網絡化航天器彈性姿態跟蹤控制

于 洋 陳 哲 袁 源

隨著空間科學技術的發展,空間探索需要自主性強、靈活性高、性能優越的航天器系統,而傳統點對點式航天器存在布線復雜、集成度低等不足,難以適應未來航天器智能化與自主化的發展需求.因此,將航天器傳感器、控制器及執行器等功能組件標準化、模塊化,通過低成本的無線網絡相互作用而構成的網絡化航天器近年來得到了越來越多的關注[1-4].與傳統的單一結構和專用結構相比,網絡化結構在航天器設計和任務操作中具有更大的靈活性、可維護性和可重構性,有助于研制速度更快、重量更輕、成本更低的航天器[5-7].但網絡技術的廣泛應用,打破了原有系統的封閉性,具有公開性的通信網絡及節點為惡意攻擊者對系統進行干擾或破壞提供了可乘之機[8-9].因此,隨著航天器模塊化、網絡化的發展,面向網絡攻防環境下的航天器彈性控制技術將成為未來高技術戰爭中爭奪主動權的關鍵技術.

網絡化彈性控制問題的研究主要考慮兩類常見的網絡攻擊形式,即拒絕服務攻擊和欺騙攻擊[10-11].其中,欺騙攻擊通過精心構造虛假數據進而篡改目標系統信息以實現攻擊效果,是數據完整性攻擊的典型代表,可以在數據傳輸過程中將原始數據替換為虛假數據,從而破壞數據的完整性,進而降低系統控制性能,甚至破壞系統的穩定性[12-13].因此,如何檢測與抵御欺騙攻擊的影響,安全彈性控制問題就顯得至關重要.直觀地說,如果數據被修改,其統計屬性一般也會隨之改變,可以利用卡方檢測器對數據特征進行檢查來區分系統是否受到攻擊[14].此外,LI等提出一種主動同步檢測的方法,在不影響系統運行的情況下檢測微電網逆變器控制器是否受到欺騙攻擊[15].JU 等針對無人駕駛車輛位置傳感器端遭受到的分段常值欺騙攻擊,提出了基于卡爾曼濾波殘差分布的廣義似然比算法的欺騙攻擊檢測與估計方法[16].為了確保系統受到攻擊后安全穩定運行,多種安全控制策略被提出.例如,YOO 針對控制器端含有未知欺騙攻擊注入的非線性系統,利用基于神經網絡的函數逼近技術和攻擊補償器的設計,提出了一種基于折衷狀態變量的無記憶自適應彈性控制設計方法[17].文獻[18-19]基于模型預測控制技術,提出多種安全控制策略克服欺騙攻擊對系統穩定性的影響.

雖然針對欺騙攻擊下網絡化系統的彈性控制研究提出多種解決方案,但主要集中于傳感器端或執行器端單一方向的網絡攻擊,且攻擊形式比較簡單,未能充分利用系統模型信息.WEERAKKODY 等提出了一種基于系統模型的隱蔽性攻擊并對其進行檢測,但無法對攻擊信號進行估計并補償[20].此外,針對網絡化航天器系統的安全控制研究還處于初期階段,因此,本文將以網絡化航天器姿態控制系統為研究對象,除了考慮物理層的內部噪聲及外界干擾之外,還考慮系統傳感器到控制器端及控制器端到執行器端網絡同時遭受攻擊時的姿態跟蹤控制問題進行研究,使得航天器在空間網絡攻防對抗下能夠同時克服物理層的內外擾動及網絡層惡意攻擊的影響,確保安全地實施在軌操控任務.

1 含有隱蔽型攻擊的航天器相對姿態模型建立

由攻擊模型（5）和性質1 可知,當攻擊者航天器掌握跟蹤航天器姿態動力學系統的系數矩陣A0,B0和C0時,便可利用公開的通信網絡對原系統實施具有一定隱蔽性的欺騙攻擊,進而蒙蔽跟蹤航天器,使其無法利用控制器端的輸入信息來察覺跟蹤誤差發生嚴重偏離并加以調控,最終導致無法完成精準的姿態跟蹤任務.

2 自適應觀測器設計及收斂性分析

圖1 基于自適應觀測器的復合抗干擾/抗攻擊控制方框圖Fig.1 The block diagram of composite anti-disturbances/attack control based on adaptive observer

2.1 自適應觀測器1 的設計

2.2 攻擊檢測

2.3 自適應觀測器2 的設計

2.4 攻擊信號估計

3 復合抗干擾與抗攻擊控制器設計及閉環系統穩定性分析

為了克服外界干擾以及惡意攻擊對系統狀態的影響,根據自適應觀測器的輸出以及攻擊信號的估計值設計如下形式的復合抗干擾/抗攻擊彈性控制器.

