沈強(qiáng)：航天器自主安全運(yùn)行的“護(hù)航者”

倪海波

2021年，是沈強(qiáng)接觸航天器控制研究的第11年。這11年，沈強(qiáng)參與了多項(xiàng)新加坡國(guó)防科技局、美國(guó)國(guó)防高科技研究局關(guān)于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、航天器容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、飛行器行為意圖辨識(shí)等項(xiàng)目。與此同時(shí)，在世界范圍內(nèi)，航天器作為太空探索任務(wù)的核心載體，一直備受各個(gè)國(guó)家的重視，而其控制系統(tǒng)更是起著關(guān)鍵作用，對(duì)于今后航天器更好地完成空間探測(cè)任務(wù)具有重要意義。

順應(yīng)時(shí)勢(shì)，沈強(qiáng)回國(guó)應(yīng)聘成為上海交通大學(xué)長(zhǎng)聘教軌副教授，他心里已經(jīng)勾勒出了一個(gè)完美的發(fā)展起點(diǎn)——足夠優(yōu)秀的平臺(tái)、更多的交流機(jī)會(huì)、在業(yè)內(nèi)發(fā)揮影響力的專家與他同行合作。2020年，沈強(qiáng)成功入選上海海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃，他愿做航天器的“護(hù)航者”，在航天器智能自主和安全控制上深耕，為國(guó)家重大需求貢獻(xiàn)自己的力量。

興趣是最好的老師

指針不停轉(zhuǎn)動(dòng)的鐘表，隨音樂(lè)起舞的八音盒，按照指令運(yùn)行的計(jì)算機(jī)……從機(jī)械自動(dòng)化到程序自動(dòng)化，這些都是少年時(shí)期的沈強(qiáng)最感興趣的器件。除此之外，沈強(qiáng)喜歡數(shù)學(xué)和物理，對(duì)火箭發(fā)射、探測(cè)器登月格外熱衷，對(duì)擁有航空、航天、航海專業(yè)的三航院校心生向往。高考那年，他綜合多方面因素，選擇了西北工業(yè)大學(xué)動(dòng)力與能源學(xué)院，攻讀自動(dòng)化專業(yè)。

2011年，興趣加持的沈強(qiáng)前往新加坡南洋理工大學(xué)電力與電子工程學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)，并且順利拿到了新加坡政府全額研究生獎(jiǎng)學(xué)金。讀博期間，沈強(qiáng)的研究方向一如既往地和自己的興趣貼合，他通過(guò)閱讀外文文獻(xiàn)，積極與導(dǎo)師交流，冒出了不少新的想法。他主動(dòng)跟導(dǎo)師進(jìn)行匯報(bào)反饋，確定了自己的研究方向——航天器容錯(cuò)控制系統(tǒng)的研究。“成像衛(wèi)星發(fā)射升空后最重要的功能之一是拍照，我要做的工作有兩個(gè)：一是調(diào)整衛(wèi)星在軌道運(yùn)行的姿態(tài)，使其更好地對(duì)準(zhǔn)拍照；二是衛(wèi)星在姿態(tài)機(jī)動(dòng)中可能發(fā)生故障，需要確保發(fā)生故障后衛(wèi)星依然能完成拍照任務(wù)，保障衛(wèi)星的安全性和穩(wěn)定性?！鄙驈?qiáng)談到自己的研究領(lǐng)域，話匣子漸漸打開了。

“有興趣就是一種動(dòng)力，有動(dòng)力才會(huì)去發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、探索問(wèn)題、解決問(wèn)題，問(wèn)題解決了自然會(huì)出成果?！痹谏驈?qiáng)看來(lái)，興趣—探索—收獲是一個(gè)無(wú)限正循環(huán)的過(guò)程，人只有在這個(gè)過(guò)程中不斷地向前走，才能保持一顆對(duì)學(xué)術(shù)追求火熱的心。

