科普 吴宏鑫院士谈智能控制

转自club.china.com/data/thread/1013/2734/20/59/4_1.html
吴宏鑫院士访谈录

  
    吴宏鑫，中国科学院院士。1939年生于江苏丹徒，1965年毕业于清华大学自动控制系控制理论及其应用专业。现任北京控制工程研究所研究员，博士生导师，科技委副主任，中国空间技术研究院和中国航天科技集团公司科技委顾问。主要从事航天和工业领域的自适应控制和智能控制理论与应用研究，已在航天控制和工业过程控制等多项实际对象中取得了成功的应用。他发表论文70余篇，专著2部，获国家发明奖三等奖1项，部级科技进步奖一等奖1项、二等奖5项。

  
  

    随着空间事业的发展，近空间飞行器、卫星、飞船、月球车等航天器结构越来越复杂，控制要求越来越高，自主智能控制成为发展方向之一。带着相关问题。我刊专访了吴宏鑫院士。

  
    高人指点　众人相助

  
    记：吴院士，您好!据我了解，您能有今天的成就付出了不少艰辛。

  
    吴：我的一生有三位老师对我影响很大。一位是杨嘉墀院士，一位是屠善澄院士，一位是萨支天主任。“文化大革命”期间，我被隔离审查，想不通。杨院士也被审查批判，但他照样看书学习并鼓励我。我看到从国外回来的老专家都受到这种“待遇”，触动很大，于是开始安心学习英语、日语，以及新的现代自动控制理论等课程。

  
    1968年，我被分配到卫星方案组。由于我的家庭成份是地主，不到一个星期就被调出来搞卫星地面监测设备工作。我所在的工程组对我特别好。1978年我还未被平反，所领导就派我去酒泉基地执行任务。在完成任务的返程途中，我们所的领队张国富说了一句话，“这次收获很大，我发现了一个人才!”从此我干工作更有信心了。但回来后面临一个问题：我该干什么?因为我学的控制理论专业与工作不很对口，而且当时设计制造的卫星很少，岗位少。与杨嘉墀先生商量后他建议我开辟一个新的领域——自适应控制。杨院士说“现在自适应理论在卫星上还未应用，10年后会很重要”。

  
    记：自适应控制理论是什么时候提出的?

  
    吴：国外在20世纪50年代就提出来了，我是1978年开始研究的，国内当时做这个的很少。杨院士就问了我一个问题：“很多人不知道它的重要性，你能不能坐十年冷板凳?”我说没问题，之后潜心搞研究。我唯一担心的是怎么向世人证实这套理论，因为航天对精度和可靠性要求非常高，在非常保险的情况下才会应用新理论。杨院士说先在航天地面工程和民用工业验证这套理论，再用于航天。

  
    幸运的是，我还没坐满十年冷板凳事情就发生了转机。

  
    1979年，空间环境模拟器控制任务要我所去协作，萨主任决定我去做这项工程，在此工作中，我发明了全系数自适应控制方法。1984年获得“国家技术发明奖”。此时，领导开始重视，我成为所里第一批研究员。我这辈子就做了三件事：提出全系数自适应控制理论和方法：航天器变结构变系数的智能控制方法；基于特征模型的智能自适应控制理论和方法。这些对航天工程控制和工业领域控制技术的发展具有重要的理论意义和实用价值，正被成功应用或准备应用到许多领域中。

  
    控制理论　应用创新

  
    记：您是我国全系数自适应控制理论的创始人，能否通俗地介绍一下全系数自适应控制理论?

  
    吴：全系数自适应控制方法是1980年提出的自适应控制中的一种方法。自适应就是当被控对象在运行中发生变化时，控制参数跟着变化运行。通俗地讲，自适应就像一个人，冬天穿棉衣，夏天穿单衣，能使内部系统根据外界环境的变化而变化，从而控制得好。没有应用自适应控制就像一个人冬天还穿着夏天的衣服。

  
    全系数自适应控制的特点就是建立一个全系数之和趋于1的模型，确定参数范围，从工程角度出发，进行自适应控制预报和控制器设计。它使用方便、控制性强，有辨识、决策、修改的功能。特点就是根据物理机理，事先确定对象方程的系数范围，并根据一定条件可得到系数之和趋于1的结论，进行控制设计。尤其是引入黄金分割比后，使系统能保证在参数估计未收敛情况下稳定的特点，所以它工程实用性强，并具有调试方便的优点。

  
    记：自适应看来挺智能的。

  
    吴：还不能算作智能。动物也有适应能力，如变色龙就是随着环境的变化而变颜色。

  
    记：什么叫智能自适应控制呢?

