沈強：航天器自主安全運行的“護航者”

倪海波

沈強在馬耳他參加國際會議期間留影

2021年，是沈強接觸航天器控制研究的第11年。這11年，沈強參與了多項新加坡國防科技局、美國國防高科技研究局關于航天器姿態控制系統設計、航天器容錯系統設計、飛行器行為意圖辨識等項目。與此同時，在世界范圍內，航天器作為太空探索任務的核心載體，一直備受各個國家的重視，而其控制系統更是起著關鍵作用，對于今后航天器更好地完成空間探測任務具有重要意義。

順應時勢，沈強回國應聘成為上海交通大學長聘教軌副教授，他心里已經勾勒出了一個完美的發展起點——足夠優秀的平臺、更多的交流機會、在業內發揮影響力的專家與他同行合作。2020年，沈強成功入選上海海外高層次人才引進計劃，他愿做航天器的“護航者”，在航天器智能自主和安全控制上深耕，為國家重大需求貢獻自己的力量。

興趣是最好的老師

指針不停轉動的鐘表，隨音樂起舞的八音盒，按照指令運行的計算機……從機械自動化到程序自動化，這些都是少年時期的沈強最感興趣的器件。除此之外，沈強喜歡數學和物理，對火箭發射、探測器登月格外熱衷，對擁有航空、航天、航海專業的三航院校心生向往。高考那年，他綜合多方面因素，選擇了西北工業大學動力與能源學院，攻讀自動化專業。

2011年，興趣加持的沈強前往新加坡南洋理工大學電力與電子工程學院繼續學習，并且順利拿到了新加坡政府全額研究生獎學金。讀博期間，沈強的研究方向一如既往地和自己的興趣貼合，他通過閱讀外文文獻，積極與導師交流，冒出了不少新的想法。他主動跟導師進行匯報反饋，確定了自己的研究方向——航天器容錯控制系統的研究。“成像衛星發射升空后最重要的功能之一是拍照，我要做的工作有兩個：一是調整衛星在軌道運行的姿態，使其更好地對準拍照；二是衛星在姿態機動中可能發生故障，需要確保發生故障后衛星依然能完成拍照任務，保障衛星的安全性和穩定性。”沈強談到自己的研究領域，話匣子漸漸打開了。

“有興趣就是一種動力，有動力才會去發現問題、探索問題、解決問題，問題解決了自然會出成果。”在沈強看來，興趣—探索—收獲是一個無限正循環的過程，人只有在這個過程中不斷地向前走，才能保持一顆對學術追求火熱的心。

2016年，沈強獲得了由國家留學基金管理委員會設立的“國家優秀自費留學生獎學金”，新加坡一年只有30多名留學生能獲得這項獎勵。“我感受到了國家對我的鼓勵，至少說明博士期間的科研工作得到了認可。”沈強略帶開心地說道。

博士畢業后，沈強主動找到了新加坡國立大學的Goh Cher Hiang教授，進入新加坡國立大學淡馬錫實驗室擔任研究科學家，繼續著自己博士期間的研究——如何控制航天器，提高它的自主性、魯棒性、安全性。Goh Cher Hiang教授是新加坡的第一顆微型人造衛星X-SAT的總負責人，與沈強的研究方向非常契合。此后兩年的時間里，沈強跟隨Goh Cher Hiang教授的團隊一起做項目，其間和新加坡科技工程有限公司（Singapore Technologies Engineering）合作，開發新加坡新一代的衛星容錯自主控制系統。他也因此學到了很多科研之外的東西，比如團隊管理經驗和對項目的管控能力。

2017年12月，沈強結束在新加坡國立大學淡馬錫實驗室的研究工作，前往美國亞利桑那州立大學機械與航天工程系從事博士后研究，跟隨導師Yong Sze Zheng教授研究自動駕駛系統的智能自主控制和狀態估計，在無人駕駛方面做了大量的工作。“自動駕駛的車輛怎樣去估計和學習其他車輛的行為意圖？如果能夠了解其他車輛的行為意圖，就可以提高無人駕駛系統的安全性，減少對突發情況的反應時間，同時保證駕駛的舒適性和安全性。”沈強相信如果能做出成果，將給人類未來的生活帶來巨大的改變。