2016年，沈強(qiáng)獲得了由國(guó)家留學(xué)基金管理委員會(huì)設(shè)立的“國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金”，新加坡一年只有30多名留學(xué)生能獲得這項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì)?！拔腋惺艿搅藝?guó)家對(duì)我的鼓勵(lì)，至少說(shuō)明博士期間的科研工作得到了認(rèn)可?！鄙驈?qiáng)略帶開心地說(shuō)道。

博士畢業(yè)后，沈強(qiáng)主動(dòng)找到了新加坡國(guó)立大學(xué)的Goh Cher Hiang教授，進(jìn)入新加坡國(guó)立大學(xué)淡馬錫實(shí)驗(yàn)室擔(dān)任研究科學(xué)家，繼續(xù)著自己博士期間的研究——如何控制航天器，提高它的自主性、魯棒性、安全性。Goh Cher Hiang教授是新加坡的第一顆微型人造衛(wèi)星X-SAT的總負(fù)責(zé)人，與沈強(qiáng)的研究方向非常契合。此后兩年的時(shí)間里，沈強(qiáng)跟隨Goh Cher Hiang教授的團(tuán)隊(duì)一起做項(xiàng)目，其間和新加坡科技工程有限公司（Singapore Technologies Engineering）合作，開發(fā)新加坡新一代的衛(wèi)星容錯(cuò)自主控制系統(tǒng)。他也因此學(xué)到了很多科研之外的東西，比如團(tuán)隊(duì)管理經(jīng)驗(yàn)和對(duì)項(xiàng)目的管控能力。

2017年12月，沈強(qiáng)結(jié)束在新加坡國(guó)立大學(xué)淡馬錫實(shí)驗(yàn)室的研究工作，前往美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)機(jī)械與航天工程系從事博士后研究，跟隨導(dǎo)師Yong Sze Zheng教授研究自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的智能自主控制和狀態(tài)估計(jì)，在無(wú)人駕駛方面做了大量的工作?！白詣?dòng)駕駛的車輛怎樣去估計(jì)和學(xué)習(xí)其他車輛的行為意圖？如果能夠了解其他車輛的行為意圖，就可以提高無(wú)人駕駛系統(tǒng)的安全性，減少對(duì)突發(fā)情況的反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)保證駕駛的舒適性和安全性?！鄙驈?qiáng)相信如果能做出成果，將給人類未來(lái)的生活帶來(lái)巨大的改變。

奮斗的日子閃閃發(fā)光

2019年冬天，伴隨著凜冽的寒風(fēng)，沈強(qiáng)回到了闊別已久的祖國(guó)?；叵肫鸾?0年海外學(xué)習(xí)生涯，那些奮斗過(guò)的日子依然在他的記憶里閃閃發(fā)光。他清楚地記得剛?cè)バ录悠聲r(shí)，“那是我第一次作組會(huì)報(bào)告，做得不太好，所以印象特別深刻”，導(dǎo)師王鄲維教授當(dāng)時(shí)一字一句地和沈強(qiáng)說(shuō)明應(yīng)該如何修改：從論文題目選取、摘要及內(nèi)容細(xì)化，到怎樣開展相關(guān)研究學(xué)習(xí)、找到最適合自己的研究方法，再到演講的姿態(tài)、行為舉止……這些事無(wú)巨細(xì)的教導(dǎo)至今仍然深深影響著沈強(qiáng)。

而第一次投稿論文則讓沈強(qiáng)對(duì)研究過(guò)程中的溝通交流有了更深的體會(huì)?！拔业牡谝黄撐?，寫了很長(zhǎng)時(shí)間，但是投出去后等了11個(gè)月卻被拒掉了?！鄙驈?qiáng)當(dāng)時(shí)覺(jué)得非常沮喪，但是他沒(méi)有氣餒。他非常理性地分析了論文存在的問(wèn)題，跟導(dǎo)師進(jìn)行交流，重新梳理了文章的框架。除此之外，他還積極聯(lián)系校內(nèi)校外的老師，甚至是開會(huì)認(rèn)識(shí)的老師，發(fā)郵件給他們，請(qǐng)他們幫忙修改，改到最后他幾乎把所有的內(nèi)容重新寫了一遍。最終，沈強(qiáng)的論文登上了航天技術(shù)類的國(guó)際頂級(jí)期刊，他說(shuō)：“要對(duì)自己的問(wèn)題有理性的思考，不懼怕困難，多和老師進(jìn)行合理、深度的交流，才能最終解決問(wèn)題?！?/p>

