Page 302 - 《软件学报》2026年第3期

李晓锋 等: 空间飞行器控制软件在轨自适应可信演化框架 1265

trustworthy evolution framework for spacecraft control software, termed MAPE-KV (monitor-analyze-plan-execute over knowledge and
verification), is proposed. In addition, under the guidance of this framework, the application logic, self-adaptive control logic,
trustworthiness assurance logic, and supporting knowledge base for spacecraft software are designed. Finally, the effectiveness of the
proposed framework is validated through two typical scenarios: unexpected failures and service changes. Simulation results demonstrate
that the proposed method can effectively address the challenges posed by unexpected events during the operation of spaceborne software.
Key words: spacecraft; control software; on-orbit; self-adaptive; trustworthy assurance

1 引 言

重大复杂的航天任务如火星取样返回、载人登月等, 对空间飞行器的智能水平和自主能力提出了多项要
求 [1] . 作为空间飞行器系统的核心和关键部分, 星载软件负责保证系统在运行过程中与环境动态交互时的安全性,
包括实现基本的自主健康管理和故障状态下的重构能力, 以应对新型任务需求的任务规划和再分配. 软件自适应
演化理论通过实时检测需求变化、环境变化以及自身状态等多种系统可变因素, 自主调整软件系统的体系结构、
软件单元的能力及其协作关系, 从而持续提供符合用户期望的服务, 并提高系统的适应性、可靠性和鲁棒性. 这种
能力在应对空间飞行器面临的复杂环境变化时尤为重要. 因此, 自该概念提出以来, 软件自适应演化方法受到了各
航天大国的高度重视.
美国在航天领域自适应软件的研究方面取得了显著进展. 1998 年发射的深空一号 (DS-1) 首次实现了指令生
成、分发和执行, 并通过自主故障诊断系统 Livingstone 进行模式识别与系统重构 [1] . 两年后, 美国发射地球观测
1 号 (EO-1) 卫星, 并搭载了自主优化决策软件 ASE, 该软件能够自主选择通信链路, 将实验数据快速传回地面, 显
著降低地面运维成本 [2] . 2014 年, 美国国家航空航天局 (NASA) 利用 F/A-18 飞机模拟了早期飞行段的火箭, 以测
试 NASA 下一代运载火箭的自适应软件在飞行过程中对环境变化的适应能力. 此外, 美国国防部高级研究计划署
(DARPA) 资助了一系列与自适应软件相关的项目, 目前正在开展意图定义的自适应软件项目 IDAS (intent-defined
adaptive software) 的研究. 该项目旨在开发自动化的软件代码生成和演化技术, 以快速应对软件任务需求和运行
环境的变化, 使软件开发和维护成本实现数量级降低.
经过数十年的研究和实践, 中国所研制的各类空间飞行器已具有一定的自调整能力, 典型的如载人飞船应用
全系数自适应控制理论和思想设计了返回再入控制 [3] , 嫦娥四号探测器采用复杂环境动力下降智能自主控制技术,
完整实施了月球着陆避障 [4] 等. 空间飞行器的自调整能力是通过在控制软件中预先设定数据有效性判断、部件或
系统的故障诊断等策略, 然后根据策略决策结果进行组件切换或系统重构等操作实现. 即现有的这种自调整能力
是基于设计师认知的空间飞行器在轨运行时可能发生的各种情况的, 并将相应的对策以固化代码的形式在星上运
行, 这种方法在一定程度上是有效的, 随着知识和经验的积累, 对策会不断完善, 从而提升空间飞行器在轨稳定运
行能力. 然而, 当面对新的用户需求 (战争/自然灾害等紧急态势改变或增加相应功能)、不确定的环境变化 (如空
间高能粒子打翻存储器等) 与未知的在轨故障时, 现有的软件往往不能在线及时应对, 需要地面人工分析和决策
后, 重新编写软件补丁代码, 依靠地面站在有限通信时间窗口内发出注入指令来完成软件维护, 整个过程需要制定
各种详细的运行标准和流程, 并建造装备与此配套的地面基础设施和仪器设备, 耗费庞大的人力物力.
总而言之, 目前空间飞行器控制软件在轨自主能力主要存在以下 3 方面不足: (1) 软件逻辑紧密耦合, 当面临变
更时需要大量的源代码修改, 不仅限制了软件在轨动态调节的能力, 也引入了潜在安全隐患, 缺少软件在轨主动动态
调节自身行为的机制和方法; (2) 软件缺少针对积累经验的归纳和推理机制, 较难应对需求变化和未知的各种故障;
(3) 软件可信保障手段均需占用较大的系统资源, 仅能在地面实施, 未有在轨条件下实时验证的相关设计.
针对以上问题, 本文主要贡献为: (1) 提出一种面向软件变更的空间飞行器控制软件在轨自适应可信演化框架
MAPE-KV. 实现了控制软件应用逻辑、自适应逻辑和可信保障逻辑的全面解耦, 并设计支持灵活修改的知识库结
构, 从而确保软件持续可靠地自主演化; (2) 实现面向资源受限航天场景的轻量级自适应决策方法与运行时验证技
术, 显著提升系统在强实时性、低资源条件下的自适应能力与可信保障能力; (3) 通过卫星太阳搜索系统的非预期故
障与任务规划系统需求拓展这两个在轨控制软件典型应用场景, 验证了本文框架在实际工程中的可行性与有效性.