奮斗的日子閃閃發光

2019年冬天，伴隨著凜冽的寒風，沈強回到了闊別已久的祖國。回想起近10年海外學習生涯，那些奮斗過的日子依然在他的記憶里閃閃發光。他清楚地記得剛去新加坡時，“那是我第一次作組會報告，做得不太好，所以印象特別深刻”，導師王鄲維教授當時一字一句地和沈強說明應該如何修改：從論文題目選取、摘要及內容細化，到怎樣開展相關研究學習、找到最適合自己的研究方法，再到演講的姿態、行為舉止……這些事無巨細的教導至今仍然深深影響著沈強。

而第一次投稿論文則讓沈強對研究過程中的溝通交流有了更深的體會。“我的第一篇論文，寫了很長時間，但是投出去后等了11個月卻被拒掉了。”沈強當時覺得非常沮喪，但是他沒有氣餒。他非常理性地分析了論文存在的問題，跟導師進行交流，重新梳理了文章的框架。除此之外，他還積極聯系校內校外的老師，甚至是開會認識的老師，發郵件給他們，請他們幫忙修改，改到最后他幾乎把所有的內容重新寫了一遍。最終，沈強的論文登上了航天技術類的國際頂級期刊，他說：“要對自己的問題有理性的思考，不懼怕困難，多和老師進行合理、深度的交流，才能最終解決問題。”

第一次作報告的無措、第一次投稿被拒的沮喪，可能都比不上截稿日期當天交稿的瘋狂。沈強與美國亞利桑那州立大學Yong Sze Zheng教授合作的論文在提交時發現了一個致命的錯誤，只能找現有的論文資料，自己想辦法寫出解決問題的答案。當時，沈強和Yong Sze Zheng教授在辦公室待了一整天，一直討論，一直寫到晚上12點，在截稿日期的最后一分鐘提交了論文。“時間真的很緊迫，但是大家一起討論的聲音至今還能在耳邊響起。”在科研的道路上，能和同行者一起交流、探索，最后成功地完成，沈強現在回想起來還是覺得很有成就感。

回國后沈強選擇了上海交通大學航空航天學院作為自己在國內的起點，開始了新的旅程。在沈強看來，個人的發展總要和國家的發展需求結合起來，一個人只有順應國家發展的潮流，才能把握住其中的機遇，自己也能得到更好的發展。而上海交通大學素來有這樣的傳統，如錢學森等許多在國家艱難困苦之際，克服重重困難，毅然回國的前輩，深刻影響著沈強。上海作為科技與經濟中心，其活力也深深感染了他，在這里有優秀的平臺，有更多科研交流的機會。“上海交通大學有許多在行業內很有影響力的專家學者，對我來說是一個很好的契機。”沈強對自己今后在上海的發展充滿信心。

有壓力才有動力

沈強在上海交通大學的教學崗位是長聘教軌副教授，學校從2010年起探索設置長聘教軌，候選者在6年聘期結束時接受學校考核，非升即走，全面考察候選者的師德師風、學術水平、教學能力、綜合素養等，從而實現好中選優、優中選強。為期6年的考核制度對沈強來說，既是壓力又是動力。“我對壓力還是挺積極樂觀的，我感覺這也是一個自我提升的過程。”沈強認為只有在有壓力的環境下，人才能成長，才能做出預期的成果。

有動力的沈強目前正在積極申請科研項目，他的項目“執行機構故障情況下航天器容錯自適應控制分配方法研究”獲得了上海市2020年度揚帆計劃項目的資助，項目“基于凸優化的受限航天器容錯姿態控制”獲得了2020年度上海市自然科學基金的資助。

控制分配是解決冗余控制的一種有效方法，在航天器、艦船、水下航行器、四輪驅動汽車等對安全性要求較高的過驅動（over-actuated）動態控制系統中有著十分廣泛的應用。過去通常采用靜態控制分配的方法去管理系統冗余，滿足控制過程中執行機構約束和提高系統安全性，而這一方法需要在每一采樣周期求解一個優化問題，實時性較差，尤其在系統執行機構發生故障后，穩定性和可靠性得不到保障。

在此基礎上，沈強通過多方面的考慮設計了動態的控制分配方法，能夠實時保證系統的安全性，提高系統的可靠性。“首先，我們將執行機構故障信息和控制分配算法有機結合，構造能夠最少使用故障執行機構的動態自適應控制分配策略。”沈強通過設計針對控制分配誤差的李雅普諾夫函數，使控制分配更新律能夠在有限時間內漸近收斂到最優值，從而避免在每一采樣周期直接求解優化問題。其次，考慮航天器執行機構故障，沈強所提出的方法能夠避免傳統容錯控制系統的控制器重構，在控制分配設計中直接實現自適應最優故障調節和冗余管理。如果項目進展成功，沈強將所設計的自適應控制分配方法應用到航天器姿態控制系統中驗證其有效性和可靠性。

