Page 306 - 《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 1269

这些数据通过高效的数据传输机制被传递到分析模块, 为后续的决策提供实时依据. 分析阶段则运用机器学习和
数据挖掘技术, 对收集到的大量数据进行深度分析, 以识别潜在的故障迹象和需求变化. 通过模式识别和异常检测
算法, 系统能够快速准确地判断当前状态是否符合预期, 从而为规划阶段提供决策支持. 决策阶段是自适应控制的
关键环节, 它基于分析阶段的结果, 运用优化算法和决策理论, 制定出最优的演化策略. 这些策略不仅考虑当前的
故障或需求变化, 还兼顾系统的长期稳定性和资源利用效率. 执行阶段则负责将规划好的策略转化为具体的动作
指令, 通过精确的控制算法和执行机制, 确保策略能够准确无误地实施. 在整个过程中, 知识库 (knowledge base) 作为
核心的知识存储单元, 存储了系统的运行经验和自适应规则, 为各个阶段提供知识支持. 同时, 可信保障逻辑 (verification)
对生成的策略进行实时验证, 确保其安全性和有效性. 通过这种结构化的自适应控制框架, 空间飞行器能够在复杂
的在轨环境中实现自主的动态演化, 无需人工干预即可快速响应各种变化, 显著提升了系统的可靠性和运行效率.

调整配置
调整结构
应用逻辑 Application 可信保障逻辑 Verification 自适应控制逻辑 Adaptation
轨道 姿态 模式 执行模块
应用层
控制 控制 管理 … Execute
组件库
验证 产生策略
定姿 控制 时间
服务层 算法 算法 服务 … 组件 1 静态验证 结果 决策模块
Static verification Plan
策略
敏感器 执行器 组件 2 提供信息
设备层 推力
太敏 星敏 分析模块
…
器 CMG …
… Analyze
软件 触发事件
硬件接口驱动 验证
操作 总线 演化需求
系统 操作系统内核 运行时验证 结果 感知模块
Runtime verification Monitor
知识库 Knowledge base
事件库 规则库 模型库 策略库 验证库
图 1 自适应控制软件体系结构示意图

3.1 航天器软件应用逻辑框架

航天器软件应用逻辑以实现空间飞行器控制任务为目标, 可以分为设备层、服务层和应用层, 其中设备层用
来管理飞行器的敏感器及执行机构, 具体包括陀螺仪、星敏感器、推力器等, 每个部件对外提供数据通信、加断
电等软件组件. 服务层主要提供 I/O 数据缓存、时间处理、协议解析、运行事件记录以及定姿、控制算法等功能
组件, 例如定姿方案中有星敏感器加陀螺仪组合定姿方案、星敏感器定姿方案、太阳敏感器定姿方案等组件. 应
用层提供面向应用的功能组件, 例如对飞行模式管理组件具体包括对日捕获与定向模式组件、对日三轴稳定模式
组件、大角度姿态机动模式组件等. 软件系统的可扩展功能组件存放在组件库中, 供自适应演化过程动态调用. 软
件系统的各功能组件按照模块化进行封装, 组件具备参数调整及动态重构的能力, 软件系统可以根据需求变化动
态选择使用的组件. 为了实时感知软件系统的运行状态, 在飞行器控制逻辑中设置监控点追踪软件运行轨迹, 提取
组件可能出现的异常事件和非预期状态, 对航天器软件应用逻辑框架中的组件和行为建立模型.
● 对应用逻辑框架中的组件建立模型. 由于组件具有易变特性, 所以首先需对引起组件行为的数据进行描述.
本文将组件运行过程中涉及的数据分为内部数据和端口参数两类, 内部数据是组件运行过程中产生, 不与外部交
互的数据; 端口参数是参与组件有关功能运算的基础, 包括外部输入的数据和组件生成并输出的数据. 内部数据的
使用与外系统无关, 而端口参数涉及与外系统的交互, 在数据获取或发送过程需要考虑数据更新、数据可用等问
题. 因此, 本文将组件的模型描述按其属性定义划分为组件类型、组件端口、端口参数这 3 个元素组合, 其中端口