  
    吴：智能自适应控制就是有人的某种智能的控制。它有四个特点。

  
    自学习和自适应能力，可以在自身工作的过程中不断学习，改变做法。比如说机器人喷漆，你指挥它喷一次，通过学习它就会喷了。学习能力也是它区别于自适应控制的一大特点。

  
    能临场判断突发故障并进行重构。现在卫星的最大问题是不能预测故障。智能自适应可以通过大量的数据临场判断问题，排除故障。

  
    有现场组织、规划、分析推理和决策能力。这是人类智能的一个极为重要标志。

  
    还可以对大量数据进行定性和定量、模糊与精确处理。这是人类智能区别于其它生命智能的一个重要特征。

  
    有了智能自适应控制，可以实现控制系统的自主运行，即控制系统靠机器本身的敏感器、执行器和控制器，自行处理控制中遇到的各种问题，如决策判断、定性定量的信息处理等。

  
    应用了这套理论后，天上的卫星可以具备自适应、智能的能力，从而脱离地面站控制自主运行，实现航天自主控制。

  
    最近美国也提出来今后几十年航空航天装备控制的主要方向就是智能和自适应相结合。因为它现在遇到了许多航空航天的问题，特别是航天器的自主能力，比如说美国的月球车、火星车离地面太远，登月、登火星要很长时间，完全靠地面站不行，需要靠自己运行。

  
    记：我国从什么时候开始应用这套理论的?

  
    吴：二十世纪九十年代开始用于我们地面的航天工程(航天工程分为地面工程和天上工程两大块)。要使卫星实现自主运行就必须具备智能自适应的能力，所以我们要不断创新，不能总跟在别人后面仿效。

  
    记：能否举例说明该理论的具体工程应用?

  
    吴：例如飞船返回再入自适应控制，整星瞬态热流控制和电解铝工业控制等多个工程应用。

  
    记：飞船交会对接的难点是什么?应用自适应理论后精度如何?

  
    吴：难点就是相对姿态、相对位置、相对速度都有高精度的要求，速度快了把飞船撞跑，慢了又接不上。另外要求非常平稳，飞船以7.8千米／秒的高速运行，一个前跑，一个在后面追，如果不平稳很难对接。国际上这项技术已比较成熟了，但是各国都对这些技术理论保密。应用了自适应理论后，飞船的精度、着陆位置将处于世界领先。

  
    自主控制　自主运行

  
    记：自主控制应用于卫星本身有什么难点?

  
    吴：难点之一是自主导航问题。因为卫星脱离地面站后，不知道自己在什么位置。而卫星要求的精度很高，所以要找一个定位点，就是一个坐标原点，知道自己的方位，如果什么都不知道就很麻烦。自主控制就是要靠自己定位。方

  
    法一是靠地心的位置。还有就是靠脉冲星：距地球很远的脉冲星发出的脉冲非常平稳，利用它的脉冲定位。

  
    其次是卫星在环境、结构发生变化时的自适应能力还不够。

  
    再有就是卫星诊断故障的能力还欠缺。卫星零件成千上万，很难保证它的元器件和软件不出故障。全系统如何排除天上的干扰和辐射将是难点。

  
    记：自适应理论的工程应用对我国军用航天工程有什么重要意义和作用?

  
    吴：意义重大，现在航空航天的发展方向就是智能自主，否则就要挨打。

  
    我们现在的军用卫星靠地面站控制，一旦爆发战争，地面站很容易被摧毁。所以说航空航天的发展发向就是智能自适应，实现自主控制和运行。

  
    而且提高卫星的精确性和机动性靠地面指挥控制是来不及的，也需要智能自适应理论，传统的方法遇到了很大困难。美国和俄罗斯做了大量的深空探测试验，得到了精确的研究数据，如把整个轨道的气动参数都测出来了。我国没有这个条件，要求首发成功，没有自适应控制就不行。

  
    记：未来军用卫星将朝什么方向发展?