第一次作報(bào)告的無(wú)措、第一次投稿被拒的沮喪，可能都比不上截稿日期當(dāng)天交稿的瘋狂。沈強(qiáng)與美國(guó)亞利桑那州立大學(xué)Yong Sze Zheng教授合作的論文在提交時(shí)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)致命的錯(cuò)誤，只能找現(xiàn)有的論文資料，自己想辦法寫出解決問(wèn)題的答案。當(dāng)時(shí)，沈強(qiáng)和Yong Sze Zheng教授在辦公室待了一整天，一直討論，一直寫到晚上12點(diǎn)，在截稿日期的最后一分鐘提交了論文?！皶r(shí)間真的很緊迫，但是大家一起討論的聲音至今還能在耳邊響起?！痹诳蒲械牡缆飞?，能和同行者一起交流、探索，最后成功地完成，沈強(qiáng)現(xiàn)在回想起來(lái)還是覺(jué)得很有成就感。

回國(guó)后沈強(qiáng)選擇了上海交通大學(xué)航空航天學(xué)院作為自己在國(guó)內(nèi)的起點(diǎn)，開始了新的旅程。在沈強(qiáng)看來(lái)，個(gè)人的發(fā)展總要和國(guó)家的發(fā)展需求結(jié)合起來(lái)，一個(gè)人只有順應(yīng)國(guó)家發(fā)展的潮流，才能把握住其中的機(jī)遇，自己也能得到更好的發(fā)展。而上海交通大學(xué)素來(lái)有這樣的傳統(tǒng)，如錢學(xué)森等許多在國(guó)家艱難困苦之際，克服重重困難，毅然回國(guó)的前輩，深刻影響著沈強(qiáng)。上海作為科技與經(jīng)濟(jì)中心，其活力也深深感染了他，在這里有優(yōu)秀的平臺(tái)，有更多科研交流的機(jī)會(huì)?！吧虾＝煌ù髮W(xué)有許多在行業(yè)內(nèi)很有影響力的專家學(xué)者，對(duì)我來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的契機(jī)?！鄙驈?qiáng)對(duì)自己今后在上海的發(fā)展充滿信心。

有壓力才有動(dòng)力

沈強(qiáng)在上海交通大學(xué)的教學(xué)崗位是長(zhǎng)聘教軌副教授，學(xué)校從2010年起探索設(shè)置長(zhǎng)聘教軌，候選者在6年聘期結(jié)束時(shí)接受學(xué)?？己?，非升即走，全面考察候選者的師德師風(fēng)、學(xué)術(shù)水平、教學(xué)能力、綜合素養(yǎng)等，從而實(shí)現(xiàn)好中選優(yōu)、優(yōu)中選強(qiáng)。為期6年的考核制度對(duì)沈強(qiáng)來(lái)說(shuō)，既是壓力又是動(dòng)力?！拔覍?duì)壓力還是挺積極樂(lè)觀的，我感覺(jué)這也是一個(gè)自我提升的過(guò)程?！鄙驈?qiáng)認(rèn)為只有在有壓力的環(huán)境下，人才能成長(zhǎng)，才能做出預(yù)期的成果。

有動(dòng)力的沈強(qiáng)目前正在積極申請(qǐng)科研項(xiàng)目，他的項(xiàng)目“執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障情況下航天器容錯(cuò)自適應(yīng)控制分配方法研究”獲得了上海市2020年度揚(yáng)帆計(jì)劃項(xiàng)目的資助，項(xiàng)目“基于凸優(yōu)化的受限航天器容錯(cuò)姿態(tài)控制”獲得了2020年度上海市自然科學(xué)基金的資助。

