倪海波

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(guān)于航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計、航天器容錯系統(tǒng)設(shè)計、飛行器行為意圖辨識等項目。與此同時，在世界范圍內(nèi)，航天器作為太空探索任務(wù)的核心載體，一直備受各個國家的重視，而其控制系統(tǒng)更是起著關(guān)鍵作用，對于今后航天器更好地完成空間探測任務(wù)具有重要意義。

順應(yīng)時勢，沈強回國應(yīng)聘成為上海交通大學(xué)長聘教軌副教授，他心里已經(jīng)勾勒出了一個完美的發(fā)展起點——足夠優(yōu)秀的平臺、更多的交流機會、在業(yè)內(nèi)發(fā)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(zhuǎn)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(shù)學(xué)和物理，對火箭發(fā)射、探測器登月格外熱衷，對擁有航空、航天、航海專業(yè)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(yè)大學(xué)動力與能源學(xué)院，攻讀自動化專業(yè)。

2011年，興趣加持的沈強前往新加坡南洋理工大學(xué)電力與電子工程學(xué)院繼續(xù)學(xué)習(xí)，并且順利拿到了新加坡政府全額研究生獎學(xué)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(dǎo)師交流，冒出了不少新的想法。他主動跟導(dǎo)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(tǒng)的研究?！俺上裥l(wèi)星發(fā)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(diào)整衛(wèi)星在軌道運行的姿態(tài)，使其更好地對準(zhǔn)拍照；二是衛(wèi)星在姿態(tài)機動中可能發(fā)生故障，需要確保發(fā)生故障后衛(wèi)星依然能完成拍照任務(wù)，保障衛(wèi)星的安全性和穩(wěn)定性。”沈強談到自己的研究領(lǐng)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(fā)現(xiàn)問題、探索問題、解決問題，問題解決了自然會出成果?！痹谏驈娍磥恚d趣—探索—收獲是一個無限正循環(huán)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(xué)術(shù)追求火熱的心。

2016年，沈強獲得了由國家留學(xué)基金管理委員會設(shè)立的“國家優(yōu)秀自費留學(xué)生獎學(xué)金”，新加坡一年只有30多名留學(xué)生能獲得這項獎勵?！拔腋惺艿搅藝覍ξ业墓膭睿辽僬f明博士期間的科研工作得到了認可?！鄙驈娐詭ч_心地說道。

博士畢業(yè)后，沈強主動找到了新加坡國立大學(xué)的Goh Cher Hiang教授，進入新加坡國立大學(xué)淡馬錫實驗室擔(dān)任研究科學(xué)家，繼續(xù)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(wèi)星X-SAT的總負責(zé)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(fā)新加坡新一代的衛(wèi)星容錯自主控制系統(tǒng)。他也因此學(xué)到了很多科研之外的東西，比如團隊管理經(jīng)驗和對項目的管控能力。

2017年12月，沈強結(jié)束在新加坡國立大學(xué)淡馬錫實驗室的研究工作，前往美國亞利桑那州立大學(xué)機械與航天工程系從事博士后研究，跟隨導(dǎo)師Yong Sze Zheng教授研究自動駕駛系統(tǒng)的智能自主控制和狀態(tài)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(xué)習(xí)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(tǒng)的安全性，減少對突發(fā)情況的反應(yīng)時間，同時保證駕駛的舒適性和安全性?！鄙驈娤嘈湃绻茏龀龀晒瑢⒔o人類未來的生活帶來巨大的改變。

奮斗的日子閃閃發(fā)光

2019年冬天，伴隨著凜冽的寒風(fēng)，沈強回到了闊別已久的祖國?；叵肫鸾?0年海外學(xué)習(xí)生涯，那些奮斗過的日子依然在他的記憶里閃閃發(fā)光。他清楚地記得剛?cè)バ录悠聲r，“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(dǎo)師王鄲維教授當(dāng)時一字一句地和沈強說明應(yīng)該如何修改：從論文題目選取、摘要及內(nèi)容細化，到怎樣開展相關(guān)研究學(xué)習(xí)、找到最適合自己的研究方法，再到演講的姿態(tài)、行為舉止……這些事無巨細的教導(dǎo)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?！拔业牡谝黄撐模瑢懥撕荛L時間，但是投出去后等了11個月卻被拒掉了?！鄙驈姰?dāng)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(dǎo)師進行交流，重新梳理了文章的框架。除此之外，他還積極聯(lián)系校內(nèi)校外的老師，甚至是開會認識的老師，發(fā)郵件給他們，請他們幫忙修改，改到最后他幾乎把所有的內(nèi)容重新寫了一遍。最終，沈強的論文登上了航天技術(shù)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?！?/p>

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(dāng)天交稿的瘋狂。沈強與美國亞利桑那州立大學(xué)Yong Sze Zheng教授合作的論文在提交時發(fā)現(xiàn)了一個致命的錯誤，只能找現(xiàn)有的論文資料，自己想辦法寫出解決問題的答案。當(dāng)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?！皶r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(xiàn)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(xué)航空航天學(xué)院作為自己在國內(nèi)的起點，開始了新的旅程。在沈強看來，個人的發(fā)展總要和國家的發(fā)展需求結(jié)合起來，一個人只有順應(yīng)國家發(fā)展的潮流，才能把握住其中的機遇，自己也能得到更好的發(fā)展。而上海交通大學(xué)素來有這樣的傳統(tǒng)，如錢學(xué)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(jīng)濟中心，其活力也深深感染了他，在這里有優(yōu)秀的平臺，有更多科研交流的機會?！吧虾＝煌ù髮W(xué)有許多在行業(yè)內(nèi)很有影響力的專家學(xué)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(fā)展充滿信心。