  
    吴：我们希望卫星本身能自主运行，智能自适应控制就是实现航天自主能力的手段。还有就是卫星具备自修复能力，目前世界上都在研究攻克这个难题。我们的计算机芯片经常被粒子击穿BG，里面的储存器乱翻转。如果卫星CPU的某个芯片坏了，整个都要换掉。研究出可进化硬件后，它能自我修复，就像人皮肤受损后重新痊愈一样。比如说卫星里面的三极管坏了，自动产生一个新的替代。

  
    今后的卫星发展是卫星带智能自适应系统，既可以受控于地面站，也可以自主控制。现正在快速实施，还要解决三个问题，自主导航；智能自适应能力；故障修复能力。临场决策、判断能力是我们搞控制研究的人面临的大难题，现在国内外都在做。

  
    卫星控制　日新月异

  
    记：在军用卫星控制方面，我国与国外有没有差距?

  
    吴：有差距。首先是精度和稳定度，现在国外哈勃望远镜的精度是0.01角秒，稳定度到了0.007个角秒(转1度是3600个角秒)。卫星距地球这么远，失之毫厘，差之千里，稍微偏一点就不得了。通过我们的研究，将使卫星测量精度提高量级，这还只是地面站的控制精度。

  
    记：这个精度在卫星实际应用过程中具体反映在什么方面?

  
    吴：例如卫星对地面照相，精度高和稳定度高的卫星能把车船照得很清晰。护航的话，高精度和高稳定度的卫星侦测到前面情况的反应时间要长一些。

  
    记：我国卫星控制技术与国外有多少年的差差距?

  
    吴：已经不能按年计算。我们与国外都是近几年发展起来的。卫星控制技术发展速度可谓日新月异，除了精度、稳定度外，还有机动能力的差别，就是卫星躲避被攻击的能力。卫星的机动能力就是变轨躲避。现在卫星不能自己变轨，在地面站控制下变轨很慢，而美国的某卫星会快速变轨。

  
    记：变轨的时间多长?平时与战时控制卫星有不同吗?

  
    吴：看各国的水平，变轨时间越短，跑得越快，机动能力越强。美国和一些国家卫星的机动能力比我们强。如法国一颗2.5吨的卫星大概能转60度。攻击卫星也不好做，天上的卫星不好分辨，而且速度每秒7.8千米，难以捕捉。

  
    战时就是要求卫星有机动能力，叫作卫星攻防，既要能攻击敌方，也要能防止被攻击。

  
    记：攻防时，卫星与战略弹道导弹的姿态控制有没有不同?

  
    吴：控制理论差不多，实际应用就是控制时间的长短、可靠性、精度和机动能力的要求不一样。军用卫星的控制精度要求很高，导弹没有这么高；战略弹道导弹发射时间和控制时间都很短。但它们是相互合作的：导弹靠卫星引导攻击目标，所以卫星、导弹都是在一起研制的。空战新星常规轰炸

  
    记：除了航天控制理论的研究外，您现在还做哪方面研究?

  
    吴：以前战争是海陆空三维，现在已向海陆空天四维发展，国防要靠海陆空天一体化作战。最近各国都在加紧研究近空间飞行器技术。

  
    按照航空动力学观点，100千米以下卫星速度跑不起来，所以100千米以上基本是卫星活动的范畴；10～20千米以下是飞机活动的范畴。这样，距地面20～100千米之间的空域既不属于航空范围，也不属于航天范畴：大气阻力很大，飞机上不去，卫星下不来，而且它非常低，导弹没法拦截。由于技术和认识上的原因，过去人们不太重视，近几年才引起世界各国的重视，美国、俄罗斯、韩国、英国、日本、以色列等正在积极开展近空间飞行器技术的研究。

  
    记：近空间飞行器主要有哪几类?

