郝曉龍 白鶴峰 熊春暉 張永強(qiáng) 劉念

(1 北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)(2 國(guó)防科技大學(xué) 信息通信學(xué)院，武漢 430010)

近年來(lái)，新一代人工智能(Artificial Intelligence，AI)技術(shù)研究迅速升溫，世界主要發(fā)達(dá)國(guó)家均把人工智能作為提升國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)力、維護(hù)國(guó)家安全的重大戰(zhàn)略，加緊出臺(tái)規(guī)劃和政策，搶占戰(zhàn)略制高點(diǎn)[1]。2016年，美國(guó)發(fā)布全球首份國(guó)家層面AI發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃——《國(guó)家人工智能研究和發(fā)展戰(zhàn)略計(jì)劃》[2]，制定了人工智能的七大發(fā)展戰(zhàn)略；歐盟啟動(dòng)全球最大民用機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃(SPARC)[3]；2017年，我國(guó)發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，明確提出我國(guó)人工智能三步走的目標(biāo)[4]。

同時(shí)，以計(jì)算機(jī)視覺(jué)、自然語(yǔ)言理解與交流、認(rèn)知與推理、機(jī)器人學(xué)、博弈與倫理、機(jī)器學(xué)習(xí)為核心的人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，已逐步滲透到各個(gè)行業(yè)，引領(lǐng)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

作為戰(zhàn)略前沿技術(shù)，人工智能技術(shù)與航天領(lǐng)域的結(jié)合有其特殊優(yōu)勢(shì)，空間環(huán)境廣袤單純、航天任務(wù)流程標(biāo)準(zhǔn)化程度高、航天器在軌自主性需求高、航天控制系統(tǒng)自動(dòng)化基礎(chǔ)較好，特別是近年來(lái)航天大發(fā)展積累的大量的、多維的、完備的基礎(chǔ)大數(shù)據(jù)和知識(shí)庫(kù)等，為人工智能技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用提供了良好的基礎(chǔ)，智能感知(學(xué)習(xí))、主動(dòng)認(rèn)知、自動(dòng)控制、自主管理、復(fù)雜處理、互聯(lián)互通、重構(gòu)升級(jí)等已成為未來(lái)航天系統(tǒng)的基礎(chǔ)能力。

本文在分析航天領(lǐng)域智能化發(fā)展歷程的基礎(chǔ)上，研究了航天領(lǐng)域人工智能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，提出智能航天體系概念內(nèi)涵，設(shè)計(jì)了多層次智能航天體系框架，提出了航天領(lǐng)域人工智能應(yīng)用的基礎(chǔ)能力需求和重點(diǎn)方向，以推動(dòng)智能航天系統(tǒng)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)航天活動(dòng)能力質(zhì)的飛躍。

1 航天領(lǐng)域人工智能發(fā)展歷程

航天任務(wù)是一個(gè)典型的知識(shí)處理過(guò)程，人工智能在解決航天任務(wù)的復(fù)雜邏輯推理和眾多約束條件時(shí)具有天然優(yōu)勢(shì)，航天領(lǐng)域的人工智能應(yīng)用研究始于20世紀(jì)70年代末，1977年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)機(jī)器智能與機(jī)器人學(xué)的研究小組受命研究人工智能對(duì)整個(gè)航天領(lǐng)域的影響[5]，此后，航天領(lǐng)域的人工智能研究大致經(jīng)歷了誕生、萌芽、興起、重視到深化幾個(gè)階段，如圖1所示，可以看到，人工智能在航天領(lǐng)域應(yīng)用的廣度和深度都進(jìn)一步拓展，人工智能已經(jīng)滲透到航天設(shè)計(jì)、研制、發(fā)射以及運(yùn)行各個(gè)階段。

圖1 航天領(lǐng)域人工智能技術(shù)發(fā)展Fig.1 Development of artificial intelligence technology in space field