“未來預期的經濟效益主要是在降低航天器運行成本和維修成本。”沈強解釋道，航天器的控制系統里有一臺星載計算機，對安全性能的要求非常高，因為它常常處在非常惡劣的環境中，受到空間環境強輻射、強電磁干擾等因素影響。但是機載計算機的安全性能提高后，它的計算性能就會下降。而沈強的方法可以在不影響星載計算機安全性能的前提下降低控制系統對計算性能的要求，從而降低包括衛星等航天器的運行成本。同時，此方法通過控制分配實現航天器姿態控制系統在執行機構無故障和故障情況下的自主控制調節，減少地面測控中心和在軌服務航天器等支持系統的干預，進而降低航天器維修成本和延長航天器在軌運行壽命。

沈強的另一個主要研究方向是航天器姿態控制系統的故障診斷和容錯控制。姿態控制系統作為航天器核心分系統之一，其任何部件的可靠性和安全性都直接關系航天器的安全和航天任務的成功。惡劣的太空環境、長時間高強度運行以及復雜的機械電子設備等因素導致航天器故障層出不窮。例如，2019年1月，美國洛克希德·馬丁公司建造并發射的“Word View 4”衛星，由于姿態控制系統中控制力矩陀螺失效，致使其無法精確控制指向，因而不能再生成可用圖像。“衛星在太空中發生故障時，我們其實很難對故障進行建模和實時估計，現有的衛星故障模型也很難真實反映衛星到底出現了什么樣的故障。”基于上述考慮，沈強想到通過機器學習方法去辨識和估計航天器中發生的故障，簡化典型故障下的不確定非線性航天器動力學模型，研究主動故障診斷方法實現航天器故障的快速定位、快速隔離，減少故障估計的時間，從而降低故障對系統性能的影響。

在中國駐新加坡大使館參加國家優秀自費留學生獎學金頒獎典禮

在沈強看來，研究航天器姿態控制系統自主容錯技術，為航天器主動故障診斷中關鍵技術和前沿難點問題提出新的理論研究方法，為智慧航天器的安全可靠自主運行提供理論儲備和技術支撐，有著重大的理論與現實意義。沈強認為，現在很多人都提出中國要在各個領域實現彎道超車，他卻覺得彎道超車固然很好，但更重要的是要另辟蹊徑，做出中國自己的特色。

努力向未來邁進

沈強回國的時間不長，但是他對自己的定位很明確。在教學上，他感謝上海交通大學的老師和同事給了他很多指導建議，期待未來能成為一位好老師。在培養學生上，雖然才剛剛起步，但沈強最重視學生的興趣和好奇心，“如果學生有興趣和好奇心，那么他探索的問題就會越多，主動研究的資料也會越多，能學到的東西自然是最多的”。在團隊發展上，沈強希望能夠通過3～5年的發展，擁有一個在智能航天器及集群自主安全控制研究上較有規模的團隊，申請到國家重大計劃項目和國家自然科學基金項目支持。“我的研究領域都是國家未來需要快速發展和投入很多精力的領域，如果能把個人的發展和國家的需求結合起來，讓自己的科研服務于國家，就再好不過了。”

平時沈強長期待在實驗室，面對文獻和實驗數據能坐上一整天，而生活中的他卻是一位登山和馬拉松運動的愛好者。2014年10月，印度尼西亞林賈尼火山徒步旅行；2015年12月，新加坡渣打馬拉松；2016年3月，馬來西亞沙巴京那巴魯山徒步旅行；2017年5月，四川四姑娘山徒步旅行……那些攀登過的山、跑過的馬拉松，就像是科研中的每一個節點，沈強順利通過它們，繼續攀登新的山峰。“有好的身體，才能做更好的研究。”沈強表示自己一直堅持跑步，好的身體才能讓他在學術道路上孜孜求索，在研究領域內不斷取得新的成果。

科研就像是一場沒有終點的馬拉松比賽，不僅要有耐心，還要有絕對的熱忱，只有一刻不停地向前奔跑，才能離真理更近一點。“科研這場馬拉松，我要一直跑下去。”沈強笑著說。