠設(shè)計或過設(shè)計。鑒于此，急需研究構(gòu)建可診斷性與可重構(gòu)性理論方法，用于表征、判定和量化系統(tǒng)的診斷重構(gòu)能力，并以此為指導(dǎo)，研究可診斷性與可重構(gòu)性的評價和設(shè)計方法，從而回答“系統(tǒng)是否具有診斷重構(gòu)能力”“具備多大的診斷重構(gòu)能力”以及“如何優(yōu)化設(shè)計才能在有限資源約束下實現(xiàn)診斷重構(gòu)能力的最大化”等問題。綜上所述，深入開展可診斷性與可重構(gòu)性研究，是從根本上提升航天器控制系統(tǒng)自主診斷重構(gòu)能力的重要手段。

早在20世紀90年代，Ron J�盤atton教授等人就提出了可診斷性與可重構(gòu)性的初步概念，但后續(xù)發(fā)展非常緩慢。隨著航天器對安全可靠自主運行需求的逐步提升，可診斷性與可重構(gòu)性研究越來越受到重視。目前，國內(nèi)外學者已分別基于多信號流圖和能控性等開展了可診斷性與可重構(gòu)性研究，但這些方法沒有深度挖掘系統(tǒng)的解析冗余，其評價結(jié)果難以準確反映系統(tǒng)的真實特性，造成設(shè)計結(jié)果不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的內(nèi)在潛力，導(dǎo)致應(yīng)用效果不佳。為了根據(jù)航天器控制系統(tǒng)的特點，有針對性地構(gòu)建可診斷性與可重構(gòu)性理論，提升評價設(shè)計方法的適用性，迫切需要解決診斷重構(gòu)能力的可表征、可判定及可量化難題，提出能夠綜合考慮系統(tǒng)不確定性和復(fù)雜約束的精準評價與協(xié)同設(shè)計方法，實現(xiàn)航天器控制系統(tǒng)自主診斷重構(gòu)能力的根本提升。

自2003年以來，在973計劃和國家自然科學基金等項目的支持下，作者及其團隊構(gòu)建了較為完備的可診斷性與可重構(gòu)性理論方法，提出了航天器控制系統(tǒng)可診斷性與可重構(gòu)性的評價技術(shù)和設(shè)計方法，建立了基于軟/硬件故障注入的航天器自主診斷重構(gòu)地面仿真驗證系統(tǒng)，為提升航天器的自主診斷重構(gòu)能力、實現(xiàn)安全可靠自主運行，提供了堅實的理論基礎(chǔ)與技術(shù)支撐。

本書正是對上述課題研究成果及實際工程應(yīng)用的總結(jié)和提煉，主要特色如下：

本書具有理論方法原創(chuàng)意義�；�于構(gòu)建的可診斷性與可重構(gòu)性理論，提出了一種航天器控制系統(tǒng)可診斷性評價技術(shù)與設(shè)計方法，突破了系統(tǒng)配置與診斷方法的一體化設(shè)計技術(shù)，實現(xiàn)了欠觀測條件下系統(tǒng)診斷能力的大幅提升；提出了一種航天器控制系統(tǒng)可重構(gòu)性評價技術(shù)與設(shè)計方法，突破了執(zhí)行器配置與重構(gòu)策略的多目標協(xié)同優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了星上有限資源約束下系統(tǒng)重構(gòu)能力的大幅提升。

本書具有工程技術(shù)實用意義�；�于提出的系統(tǒng)可診斷性與可重構(gòu)性評價技術(shù)與設(shè)計方法，實現(xiàn)了診斷過程與重構(gòu)過程的一體化設(shè)計，以及正常模式與故障模式的一體化設(shè)計，相關(guān)成果已成功應(yīng)用于我國導(dǎo)航、遙感、深空探測等多個型號任務(wù)，對航天器控制系統(tǒng)在軌發(fā)生的多次故障，均實現(xiàn)了自主精準診斷與有效重構(gòu)，為我國二代導(dǎo)航二期、探月二期工程的順利完成和安全可靠自主運行，做出了貢獻。