人工智能在航天領(lǐng)域應(yīng)用主要集中在星上數(shù)據(jù)處理與解譯、自主任務(wù)規(guī)劃、自主故障檢測(cè)、多星協(xié)同以及空間機(jī)器人等方向，其中以美國(guó)的研究最具代表性，開(kāi)展了一系列智能航天系統(tǒng)試驗(yàn)和計(jì)劃：①戰(zhàn)術(shù)衛(wèi)星-3(TacSat-3)的運(yùn)載管理試驗(yàn)中對(duì)自動(dòng)推理系統(tǒng)的行為問(wèn)題進(jìn)行了研究，自動(dòng)推理系統(tǒng)主要用于故障檢測(cè)和診斷[6]；②2006年發(fā)射的技術(shù)衛(wèi)星-21(TechSat-21)用于演示編隊(duì)飛行及在軌自主技術(shù)，以提高快速響應(yīng)能力和改進(jìn)操作效率，其自動(dòng)科學(xué)與航天器(ASE)軟件被安裝在衛(wèi)星上用于實(shí)現(xiàn)在軌任務(wù)規(guī)劃、調(diào)度與執(zhí)行，以及在軌觀測(cè)規(guī)劃分配[7]；③美國(guó)天基監(jiān)視系統(tǒng)具有全天時(shí)持續(xù)工作能力，可以快速掃描、發(fā)現(xiàn)、識(shí)別、跟蹤低軌至高軌目標(biāo)，支持衛(wèi)星在軌性能升級(jí)，如探測(cè)更小的目標(biāo)、自動(dòng)跟蹤感興趣目標(biāo)以及提高系統(tǒng)使用效率等[8]；④NASA的深空探測(cè)計(jì)劃中[9-10]，深空1號(hào)(DS-1)驗(yàn)證了部分自主技術(shù)，包括自主導(dǎo)航技術(shù)、自主遠(yuǎn)程代理技術(shù)、自主軟件測(cè)試技術(shù)和自動(dòng)代碼生成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一定程度的自主規(guī)劃、診斷和恢復(fù)能力；2017年，NASA宣布用開(kāi)普勒探測(cè)器發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)“太陽(yáng)系”，采用了Google提供的AI模型對(duì)探測(cè)器拍攝的天文圖像進(jìn)行分析；全新一代火星漫游車“火星2020”，能夠自主避障，自主選擇興趣目標(biāo)、探測(cè)條件和最佳探測(cè)方案。NASA未來(lái)的深空無(wú)人探測(cè)器，歐羅巴快帆計(jì)劃和彗星漫游項(xiàng)目等都將全面具備AI能力。

經(jīng)過(guò)近40年的發(fā)展，國(guó)外航天領(lǐng)域的智能化具備了初步自主任務(wù)規(guī)劃能力、一定水平的自主識(shí)別分類能力以及空間機(jī)器人初步具備了“弱”智能。我國(guó)在航天器故障分析、任務(wù)設(shè)計(jì)和規(guī)劃、自主決策、智能機(jī)器人、集群智能等領(lǐng)域積累了一定的研究基礎(chǔ)[11-16]，總的來(lái)說(shuō)，人工智能技術(shù)應(yīng)用還非常有限，研究方向較為零散，對(duì)人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用還缺乏整體認(rèn)識(shí)與系統(tǒng)規(guī)劃。

2 航天領(lǐng)域人工智能分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及定義

目前，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界均未對(duì)航天領(lǐng)域人工智能應(yīng)用提出相應(yīng)的劃分標(biāo)準(zhǔn)。本文從體系、系統(tǒng)、分系統(tǒng)等層次提出了初步的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示，主要?jiǎng)澐譃?個(gè)等級(jí)，分別為無(wú)人工智能、分系統(tǒng)程控化、單星系統(tǒng)智能化和體系智能化，具體定義如下：

(1)無(wú)人工智能。按照任務(wù)目標(biāo)，設(shè)計(jì)、研發(fā)和構(gòu)建衛(wèi)星系統(tǒng)，由人工按照既定清單和任務(wù)指令完成系統(tǒng)任務(wù)。

(2)分系統(tǒng)程控化。按照任務(wù)目標(biāo)，設(shè)計(jì)、研發(fā)和構(gòu)建衛(wèi)星系統(tǒng)，在部分模塊、產(chǎn)品、分系統(tǒng)層面使用程控化、自動(dòng)化等技術(shù)，完成一些規(guī)律性、重復(fù)性的工作，減少人工參與造成的失誤。

(3)單星系統(tǒng)智能化。單星系統(tǒng)能夠根據(jù)需要對(duì)衛(wèi)星系統(tǒng)的功能、性能進(jìn)行有條件的調(diào)整和優(yōu)化，地面實(shí)現(xiàn)全程無(wú)人參與，天地自主協(xié)同。