  
    吴：近空间飞行器按速度分为两大类。

  
    一类是高超声速近空间飞行器。由于近空间大气密度低，而且工作在轨道动力学和空气动力学之间，可以实现高速机动飞行，速度在1马赫以上，包括高侦察机、高超声速飞行器、亚轨道飞行器等。其中高超声速飞行器又包括以火箭、吸气式发动机为动力和高超声速再入的无动力滑翔飞行器。无动力滑翔飞行器就是用导弹把飞行器打到卫星轨道再滑行下来，没有推力，很难被探测到，下来后可以机动，打击空中目标很厉害。

  
    另一类是低速近空间飞行器，飞行速度小于1马赫，包括平流层飞艇、高空气球、高高空无人机等。与卫星相比，运行高度低，一般只有低轨卫星的1／10-1／20。平流层的气流只有水平方向，没有上下对流，因此留空时间长，达几天到几十天，容易实现高分辨率对地观测，有效弥补卫星观测局部盲点，可以长期、不问任何地方。

  
    记：高超声速飞行器进入工程化阶段需要攻克哪些关键技术?

  
    吴：有五大技术。

  
    总体技术。对高升阻比外形和防隔热，飞行器总体与动力、控制等多学科进行一体化设计。

  
    气动力／热特性技术。主要是高升阻比气动布局技术、复杂气动外形气动力／热特性预示技术、飞行器气动／飞行性能一体化技术、气动稳定性、操作性分析与匹配技术、飞行试验气动力热环境辨识技术等。

  
    热结构、防热及材料技术。如长时间飞行内部温控及防隔热材料与工艺技术等。

  
    导航、制导与控制技术。要进行智能自适应控制理论和方法研究。

  
    先进动力技术。包括发动机形状、结构和进气道、先进控制和燃料供给技术等，以及先进组合动力技术。

  
    记：低速近空间飞行器如平流层飞艇又要克服哪些关键技术?

  
    吴：也有几方面。一是总体设计与优化技术。需要综合考虑气动性能、结构重量、运行稳定性、机动性、可操纵性，获得总体最佳设计效果。

  
    二是囊体材料与结构。外蒙皮要采用轻质、柔韧、高强度、多层纤维，保证高强度／质量比，能抵抗各种恶劣环境的侵蚀、不降解、不变形等。龙骨骨架要采用轻质合金和碳纤维复合材料。

  
    三是动力推进和能量管理。飞艇主要的动力系统是太阳能、燃料电池推动的电动机和燃油推动的发动机，以及组i合式动力装置。开发新的动力系统，做到质量轻、高效率、调节方便、高空间环境适应性强、使用寿命长。

  
    四是平衡和控制。包括压力控制技术、姿态控制技术、推进动力控制技术、放飞、定点和回收控制技术等。

  
    记：控制在整个近空间飞行器中处于什么地位?

  
    吴：控制是关键。近空间飞行器的材料、防热、形状结构等几个关键技术都要被控制。

  
    记：它们的控制难点有哪些?

  
    吴：在45千米以下和45千米以上环境变化很大。飞机靠的是空气动力学，航天靠轨道动力学，而近空间飞行器刚好处于两者之间，变化较大，所以存在很多难点。加上飞行器的速度很高，变化很大，未知因素太多，结构之问的相互关系也很复杂，需要应用很多新的理论。现有的控制理论满足不了要求，因此必须发展智能自适应理论，但是这些理论在工程应用上还有很多问题。

  
    比方说自适应在实际应用中有个学习过程，而高速飞行器速度很高，等处理器学习完了高速飞行器早飞走了，跟不上，所以自适应能力对信息的获取和即时的学习能力还是问题。

  
    记：近空间飞行器的发展应用会对未来战争格局产生怎样的影响?

  
    吴：近空间飞行器属于无缝空间的常规轰炸，增强了陆、海、空、天武器装备的无缝连接，相当于把空中和地面全部布满武器，填补了过去的空白领域，对扩展信息优势，提高联合作战能力，具有十分重要的应用潜力，并有可能进一步发展成为空基作战武器。它比卫星还要厉害：飞行高度低，速度快，威慑力大，可以大量使用，摧毁城市或重要武器装备。目前为止基本没有拦截手段，可以为所欲为。

  
    记：您的研究什么时候能用于工程?

