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該是目前這種狀況的主要原因。不過，對于一些特殊任務，或者一些特殊任務階段，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航天強國的根本需要。

航天器自主運行的關鍵是航天器的控制系統(tǒng)要實現(xiàn)自主診斷重構，主要原因是控制系統(tǒng)功能結構復雜、故障事件高發(fā)、承擔任務關鍵、故障后果嚴重。自主診斷重構技術能夠?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：自主診斷重構是發(fā)展空間智能自主控制的關鍵技術之一。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)的自主診斷重構能力已成為確保航天器安全可靠自主運行的關鍵。

航天器故障處理的研究現(xiàn)狀主要有兩個方面：一是預防故障，也就是研究可靠性技術，但是高可靠不一定保證肯定不發(fā)生故障；二是應對故障，主要是研究故障發(fā)生后的診斷重構算法，但這些算法受制于系統(tǒng)設計結果，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能力，必須抓住問題本質(zhì)，將研究重點前移至設計階段。然而，由于缺乏理論指導，設計師僅憑經(jīng)驗加冗余、添備份，往往導致系統(tǒng)的欠設計或過設計。鑒于此，急需研究構建可診斷性與可重構性理論方法，用于表征、判定和量化系統(tǒng)的診斷重構能力，并以此為指導，研究可診斷性與可重構性的評價和設計方法，從而回答“系統(tǒng)是否具有診斷重構能力”“具備多大的診斷重構能力”以及“如何優(yōu)化設計才能在有限資源約束下實現(xiàn)診斷重構能力的最大化”等問題。綜上所述，深入開展可診斷性與可重構性研究，是從根本上提升航天器控制系統(tǒng)自主診斷重構能力的重要手段。

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，其評價結果難以準確反映系統(tǒng)的真實特性，造成設計結果不能充分發(fā)揮系統(tǒng)的內(nèi)在潛力，導致應用效果不佳。為了根據(jù)航天器控制系統(tǒng)的特點，有針對性地構建可診斷性與可重構性理論，提升評價設計方法的適用性，迫切需要解決診斷重構能力的可表征、可判定及可量化難題，提出能夠綜合考慮系統(tǒng)不確定性和復雜約束的精準評價與協(xié)同設計方法，實現(xiàn)航天器控制系統(tǒng)自主診斷重構能力的根本提升。

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，作者及其團隊構建了較為完備的可診斷性與可重構性理論方法，提出了航天器控制系統(tǒng)可診斷性與可重構性的評價技術和設計方法，建立了基于軟/硬件故障注入的航天器自主診斷重構地面仿真驗證系統(tǒng)，為提升航天器的自主診斷重構能力、實現(xiàn)安全可靠自主運行，提供了堅實的理論基礎與技術支撐。

本書正是對上述課題研究成果及實際工程應用的總結和提煉，主要特色如下：

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

本書具有工程技術實用意義�；�于提出的系統(tǒng)可診斷性與可重構性評價技術與設計方法，實現(xiàn)了診斷過程與重構過程的一體化設計，以及正常模式與故障模式的一體化設計，相關成果已成功應用于我國導航、遙感、深空探測等多個型號任務，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，為我國二代導航二期、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)可診斷性與可重構性評價技術與設計方法，屬于故障診斷與容錯控制技術范疇，能夠與診斷算法的設計以及重構策略的制定建立起直接的關聯(lián)關系，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)可診斷性與可重構性理論研究的全面性和方法技術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的安全可靠自主運行提供重要的理論技術支撐，具有重大的軍事、社會效益及推廣應用價值。

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、可診斷性與可重構性理論的核心，以及系統(tǒng)診斷和重構能力的表征、判定和量化方法；第三部分由第4、5章組成，介紹了基于相關性模型、解析冗余關系、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，以及基于相關性模型、DM分解技術、優(yōu)化理論和考慮干擾因素影響的可診斷性設計方法；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性評價方法，以及面向時間與空間雙重維度的可重構性設計方法；第五部分由第8章組成，介紹了自主診斷重構地面驗證系統(tǒng)和可診斷性評價工具軟件、可重構性評價工具軟件，以及仿真應用情況；第六部分是第9章總結和展望。

在相關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心支持和具體指導。

在本書的成稿過程中，得到了中國空間技術研究院航天器自主運行技術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注和關懷指導，“兩彈一星功勛獎章”和“共和國勛章”獲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技術的覆蓋面非常廣，技術發(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)可診斷性與可重構性的評價和設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。