將擬合得到的兩個(gè)目標(biāo)參數(shù)代入D-R-PH模型可以得到?jīng)_擊波波后應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線，如圖8，與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的邊界應(yīng)力基本一致，由此說(shuō)明上述確定材料參數(shù)的方法的可行性和有效性,可見(jiàn)盡管實(shí)驗(yàn)得到的應(yīng)力曲線由于數(shù)據(jù)的震蕩并不能和模型曲線完全一致，但是該模型對(duì)于不同的相對(duì)密度的泡沫鋁均能很好地吻合應(yīng)力的峰值和應(yīng)力的變化趨勢(shì)。

(4)體系智能化。航天體系具備從任務(wù)給定到結(jié)果輸出全程無(wú)人參與，能夠?qū)崿F(xiàn)天地智能協(xié)同、天基資源智能調(diào)配，適應(yīng)突發(fā)情形自主判斷、決策，最終達(dá)到優(yōu)于人工參與或不亞于人工參與的能力。

表1 航天領(lǐng)域人工智能應(yīng)用分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard of artificial intelligence application in space field

3 智能航天體系概念內(nèi)涵

3.1 概念

以功能、性能的彈性可重構(gòu)的思路完成航天器的設(shè)計(jì)、研發(fā)，按照空間組網(wǎng)、功能齊備、統(tǒng)籌優(yōu)化方式完成空間航天體系建設(shè)，具備智能感知、主動(dòng)認(rèn)知、自動(dòng)控制、自主管理、互聯(lián)互通和重構(gòu)升級(jí)等一系列智能化基礎(chǔ)能力，實(shí)現(xiàn)在給定任務(wù)目標(biāo)后，能夠適應(yīng)未曾預(yù)料情形，在無(wú)人參與條件下，自主調(diào)配天地系統(tǒng)軟硬件資源，自主完成使命任務(wù)，包括任務(wù)解析、聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃、評(píng)估、信息快速精確獲取與傳遞、與其他應(yīng)用系統(tǒng)全方位自主鉸鏈服務(wù)等，最終達(dá)到實(shí)現(xiàn)的航天任務(wù)目標(biāo)優(yōu)于人工參與或不亞于人工參與的能力。

3.2 內(nèi)涵和特征

(1)完備性。具備全域到達(dá)能力、全要素保障能力、全手段感知能力、全鏈路通信能力、全方位鉸鏈服務(wù)、全流程智能化能力。

(2)智能化。從給定任務(wù)目標(biāo)到任務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，全程無(wú)人工參與，全部依托體系內(nèi)資源自行判斷、決策。

(3)適應(yīng)性。能夠適應(yīng)未曾預(yù)料情形，自主完成任務(wù)目標(biāo)。

(4)準(zhǔn)確性。能夠確保目標(biāo)和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.3 體系要素

智能航天體系主要包括五大要素：

(1)智能航天制造。包括衛(wèi)星智能研制、運(yùn)載智能研制，地面系統(tǒng)智能化。

(3)智能目標(biāo)規(guī)劃。包括智能目標(biāo)理解、智能任務(wù)清單生成等。

(4)智能任務(wù)實(shí)施。包括智能任務(wù)規(guī)劃、智能資源調(diào)度、智能環(huán)境感知、智能信息支援、智能服務(wù)鉸鏈等。

(5)智能效能評(píng)估。包括智能數(shù)據(jù)處理、智能效果評(píng)估、智能結(jié)果反饋等。

圖2 智能航天體系要素Fig.2 Elements of intelligent space system

4 智能航天體系架構(gòu)設(shè)想

4.1 需求分析

(1)天基信息自動(dòng)化保障需求。航天地面處理與應(yīng)用系統(tǒng)均有不同程度的人為參與，人工環(huán)節(jié)多，機(jī)器對(duì)機(jī)器的閉環(huán)控制回路尚未打通。影響天基信息保障的自動(dòng)化、時(shí)效性、客觀性。

(2)自主星上處理、星間協(xié)同、在軌服務(wù)能力需求。天基計(jì)算存儲(chǔ)共享環(huán)境尚未構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)自主星上處理、星間協(xié)同、在軌數(shù)據(jù)直接服務(wù)到用戶的設(shè)想還存在差距。

(3)自適應(yīng)、自組織、自學(xué)習(xí)、自提升等智能化應(yīng)用能力需求。目前航天自動(dòng)化還停留在低級(jí)智能階段，知識(shí)庫(kù)、樣本庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、特性庫(kù)、算法庫(kù)建設(shè)和天基大數(shù)據(jù)積累有待加強(qiáng)。

(4)航天體系效能最優(yōu)化需求。對(duì)體系布局、協(xié)同配合、流程優(yōu)化、軟環(huán)境建設(shè)、軟潛能挖掘不夠，影響總體性能、體系效能發(fā)揮。