控制分配是解決冗余控制的一種有效方法，在航天器、艦船、水下航行器、四輪驅(qū)動(dòng)汽車等對(duì)安全性要求較高的過(guò)驅(qū)動(dòng)（over-actuated）動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。過(guò)去通常采用靜態(tài)控制分配的方法去管理系統(tǒng)冗余，滿足控制過(guò)程中執(zhí)行機(jī)構(gòu)約束和提高系統(tǒng)安全性，而這一方法需要在每一采樣周期求解一個(gè)優(yōu)化問(wèn)題，實(shí)時(shí)性較差，尤其在系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)發(fā)生故障后，穩(wěn)定性和可靠性得不到保障。

在此基礎(chǔ)上，沈強(qiáng)通過(guò)多方面的考慮設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)的控制分配方法，能夠?qū)崟r(shí)保證系統(tǒng)的安全性，提高系統(tǒng)的可靠性?！笆紫龋覀儗?zhí)行機(jī)構(gòu)故障信息和控制分配算法有機(jī)結(jié)合，構(gòu)造能夠最少使用故障執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)自適應(yīng)控制分配策略?！鄙驈?qiáng)通過(guò)設(shè)計(jì)針對(duì)控制分配誤差的李雅普諾夫函數(shù)，使控制分配更新律能夠在有限時(shí)間內(nèi)漸近收斂到最優(yōu)值，從而避免在每一采樣周期直接求解優(yōu)化問(wèn)題。其次，考慮航天器執(zhí)行機(jī)構(gòu)故障，沈強(qiáng)所提出的方法能夠避免傳統(tǒng)容錯(cuò)控制系統(tǒng)的控制器重構(gòu)，在控制分配設(shè)計(jì)中直接實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)最優(yōu)故障調(diào)節(jié)和冗余管理。如果項(xiàng)目進(jìn)展成功，沈強(qiáng)將所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)控制分配方法應(yīng)用到航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中驗(yàn)證其有效性和可靠性。

“未來(lái)預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效益主要是在降低航天器運(yùn)行成本和維修成本?！鄙驈?qiáng)解釋道，航天器的控制系統(tǒng)里有一臺(tái)星載計(jì)算機(jī)，對(duì)安全性能的要求非常高，因?yàn)樗３Ｌ幵诜浅毫拥沫h(huán)境中，受到空間環(huán)境強(qiáng)輻射、強(qiáng)電磁干擾等因素影響。但是機(jī)載計(jì)算機(jī)的安全性能提高后，它的計(jì)算性能就會(huì)下降。而沈強(qiáng)的方法可以在不影響星載計(jì)算機(jī)安全性能的前提下降低控制系統(tǒng)對(duì)計(jì)算性能的要求，從而降低包括衛(wèi)星等航天器的運(yùn)行成本。同時(shí)，此方法通過(guò)控制分配實(shí)現(xiàn)航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)無(wú)故障和故障情況下的自主控制調(diào)節(jié)，減少地面測(cè)控中心和在軌服務(wù)航天器等支持系統(tǒng)的干預(yù)，進(jìn)而降低航天器維修成本和延長(zhǎng)航天器在軌運(yùn)行壽命。

沈強(qiáng)的另一個(gè)主要研究方向是航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯(cuò)控制。姿態(tài)控制系統(tǒng)作為航天器核心分系統(tǒng)之一，其任何部件的可靠性和安全性都直接關(guān)系航天器的安全和航天任務(wù)的成功。惡劣的太空環(huán)境、長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)行以及復(fù)雜的機(jī)械電子設(shè)備等因素導(dǎo)致航天器故障層出不窮。例如，2019年1月，美國(guó)洛克希德·馬丁公司建造并發(fā)射的“Word View 4”衛(wèi)星，由于姿態(tài)控制系統(tǒng)中控制力矩陀螺失效，致使其無(wú)法精確控制指向，因而不能再生成可用圖像?！靶l(wèi)星在太空中發(fā)生故障時(shí)，我們其實(shí)很難對(duì)故障進(jìn)行建模和實(shí)時(shí)估計(jì)，現(xiàn)有的衛(wèi)星故障模型也很難真實(shí)反映衛(wèi)星到底出現(xiàn)了什么樣的故障。”基于上述考慮，沈強(qiáng)想到通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)方法去辨識(shí)和估計(jì)航天器中發(fā)生的故障，簡(jiǎn)化典型故障下的不確定非線性航天器動(dòng)力學(xué)模型，研究主動(dòng)故障診斷方法實(shí)現(xiàn)航天器故障的快速定位、快速隔離，減少故障估計(jì)的時(shí)間，從而降低故障對(duì)系統(tǒng)性能的影響。

