网络化航天器弹性姿态跟踪控制

来源：中国指挥与控制学会

作者：于洋,陈哲,袁源

摘要：针对网络化航天器姿态弹性跟踪控制问题，借鉴主动抗干扰控制思想，设计攻击检测机制对控制器端到执行器端网络攻击进行监测，利用网络通道传输信息设计两个自适应观测器，在抑制内部噪声的同时对外界扰动及恶意攻击信号进行实时估计。采用多前馈与反馈相结合的方式设计复合抗干扰及抗攻击控制器，抵消扰动及攻击对系统性能的影响，提升网络化航天器系统的安全性及稳定性。

随着空间科学技术的发展，空间探索需要自主性强、灵活性高、性能优越的航天器系统，而传统点对点式航天器存在布线复杂、集成度低等不足，难以适应未来航天器智能化与自主化的发展需求。因此，将航天器传感器、控制器及执行器等功能组件标准化、模块化，通过低成本的无线网络相互作用而构成的网络化航天器近年来得到了越来越多的关注。与传统的单一结构和专用结构相比，网络化结构在航天器设计和任务操作中具有更大的灵活性、可维护性和可重构性，有助于研制速度更快、重量更轻、成本更低的航天器。但网络技术的广泛应用，打破了原有系统的封闭性，具有公开性的通信网络及节点为恶意攻击者对系统进行干扰或破坏提供了可乘之机。因此，随着航天器模块化、网络化的发展，面向网络攻防环境下的航天器弹性控制技术将成为未来高技术战争中争夺主动权的关键技术。

网络化弹性控制问题的研究主要考虑两类常见的网络攻击形式，即拒绝服务攻击和欺骗攻击。其中，欺骗攻击通过精心构造虚假数据进而篡改目标系统信息以实现攻击效果，是数据完整性攻击的典型代表，可以在数据传输过程中将原始数据替换为虚假数据，从而破坏数据的完整性，进而降低系统控制性能，甚至破坏系统的稳定性。因此，如何检测与抵御欺骗攻击的影响，安全弹性控制问题就显得至关重要。直观地说，如果数据被修改，其统计属性一般也会随之改变，可以利用卡方检测器对数据特征进行检查来区分系统是否受到攻击。此外， LI等提出一种主动同步检测的方法，在不影响系统运行的情况下检测微电网逆变器控制器是否受到欺骗攻击。JU等针对无人驾驶车辆位置传感器端遭受到的分段常值欺骗攻击，提出了基于卡尔曼滤波残差分布的广义似然比算法的欺骗攻击检测与估计方法。为了确保系统受到攻击后安全稳定运行，多种安全控制策略被提出。例如，YOO针对控制器端含有未知欺骗攻击注入的非线性系统利用基于神经网络的函数逼近技术和攻击补偿器的设计，提出了一种基于折衷状态变量的无记忆自适应弹性控制设计方法。文献基于模型预测控制技术提出多种安全控制策略克服欺骗攻击对系统稳定性的影响。

虽然针对欺骗攻击下网络化系统的弹性控制研究提出多种解决方案，但主要集中于传感器端或执行器端单一方向的网络攻击，且攻击形式比较简单，未能够充分利用系统模型信息。Weerakkody等提出了一种基于系统模型的隐蔽性攻击并对其进行检测，但无法对攻击信号进行估计并补偿。此外，针对网络化航天器系统的安全控制研究还处于初期阶段，因此，本文将以网络化航天器姿态控制系统为研究对象，除了考虑物理层的内部噪声及外界干扰之外，还考虑系统传感器到控制器端及控制器端到执行器端网络同时遭受攻击时的姿态跟踪控制问题进行研究，使得航天器在空间网络攻防对抗下能够同时克服物理层的内外扰动及网络层恶意攻击的影响，确保安全地实施在轨操控任务。