有壓力才有動力

沈強在上海交通大學(xué)的教學(xué)崗位是長聘教軌副教授，學(xué)校從2010年起探索設(shè)置長聘教軌，候選者在6年聘期結(jié)束時接受學(xué)?？己?，非升即走，全面考察候選者的師德師風(fēng)、學(xué)術(shù)水平、教學(xué)能力、綜合素養(yǎng)等，從而實現(xiàn)好中選優(yōu)、優(yōu)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?！拔覍毫€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(huán)境下，人才能成長，才能做出預(yù)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(zhí)行機構(gòu)故障情況下航天器容錯自適應(yīng)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(yōu)化的受限航天器容錯姿態(tài)控制”獲得了2020年度上海市自然科學(xué)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(qū)動汽車等對安全性要求較高的過驅(qū)動（over-actuated）動態(tài)控制系統(tǒng)中有著十分廣泛的應(yīng)用。過去通常采用靜態(tài)控制分配的方法去管理系統(tǒng)冗余，滿足控制過程中執(zhí)行機構(gòu)約束和提高系統(tǒng)安全性，而這一方法需要在每一采樣周期求解一個優(yōu)化問題，實時性較差，尤其在系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)發(fā)生故障后，穩(wěn)定性和可靠性得不到保障。

在此基礎(chǔ)上，沈強通過多方面的考慮設(shè)計了動態(tài)的控制分配方法，能夠?qū)崟r保證系統(tǒng)的安全性，提高系統(tǒng)的可靠性。“首先，我們將執(zhí)行機構(gòu)故障信息和控制分配算法有機結(jié)合，構(gòu)造能夠最少使用故障執(zhí)行機構(gòu)的動態(tài)自適應(yīng)控制分配策略?！鄙驈娡ㄟ^設(shè)計針對控制分配誤差的李雅普諾夫函數(shù)，使控制分配更新律能夠在有限時間內(nèi)漸近收斂到最優(yōu)值，從而避免在每一采樣周期直接求解優(yōu)化問題。其次，考慮航天器執(zhí)行機構(gòu)故障，沈強所提出的方法能夠避免傳統(tǒng)容錯控制系統(tǒng)的控制器重構(gòu)，在控制分配設(shè)計中直接實現(xiàn)自適應(yīng)最優(yōu)故障調(diào)節(jié)和冗余管理。如果項目進展成功，沈強將所設(shè)計的自適應(yīng)控制分配方法應(yīng)用到航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)中驗證其有效性和可靠性。

“未來預(yù)期的經(jīng)濟效益主要是在降低航天器運行成本和維修成本?！鄙驈娊忉尩溃教炱鞯目刂葡到y(tǒng)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(huán)境中，受到空間環(huán)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(tǒng)對計算性能的要求，從而降低包括衛(wèi)星等航天器的運行成本。同時，此方法通過控制分配實現(xiàn)航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)在執(zhí)行機構(gòu)無故障和故障情況下的自主控制調(diào)節(jié)，減少地面測控中心和在軌服務(wù)航天器等支持系統(tǒng)的干預(yù)，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(tài)控制系統(tǒng)的故障診斷和容錯控制。姿態(tài)控制系統(tǒng)作為航天器核心分系統(tǒng)之一，其任何部件的可靠性和安全性都直接關(guān)系航天器的安全和航天任務(wù)的成功。惡劣的太空環(huán)境、長時間高強度運行以及復(fù)雜的機械電子設(shè)備等因素導(dǎo)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(fā)射的“Word View 4”衛(wèi)星，由于姿態(tài)控制系統(tǒng)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?！靶l(wèi)星在太空中發(fā)生故障時，我們其實很難對故障進行建模和實時估計，現(xiàn)有的衛(wèi)星故障模型也很難真實反映衛(wèi)星到底出現(xiàn)了什么樣的故障。”基于上述考慮，沈強想到通過機器學(xué)習(xí)方法去辨識和估計航天器中發(fā)生的故障，簡化典型故障下的不確定非線性航天器動力學(xué)模型，研究主動故障診斷方法實現(xiàn)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(tǒng)性能的影響。

在沈強看來，研究航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)自主容錯技術(shù)，為航天器主動故障診斷中關(guān)鍵技術(shù)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(shù)支撐，有著重大的理論與現(xiàn)實意義。沈強認為，現(xiàn)在很多人都提出中國要在各個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(xué)上，他感謝上海交通大學(xué)的老師和同事給了他很多指導(dǎo)建議，期待未來能成為一位好老師。在培養(yǎng)學(xué)生上，雖然才剛剛起步，但沈強最重視學(xué)生的興趣和好奇心，“如果學(xué)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(xué)到的東西自然是最多的”。在團隊發(fā)展上，沈強希望能夠通過3？5年的發(fā)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(guī)模的團隊，申請到國家重大計劃項目和國家自然科學(xué)基金項目支持。“我的研究領(lǐng)域都是國家未來需要快速發(fā)展和投入很多精力的領(lǐng)域，如果能把個人的發(fā)展和國家的需求結(jié)合起來，讓自己的科研服務(wù)于國家，就再好不過了?！?img src="https://cimg.fx361.com/images/2021/04/30/qkimageskezxkezx202102kezx20210212-2-l.jpg"/>

平時沈強長期待在實驗室，面對文獻和實驗數(shù)據(jù)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(jié)點，沈強順利通過它們，繼續(xù)攀登新的山峰?！坝泻玫纳眢w，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(xué)術(shù)道路上孜孜求索，在研究領(lǐng)域內(nèi)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?！翱蒲羞@場馬拉松，我要一直跑下去?！鄙驈娦χf。