在沈強(qiáng)看來(lái)，研究航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)自主容錯(cuò)技術(shù)，為航天器主動(dòng)故障診斷中關(guān)鍵技術(shù)和前沿難點(diǎn)問(wèn)題提出新的理論研究方法，為智慧航天器的安全可靠自主運(yùn)行提供理論儲(chǔ)備和技術(shù)支撐，有著重大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。沈強(qiáng)認(rèn)為，現(xiàn)在很多人都提出中國(guó)要在各個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)彎道超車，他卻覺(jué)得彎道超車固然很好，但更重要的是要另辟蹊徑，做出中國(guó)自己的特色。

努力向未來(lái)邁進(jìn)

沈強(qiáng)回國(guó)的時(shí)間不長(zhǎng)，但是他對(duì)自己的定位很明確。在教學(xué)上，他感謝上海交通大學(xué)的老師和同事給了他很多指導(dǎo)建議，期待未來(lái)能成為一位好老師。在培養(yǎng)學(xué)生上，雖然才剛剛起步，但沈強(qiáng)最重視學(xué)生的興趣和好奇心，“如果學(xué)生有興趣和好奇心，那么他探索的問(wèn)題就會(huì)越多，主動(dòng)研究的資料也會(huì)越多，能學(xué)到的東西自然是最多的”。在團(tuán)隊(duì)發(fā)展上，沈強(qiáng)希望能夠通過(guò)3？5年的發(fā)展，擁有一個(gè)在智能航天器及集群自主安全控制研究上較有規(guī)模的團(tuán)隊(duì)，申請(qǐng)到國(guó)家重大計(jì)劃項(xiàng)目和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目支持?！拔业难芯款I(lǐng)域都是國(guó)家未來(lái)需要快速發(fā)展和投入很多精力的領(lǐng)域，如果能把個(gè)人的發(fā)展和國(guó)家的需求結(jié)合起來(lái)，讓自己的科研服務(wù)于國(guó)家，就再好不過(guò)了?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/04/30/qkimageskezxkezx202102kezx20210212-2-l.jpg"/>

平時(shí)沈強(qiáng)長(zhǎng)期待在實(shí)驗(yàn)室，面對(duì)文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)能坐上一整天，而生活中的他卻是一位登山和馬拉松運(yùn)動(dòng)的愛好者。2014年10月，印度尼西亞林賈尼火山徒步旅行；2015年12月，新加坡渣打馬拉松；2016年3月，馬來(lái)西亞沙巴京那巴魯山徒步旅行；2017年5月，四川四姑娘山徒步旅行……那些攀登過(guò)的山、跑過(guò)的馬拉松，就像是科研中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)，沈強(qiáng)順利通過(guò)它們，繼續(xù)攀登新的山峰?！坝泻玫纳眢w，才能做更好的研究?！鄙驈?qiáng)表示自己一直堅(jiān)持跑步，好的身體才能讓他在學(xué)術(shù)道路上孜孜求索，在研究領(lǐng)域內(nèi)不斷取得新的成果。

科研就像是一場(chǎng)沒(méi)有終點(diǎn)的馬拉松比賽，不僅要有耐心，還要有絕對(duì)的熱忱，只有一刻不停地向前奔跑，才能離真理更近一點(diǎn)?！翱蒲羞@場(chǎng)馬拉松，我要一直跑下去?！鄙驈?qiáng)笑著說(shuō)。