  
    吴：我国是有规划的。研究中的难点就是速度快、变化大、不确定因素多。

  
    记：采访您的过程就是一个学习的过程，使我们了解到了控制理论学科和航空航天的前沿知识，衷心感谢您接受本刊专访。



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吴宏鑫院士访谈录

  
    吴宏鑫，中国科学院院士。1939年生于江苏丹徒，1965年毕业于清华大学自动控制系控制理论及其应用专业。现任北京控制工程研究所研究员，博士生导师，科技委副主任，中国空间技术研究院和中国航天科技集团公司科技委顾问。主要从事航天和工业领域的自适应控制和智能控制理论与应用研究，已在航天控制和工业过程控制等多项实际对象中取得了成功的应用。他发表论文70余篇，专著2部，获国家发明奖三等奖1项，部级科技进步奖一等奖1项、二等奖5项。

  
  

    随着空间事业的发展，近空间飞行器、卫星、飞船、月球车等航天器结构越来越复杂，控制要求越来越高，自主智能控制成为发展方向之一。带着相关问题。我刊专访了吴宏鑫院士。

  
    高人指点　众人相助

  
    记：吴院士，您好!据我了解，您能有今天的成就付出了不少艰辛。

  
    吴：我的一生有三位老师对我影响很大。一位是杨嘉墀院士，一位是屠善澄院士，一位是萨支天主任。“文化大革命”期间，我被隔离审查，想不通。杨院士也被审查批判，但他照样看书学习并鼓励我。我看到从国外回来的老专家都受到这种“待遇”，触动很大，于是开始安心学习英语、日语，以及新的现代自动控制理论等课程。

  
    1968年，我被分配到卫星方案组。由于我的家庭成份是地主，不到一个星期就被调出来搞卫星地面监测设备工作。我所在的工程组对我特别好。1978年我还未被平反，所领导就派我去酒泉基地执行任务。在完成任务的返程途中，我们所的领队张国富说了一句话，“这次收获很大，我发现了一个人才!”从此我干工作更有信心了。但回来后面临一个问题：我该干什么?因为我学的控制理论专业与工作不很对口，而且当时设计制造的卫星很少，岗位少。与杨嘉墀先生商量后他建议我开辟一个新的领域——自适应控制。杨院士说“现在自适应理论在卫星上还未应用，10年后会很重要”。

  
    记：自适应控制理论是什么时候提出的?

  
    吴：国外在20世纪50年代就提出来了，我是1978年开始研究的，国内当时做这个的很少。杨院士就问了我一个问题：“很多人不知道它的重要性，你能不能坐十年冷板凳?”我说没问题，之后潜心搞研究。我唯一担心的是怎么向世人证实这套理论，因为航天对精度和可靠性要求非常高，在非常保险的情况下才会应用新理论。杨院士说先在航天地面工程和民用工业验证这套理论，再用于航天。

  
    幸运的是，我还没坐满十年冷板凳事情就发生了转机。

  
    1979年，空间环境模拟器控制任务要我所去协作，萨主任决定我去做这项工程，在此工作中，我发明了全系数自适应控制方法。1984年获得“国家技术发明奖”。此时，领导开始重视，我成为所里第一批研究员。我这辈子就做了三件事：提出全系数自适应控制理论和方法：航天器变结构变系数的智能控制方法；基于特征模型的智能自适应控制理论和方法。这些对航天工程控制和工业领域控制技术的发展具有重要的理论意义和实用价值，正被成功应用或准备应用到许多领域中。

  
    控制理论　应用创新

  
    记：您是我国全系数自适应控制理论的创始人，能否通俗地介绍一下全系数自适应控制理论?

  
    吴：全系数自适应控制方法是1980年提出的自适应控制中的一种方法。自适应就是当被控对象在运行中发生变化时，控制参数跟着变化运行。通俗地讲，自适应就像一个人，冬天穿棉衣，夏天穿单衣，能使内部系统根据外界环境的变化而变化，从而控制得好。没有应用自适应控制就像一个人冬天还穿着夏天的衣服。

  
    全系数自适应控制的特点就是建立一个全系数之和趋于1的模型，确定参数范围，从工程角度出发，进行自适应控制预报和控制器设计。它使用方便、控制性强，有辨识、决策、修改的功能。特点就是根据物理机理，事先确定对象方程的系数范围，并根据一定条件可得到系数之和趋于1的结论，进行控制设计。尤其是引入黄金分割比后，使系统能保证在参数估计未收敛情况下稳定的特点，所以它工程实用性强，并具有调试方便的优点。

  
    记：自适应看来挺智能的。

  
    吴：还不能算作智能。动物也有适应能力，如变色龙就是随着环境的变化而变颜色。

  
    记：什么叫智能自适应控制呢?