4.2 設(shè)計(jì)原則

(1)性能優(yōu)異。實(shí)現(xiàn)體系能力彈性設(shè)計(jì)、天基資源配置合理優(yōu)化、地基資源高度集成智能。

(2)安全性強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)高級(jí)別的安全體系架構(gòu)和高安全保護(hù)等級(jí)。

(3)可用性好。確保系統(tǒng)在一個(gè)或部分節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)不可預(yù)期問(wèn)題時(shí)，整體依然可用。

(4)可擴(kuò)展性。當(dāng)增加功能時(shí)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)擴(kuò)展或能力提升，確保對(duì)體系更改或變動(dòng)影響最小。

(5)智能性高。系統(tǒng)具備深度學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化的能力，不斷提高完成任務(wù)目標(biāo)的能力。

4.3 體系架構(gòu)初步設(shè)想

面向智能航天發(fā)展需求，從基礎(chǔ)設(shè)施、算法、體系和應(yīng)用4個(gè)層次構(gòu)建智能航天體系，如圖3所示，各層次具體內(nèi)容包括：

(1)基礎(chǔ)設(shè)施層。包括底層基礎(chǔ)和物理形態(tài)。底層基礎(chǔ)包括長(zhǎng)期累積空間大數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)生目標(biāo)庫(kù)、特征庫(kù)、算法庫(kù)、規(guī)則庫(kù)、樣本庫(kù)、知識(shí)庫(kù)等數(shù)據(jù)庫(kù)，以及天基計(jì)算存儲(chǔ)共享環(huán)境等；物理形態(tài)包括天地一體化綜合平臺(tái)，如通信網(wǎng)絡(luò)、時(shí)空基準(zhǔn)、環(huán)境感知、與其他資源鉸鏈平臺(tái)和一體化地面支持系統(tǒng)等。

(2)算法層。包括基于機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)的智能航天應(yīng)用基礎(chǔ)算法。機(jī)器學(xué)習(xí)通過(guò)利用底層基礎(chǔ)的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析導(dǎo)出規(guī)則或流程用于解釋數(shù)據(jù)或預(yù)測(cè)未來(lái)數(shù)據(jù)；深度學(xué)習(xí)通過(guò)建立類似于人腦的分層模型結(jié)構(gòu)，對(duì)輸入數(shù)據(jù)逐級(jí)提取從底層到高層的特征，從而建立從底層信號(hào)到高層語(yǔ)義的映射。

圖3 智能航天體系架構(gòu)設(shè)想Fig.3 Preliminary conception of intelligent space architecture

(3)系統(tǒng)層。包括智能彈性空間系統(tǒng)和智能任務(wù)規(guī)劃、實(shí)施和評(píng)估系統(tǒng)。智能彈性空間系統(tǒng)需要完成大型空間節(jié)點(diǎn)與星群節(jié)點(diǎn)綜合配置，星間物聯(lián)系統(tǒng)構(gòu)建；智能任務(wù)規(guī)劃、實(shí)施和評(píng)估系統(tǒng)運(yùn)用智能處理技術(shù)，依托地面處理中心或天基信息港進(jìn)行聯(lián)合任務(wù)規(guī)劃與評(píng)估，構(gòu)建智能航天應(yīng)用，縮短任務(wù)目標(biāo)到實(shí)施評(píng)估的決策響應(yīng)時(shí)間。

(4)應(yīng)用層。提供天基網(wǎng)絡(luò)能力、云導(dǎo)航能力、智能環(huán)境感知能力和智能應(yīng)用與服務(wù)等能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前，各航天強(qiáng)國(guó)為搶占航天制高點(diǎn)都在推出人工智能在航天領(lǐng)域應(yīng)用的強(qiáng)有力政策，政策機(jī)遇和技術(shù)挑戰(zhàn)并存。針對(duì)我國(guó)當(dāng)前航天領(lǐng)域人工智能研究較為零散，系統(tǒng)性不夠，對(duì)智能航天體系認(rèn)識(shí)不充分等問(wèn)題，本文從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，研究提出智能航天體系框架，構(gòu)建“AI+航天系統(tǒng)”綜合體系，全面系統(tǒng)梳理了智能航天發(fā)展的能力需求與重點(diǎn)方向，可為提前布局智能航天基礎(chǔ)設(shè)施、算法、體系和應(yīng)用等各層次的研究，推動(dòng)智能航天發(fā)展提供參考。