Page 308 - 《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 1271

受限的条件下仍能高效运行, 满足空间飞行器对实时性和可靠性的要求.
(1) 自适应触发要素
自适应触发要素决定了系统需动态响应的基本情形, 涵盖了空间飞行器运行过程中所有需要系统演化的外部
和内部事件. 一般而言, 自适应触发要素主要包括环境变化、故障突发和业务变更这 3 个维度. 环境变化指的是星
载软件所处的外部物理或信息环境发生了显著变化 (如空间环境辐照、热控变化、通信条件变化等), 这类变化可
能进一步引发新的功能需求或导致系统异常. 故障突发则是指系统内部元器件、传感器、执行机构等出现异常,
如部件失效、参数漂移、通信中断等, 需系统即时诊断并采取措施. 业务变更则主要指任务业务的调整或升级 (如
成像目标切换、观测模式变化、临时应急指令等), 需系统重新适配、重构控制逻辑和参数.
本文将上述 3 类自适应触发要素进一步统一描述. 进一步分析可见, “环境变化”最终可以归约为“故障突发”
或“业务变更”. 本质上, 所有环境扰动事件最终都可通过系统监测与故障诊断、业务管理机制等环节转化为需要
处理的新“需求”——包括故障修复需求和任务重配置需求. 因此, 无论起因于外部环境还是系统内部异常, 最终均
可以用“需求未满足/已满足”这一统一视角进行抽象表达. 这样, 环境变化、故障突发和业务变更这 3 类事件最终
都成为系统自适应控制中的“需求触发点”. 具体的, 故障处理的过程是当前异常状态到目标稳定状态的迁移, 而业
务变更过程可被视为当前业务未实现到业务实现状态的迁移. 这两种状态迁移过程在模式上具有高度相似性, 因
此, 将“故障发生未恢复”与“业务变更未实现”均定义为“需求未满足状态”, 将“故障已恢复”和“业务已实现”均定义
为“需求已满足状态”. 通过将自适应触发点建模为需求描述模型, 以实现自适应要素的统一建模. 图 3 展示了自适
应要素的潜在交互关系.

需求未满足
异常状 异常状
态S0′ 态S1′

故障发生 故障恢复 业务变更 业务实现
需求已满足
稳定状 稳定状 稳定状
态S0 态S1 态S2

图 3 自适应要素的潜在交互关系

为实现多维度自适应要素建模的统一描述, 本文提出一种基于状态迁移的自适应要素统一描述方法:

T = (R,S,A,δ),
其中, T 表示系统状态迁移, R 表示需求集合 R=(R f , R n ), 包括功能性需求 R f 和非功能性需求 R n , S 表示状态集合, δ
表示状态转移函数. δ 状态转移函数定义为:

δ : S ×R → S , ′
其中, δ(s, r)=s'表示系统在状态 s 下, 当需求 r 产生时, 系统状态转移到 s'.
功能性需求 R f 以飞行器业务变更为主, 具体涉及指令序列的调整. 任务变更通常由地面指挥中心发起, 并通
过一系列精确的操作步骤影响系统的当前状态. 例如, 对于红外成像业务而言, 目标变更请求 r target_chang 会触发系
e
统状态到指令重规划状态 s instruction_replanning , 非功能性需求 R n 以故障发生为主, 具体涉及子系统故障的快速诊断和
隔离. 故障事件 e fault_occurrenc 会触发系统从正常运行状态 s norma 转移到故障检测状态 s fault_detection , 并通过分析和决
l
e
策过程确定故障的性质和位置. 随后, 系统状态转移到故障处理状态 s fault_handling , 执行相应的恢复措施, 最终恢复
到正常状态 s normal .
本文建模方法将所有外部环境变化与系统内部故障、业务调整全部用需求状态进行归约抽象, 使不同触发来
源下的自适应过程具备一致的逻辑基础. 与传统单一维度模型相比, 本方法在模型层实现了多维度 (环境-故障-业
务) 统一表达, 并可支持需求的动态扩展、重用和组合. 在具体实现上, 模型支持对各类触发情形的参数化描述和
状态追踪, 为航天高可信软件的在轨自适应演化奠定坚实基础.