  
    吴：智能自适应控制就是有人的某种智能的控制。它有四个特点。

  
    自学习和自适应能力，可以在自身工作的过程中不断学习，改变做法。比如说机器人喷漆，你指挥它喷一次，通过学习它就会喷了。学习能力也是它区别于自适应控制的一大特点。

  
    能临场判断突发故障并进行重构。现在卫星的最大问题是不能预测故障。智能自适应可以通过大量的数据临场判断问题，排除故障。

  
    有现场组织、规划、分析推理和决策能力。这是人类智能的一个极为重要标志。

  
    还可以对大量数据进行定性和定量、模糊与精确处理。这是人类智能区别于其它生命智能的一个重要特征。

  
    有了智能自适应控制，可以实现控制系统的自主运行，即控制系统靠机器本身的敏感器、执行器和控制器，自行处理控制中遇到的各种问题，如决策判断、定性定量的信息处理等。

  
    应用了这套理论后，天上的卫星可以具备自适应、智能的能力，从而脱离地面站控制自主运行，实现航天自主控制。

  
    最近美国也提出来今后几十年航空航天装备控制的主要方向就是智能和自适应相结合。因为它现在遇到了许多航空航天的问题，特别是航天器的自主能力，比如说美国的月球车、火星车离地面太远，登月、登火星要很长时间，完全靠地面站不行，需要靠自己运行。

  
    记：我国从什么时候开始应用这套理论的?

  
    吴：二十世纪九十年代开始用于我们地面的航天工程(航天工程分为地面工程和天上工程两大块)。要使卫星实现自主运行就必须具备智能自适应的能力，所以我们要不断创新，不能总跟在别人后面仿效。

  
    记：能否举例说明该理论的具体工程应用?

  
    吴：例如飞船返回再入自适应控制，整星瞬态热流控制和电解铝工业控制等多个工程应用。

  
    记：飞船交会对接的难点是什么?应用自适应理论后精度如何?

  
    吴：难点就是相对姿态、相对位置、相对速度都有高精度的要求，速度快了把飞船撞跑，慢了又接不上。另外要求非常平稳，飞船以7.8千米／秒的高速运行，一个前跑，一个在后面追，如果不平稳很难对接。国际上这项技术已比较成熟了，但是各国都对这些技术理论保密。应用了自适应理论后，飞船的精度、着陆位置将处于世界领先。

  
    自主控制　自主运行

  
    记：自主控制应用于卫星本身有什么难点?

  
    吴：难点之一是自主导航问题。因为卫星脱离地面站后，不知道自己在什么位置。而卫星要求的精度很高，所以要找一个定位点，就是一个坐标原点，知道自己的方位，如果什么都不知道就很麻烦。自主控制就是要靠自己定位。方

  
    法一是靠地心的位置。还有就是靠脉冲星：距地球很远的脉冲星发出的脉冲非常平稳，利用它的脉冲定位。

  
    其次是卫星在环境、结构发生变化时的自适应能力还不够。

  
    再有就是卫星诊断故障的能力还欠缺。卫星零件成千上万，很难保证它的元器件和软件不出故障。全系统如何排除天上的干扰和辐射将是难点。

  
    记：自适应理论的工程应用对我国军用航天工程有什么重要意义和作用?

  
    吴：意义重大，现在航空航天的发展方向就是智能自主，否则就要挨打。

  
    我们现在的军用卫星靠地面站控制，一旦爆发战争，地面站很容易被摧毁。所以说航空航天的发展发向就是智能自适应，实现自主控制和运行。

  
    而且提高卫星的精确性和机动性靠地面指挥控制是来不及的，也需要智能自适应理论，传统的方法遇到了很大困难。美国和俄罗斯做了大量的深空探测试验，得到了精确的研究数据，如把整个轨道的气动参数都测出来了。我国没有这个条件，要求首发成功，没有自适应控制就不行。

  
    记：未来军用卫星将朝什么方向发展?