本書具有推廣發(fā)展前瞻意義。本書所闡述的系統(tǒng)可診斷性與可重構(gòu)性評價技術(shù)與設(shè)計方法，屬于故障診斷與容錯控制技術(shù)范疇，能夠與診斷算法的設(shè)計以及重構(gòu)策略的制定建立起直接的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并以一種不同尋常的創(chuàng)新性切入點和研究角度，對系統(tǒng)可診斷性與可重構(gòu)性理論研究的全面性和方法技術(shù)的實用性進行有效的補充完善；可為我國即將開展的北斗三號全球組網(wǎng)、月球探測后續(xù)工程以及深空探測等重大型號任務(wù)的安全可靠自主運行提供重要的理論技術(shù)支撐，具有重大的軍事、社會效益及推廣應(yīng)用價值。

全書內(nèi)容分為六個部分：第一部分是第1章緒論，介紹了可診斷性與可重構(gòu)性的定義、內(nèi)涵及研究進展等；第二部分由第2、3章組成，介紹了系統(tǒng)建模與故障分析方法、可診斷性與可重構(gòu)性理論的核心，以及系統(tǒng)診斷和重構(gòu)能力的表征、判定和量化方法；第三部分由第4、5章組成，介紹了基于相關(guān)性模型、解析冗余關(guān)系、距離相似度、方向相似度和考慮非線性因素影響的可診斷性評價方法，以及基于相關(guān)性模型、DM分解技術(shù)、優(yōu)化理論和考慮干擾因素影響的可診斷性設(shè)計方法；第四部分由第6、7章組成，介紹了考慮多種資源約束的可重構(gòu)性評價方法，以及面向時間與空間雙重維度的可重構(gòu)性設(shè)計方法；第五部分由第8章組成，介紹了自主診斷重構(gòu)地面驗證系統(tǒng)和可診斷性評價工具軟件、可重構(gòu)性評價工具軟件，以及仿真應(yīng)用情況；第六部分是第9章總結(jié)和展望。

在相關(guān)課題研究和成果形成過程中，得到了李濟生院士、王南華研究員、吳宏鑫院士、劉良棟研究員、李鐵壽研究員、李果研究員、Steven X�盌ing教授、楊孟飛院士、周志成院士、周海銀教授、周軍教授、姜斌教授、周東華教授、胡昌華教授、鐘麥英教授、王聰教授、彭俠夫教授、曹喜濱院士、段廣仁院士、邢琰研究員、劉新彥研究員、宗紅研究員、何英姿研究員、李響高工、王永富研究員等的關(guān)心支持和具體指導(dǎo)。

在本書的成稿過程中，得到了中國空間技術(shù)研究院航天器自主運行技術(shù)研究團隊的大力支持，其中符方舟、屠園園、徐赫嶼、劉細軍、段文杰等參與了本書部分內(nèi)容的編寫和圖文整理工作，滕寶毅、唐強、張軍、郭建新等承擔了部分仿真試驗和數(shù)據(jù)整理工作。作者在此表示最衷心的感謝。

承蒙戚發(fā)軔院士、范本堯院士、葉培建院士、王禮恒院士、杜善義院士、包為民院士、王巍院士、吳偉仁院士、房建成院士和馬興瑞老師對課題研究及本書出版的深切關(guān)注和關(guān)懷指導(dǎo)，“兩彈一星功勛獎?wù)隆焙汀肮埠蛧鴦渍隆鲍@得者孫家棟院士親為本書作序并提出寶貴意見，作者萬分感動，深受鼓舞，唯有殫精竭慮,再立新功。

本書的研究工作得到了國家杰出青年科學基金(６１５２５３０１) 、國防科技卓越青年科學基金、國家自然科學基金(61004073、61203093、61573060、61640304)，以及國家自然科學基金委信息科學部、北京空間飛行器總體設(shè)計部、北京控制工程研究所的大力支持，作者在此一并致謝。

航天器自主診斷重構(gòu)技術(shù)的覆蓋面非常廣，技術(shù)發(fā)展非常迅速，加上作者水平有限，難以全面、完整地就系統(tǒng)可診斷性與可重構(gòu)性的評價和設(shè)計研究前沿一一深入探討。書中錯誤及不當之處，懇請讀者批評指正。