4 仿真驗證

考慮跟蹤航天器與目標航天器姿態跟蹤控制過程中未受到網絡攻擊時,系統的測量輸出yk作為自適應觀測器1 的輸入,對系統狀態及外界擾動實施估計,并利用控制器對擾動進行補償,所得的相對姿態動力學系統的狀態變化曲線如圖2所示.其中,圖2（a）～圖2（c）分別表示相對姿態、角速度及跟蹤航天器控制力矩的變化曲線.由圖2 可知,在跟蹤航天器控制力矩作用下,約5 s 時相對姿態及角速度便基本趨于零,即跟蹤航天器實現對目標航天器的姿態跟蹤.圖3 為自適應觀測器1 的增益參數Kk的變化曲線.隨著自適應觀測器1 的增益參數趨于穩定狀態,觀測器對系統狀態xk及外界擾動dk實現了精確的估計,如圖4 所示.其中,圖4（a）～圖4（c）分別為自適應觀測器1 對系統相對姿態、角速度及外界擾動dk的估計誤差.由估計誤差圖可知,本文所設計的自適應觀測器1 能夠克服系統的過程噪聲與測量噪聲,對系統狀態及外界擾動具有較強的估計性能.

圖2 無攻擊時相對狀態及控制力矩Fig.2 Relative state and control torque without attack

圖3 自適應觀測器1 的增益參數Fig.3 The gain parameters of adaptive observer I

圖4 自適應觀測器1 的估計誤差Fig.4 The estimation error of adaptive observer I

假設在10 s 時,系統遭受惡意的隱蔽型攻擊.當航天器相對姿態動力學系統傳感器端與控制器端網絡同時受到攻擊后,系統的狀態變化如圖5 所示.由圖5 可知受到惡意攻擊后,跟蹤航天器與目標航天器間的相對姿態和角速度均出現嚴重的發散現象,即,跟蹤航天器越來越偏離目標航天器的姿態及角速度.但此時觀測器或控制器接收到的信息仍然保持穩定狀態,從而進一步體現出攻擊的隱蔽性,也就是說跟蹤航天器自認為一直與目標姿態保持一致,但實際已嚴重偏離目標姿態值.

圖5 受攻擊后系統狀態變化曲線Fig.5 State variation curve of the system under being attacked

圖6 自適應觀測器2 的增益參數Fig.6 The gain parameters of adaptive observer II

圖7 自適應觀測器2 對攻擊后系統狀態的估計誤差Fig.7 Estimation error of the system state after being attacked from the adaptive observer II

結合兩個自適應觀測器對攻擊前后相對姿態動力學系統中未知干擾的估計值,便可得控制器端遭受到的惡意攻擊輸入的估計值,如圖8 所示.其中,圖8（a）表示攻擊輸入的估計曲線；圖8（b）為估計誤差曲線.由估計誤差曲線可知所設計的兩個自適應觀測器,能夠有效估計控制器端網絡遭受到的惡意攻擊信號.

圖8 攻擊信號的估計Fig.8 Estimation of the attack signal

在復合抗干擾及抗攻擊控制力矩uk作用下,系統在遭受攻擊后仍能夠快速恢復穩定狀態,如圖9所示.其中圖9（a）和圖9（b）為抗干擾和抗攻擊后系統姿態及角速度的變化曲線,可見在遭受攻擊后大概5 s 便恢復了姿態及角速度的跟蹤.

圖9 抗攻擊系統的狀態及控制力矩Fig.9 State and control torque of anti-attack system

通過仿真結果進一步表明基于自適應觀測器所設計的復合抗干擾及抗攻擊控制策略,能夠同時有效抑制物理層擾動及網絡層惡意的隱蔽型攻擊,確保跟蹤航天器安全穩定的達到目標姿態.

5 結論

針對物理層含有外界擾動及網絡層含有隱蔽型攻擊的網絡化航天器系統姿態彈性跟蹤控制問題,基于卡爾曼濾波思想與擴張狀態觀測器技術,設計了一種僅依靠網絡傳輸數據自適應干擾和攻擊觀測器,對網絡化航天器系統中物理層干擾與網絡層攻擊同時實施估計,并為其他網絡化系統主動抗攻擊安全控制理論提供了新的研究思路.