  
    吴：我们希望卫星本身能自主运行，智能自适应控制就是实现航天自主能力的手段。还有就是卫星具备自修复能力，目前世界上都在研究攻克这个难题。我们的计算机芯片经常被粒子击穿BG，里面的储存器乱翻转。如果卫星CPU的某个芯片坏了，整个都要换掉。研究出可进化硬件后，它能自我修复，就像人皮肤受损后重新痊愈一样。比如说卫星里面的三极管坏了，自动产生一个新的替代。

  
    今后的卫星发展是卫星带智能自适应系统，既可以受控于地面站，也可以自主控制。现正在快速实施，还要解决三个问题，自主导航；智能自适应能力；故障修复能力。临场决策、判断能力是我们搞控制研究的人面临的大难题，现在国内外都在做。

  
    卫星控制　日新月异

  
    记：在军用卫星控制方面，我国与国外有没有差距?

  
    吴：有差距。首先是精度和稳定度，现在国外哈勃望远镜的精度是0.01角秒，稳定度到了0.007个角秒(转1度是3600个角秒)。卫星距地球这么远，失之毫厘，差之千里，稍微偏一点就不得了。通过我们的研究，将使卫星测量精度提高量级，这还只是地面站的控制精度。

  
    记：这个精度在卫星实际应用过程中具体反映在什么方面?

  
    吴：例如卫星对地面照相，精度高和稳定度高的卫星能把车船照得很清晰。护航的话，高精度和高稳定度的卫星侦测到前面情况的反应时间要长一些。

  
    记：我国卫星控制技术与国外有多少年的差差距?

  
    吴：已经不能按年计算。我们与国外都是近几年发展起来的。卫星控制技术发展速度可谓日新月异，除了精度、稳定度外，还有机动能力的差别，就是卫星躲避被攻击的能力。卫星的机动能力就是变轨躲避。现在卫星不能自己变轨，在地面站控制下变轨很慢，而美国的某卫星会快速变轨。

  
    记：变轨的时间多长?平时与战时控制卫星有不同吗?

  
    吴：看各国的水平，变轨时间越短，跑得越快，机动能力越强。美国和一些国家卫星的机动能力比我们强。如法国一颗2.5吨的卫星大概能转60度。攻击卫星也不好做，天上的卫星不好分辨，而且速度每秒7.8千米，难以捕捉。

  
    战时就是要求卫星有机动能力，叫作卫星攻防，既要能攻击敌方，也要能防止被攻击。

  
    记：攻防时，卫星与战略弹道导弹的姿态控制有没有不同?

  
    吴：控制理论差不多，实际应用就是控制时间的长短、可靠性、精度和机动能力的要求不一样。军用卫星的控制精度要求很高，导弹没有这么高；战略弹道导弹发射时间和控制时间都很短。但它们是相互合作的：导弹靠卫星引导攻击目标，所以卫星、导弹都是在一起研制的。空战新星常规轰炸

  
    记：除了航天控制理论的研究外，您现在还做哪方面研究?

  
    吴：以前战争是海陆空三维，现在已向海陆空天四维发展，国防要靠海陆空天一体化作战。最近各国都在加紧研究近空间飞行器技术。

  
    按照航空动力学观点，100千米以下卫星速度跑不起来，所以100千米以上基本是卫星活动的范畴；10～20千米以下是飞机活动的范畴。这样，距地面20～100千米之间的空域既不属于航空范围，也不属于航天范畴：大气阻力很大，飞机上不去，卫星下不来，而且它非常低，导弹没法拦截。由于技术和认识上的原因，过去人们不太重视，近几年才引起世界各国的重视，美国、俄罗斯、韩国、英国、日本、以色列等正在积极开展近空间飞行器技术的研究。

  
    记：近空间飞行器主要有哪几类?

  
    吴：近空间飞行器按速度分为两大类。

  
    一类是高超声速近空间飞行器。由于近空间大气密度低，而且工作在轨道动力学和空气动力学之间，可以实现高速机动飞行，速度在1马赫以上，包括高侦察机、高超声速飞行器、亚轨道飞行器等。其中高超声速飞行器又包括以火箭、吸气式发动机为动力和高超声速再入的无动力滑翔飞行器。无动力滑翔飞行器就是用导弹把飞行器打到卫星轨道再滑行下来，没有推力，很难被探测到，下来后可以机动，打击空中目标很厉害。

  
    另一类是低速近空间飞行器，飞行速度小于1马赫，包括平流层飞艇、高空气球、高高空无人机等。与卫星相比，运行高度低，一般只有低轨卫星的1／10-1／20。平流层的气流只有水平方向，没有上下对流，因此留空时间长，达几天到几十天，容易实现高分辨率对地观测，有效弥补卫星观测局部盲点，可以长期、不问任何地方。

  
    记：高超声速飞行器进入工程化阶段需要攻克哪些关键技术?

  
    吴：有五大技术。

  
    总体技术。对高升阻比外形和防隔热，飞行器总体与动力、控制等多学科进行一体化设计。

  
    气动力／热特性技术。主要是高升阻比气动布局技术、复杂气动外形气动力／热特性预示技术、飞行器气动／飞行性能一体化技术、气动稳定性、操作性分析与匹配技术、飞行试验气动力热环境辨识技术等。

  
    热结构、防热及材料技术。如长时间飞行内部温控及防隔热材料与工艺技术等。

  
    导航、制导与控制技术。要进行智能自适应控制理论和方法研究。

  
    先进动力技术。包括发动机形状、结构和进气道、先进控制和燃料供给技术等，以及先进组合动力技术。

  
    记：低速近空间飞行器如平流层飞艇又要克服哪些关键技术?

  
    吴：也有几方面。一是总体设计与优化技术。需要综合考虑气动性能、结构重量、运行稳定性、机动性、可操纵性，获得总体最佳设计效果。

  
    二是囊体材料与结构。外蒙皮要采用轻质、柔韧、高强度、多层纤维，保证高强度／质量比，能抵抗各种恶劣环境的侵蚀、不降解、不变形等。龙骨骨架要采用轻质合金和碳纤维复合材料。

  
    三是动力推进和能量管理。飞艇主要的动力系统是太阳能、燃料电池推动的电动机和燃油推动的发动机，以及组i合式动力装置。开发新的动力系统，做到质量轻、高效率、调节方便、高空间环境适应性强、使用寿命长。

  
    四是平衡和控制。包括压力控制技术、姿态控制技术、推进动力控制技术、放飞、定点和回收控制技术等。

  
    记：控制在整个近空间飞行器中处于什么地位?

  
    吴：控制是关键。近空间飞行器的材料、防热、形状结构等几个关键技术都要被控制。

  
    记：它们的控制难点有哪些?

  
    吴：在45千米以下和45千米以上环境变化很大。飞机靠的是空气动力学，航天靠轨道动力学，而近空间飞行器刚好处于两者之间，变化较大，所以存在很多难点。加上飞行器的速度很高，变化很大，未知因素太多，结构之问的相互关系也很复杂，需要应用很多新的理论。现有的控制理论满足不了要求，因此必须发展智能自适应理论，但是这些理论在工程应用上还有很多问题。

  
    比方说自适应在实际应用中有个学习过程，而高速飞行器速度很高，等处理器学习完了高速飞行器早飞走了，跟不上，所以自适应能力对信息的获取和即时的学习能力还是问题。

  
    记：近空间飞行器的发展应用会对未来战争格局产生怎样的影响?

  
    吴：近空间飞行器属于无缝空间的常规轰炸，增强了陆、海、空、天武器装备的无缝连接，相当于把空中和地面全部布满武器，填补了过去的空白领域，对扩展信息优势，提高联合作战能力，具有十分重要的应用潜力，并有可能进一步发展成为空基作战武器。它比卫星还要厉害：飞行高度低，速度快，威慑力大，可以大量使用，摧毁城市或重要武器装备。目前为止基本没有拦截手段，可以为所欲为。

  
    记：您的研究什么时候能用于工程?

  
    吴：我国是有规划的。研究中的难点就是速度快、变化大、不确定因素多。

  
    记：采访您的过程就是一个学习的过程，使我们了解到了控制理论学科和航空航天的前沿知识，衷心感谢您接受本刊专访。