海量航天器在軌安全智能管控技術(shù)研究與展望

王曉晨，陳琦，劉鵬，李鴻飛

（中國空間技術(shù)研究院總體設(shè)計(jì)部，北京100094）

1 引言

近年來，隨著以星鏈 （Starlink）、一網(wǎng) （One-Web）為代表的多個(gè)巨型低軌星座方案的逐步提出、設(shè)計(jì)和部署，數(shù)量龐大的巨型低軌星座因其低成本、高效益、快速部署能力等優(yōu)勢成為衛(wèi)星設(shè)計(jì)發(fā)展的重要趨勢和未來在軌航天器的主要組成部分［1，2］。巨星星座迅猛部署，使在軌航天器數(shù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，如圖1所示。這些對航天器傳統(tǒng)在軌管理工作帶來了巨大的壓力與挑戰(zhàn)。

圖1 全球2013－2020年發(fā)射航天器數(shù)量Fig.1 Number of spacecraft launched during 2013-2020

雖然目前在軌航天器的監(jiān)視、診斷、處置均不同程度地實(shí)現(xiàn)了自動化和部分智能化，但各環(huán)節(jié)間尚未完全實(shí)現(xiàn)聯(lián)動，許多環(huán)節(jié)需要人工參與。未來，在軌航天器規(guī)模將數(shù)以萬計(jì)，軌道維持、碰撞規(guī)避等操作將更加頻繁，策略也將更加復(fù)雜，在人員資源有限的情況下，亟需提升海量航天器在軌安全的智能管控能力，實(shí)現(xiàn)對在軌航天器從問題發(fā)現(xiàn)、策略制定、策略驗(yàn)證到處置實(shí)施全流程的智能管理。隨著空間交通管理相關(guān)政策、法律法規(guī)的深入研究，航天器在軌安全智能管理技術(shù)也需要面向“海量”、面向 “空間交通管理”提升。本文提出了航天器在軌安全智能管控技術(shù)體系，介紹了研究現(xiàn)狀，分析了面向海量航天器在軌管理的問題與挑戰(zhàn)，提出了未來發(fā)展建議。

2 航天器在軌安全智能管控技術(shù)體系及現(xiàn)狀

面向航天器在軌安全的智能管控技術(shù)主要包括對航天器運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)視、智能診斷、異常問題的智能處置、仿真驗(yàn)證等方面，技術(shù)體系如圖2所示。其中航天器數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù)作為支撐性技術(shù)，主要解決航天器在軌管理相關(guān)數(shù)據(jù)、信息的融合管理、挖掘應(yīng)用問題；航天器在軌智能診斷技術(shù)、航天器在軌智能處置技術(shù)、航天器在軌仿真與驗(yàn)證技術(shù)作為核心技術(shù)，主要解決在軌航天器狀態(tài)可知道、問題可處置、策略可驗(yàn)證等問題。

圖2 航天器在軌安全智能管控技術(shù)體系Fig.2 Intelligent management and control technology system for spacecraft in-orbit safety

2.1 航天器在軌數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù)

海量航天器的在軌數(shù)據(jù)呈現(xiàn)數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)類型多等特點(diǎn)，數(shù)據(jù)融合與管理技術(shù)的發(fā)展目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)融合、高效存儲、快速查詢和分析挖掘等。

航天器在軌運(yùn)行產(chǎn)生的相關(guān)數(shù)據(jù)種類豐富，包括遙測數(shù)據(jù)、遙控指令、測控事件、異常信息、軌道根數(shù)等，這些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)不一樣，存儲方式也有差異。對于遙測數(shù)據(jù)這種數(shù)據(jù)規(guī)模大、實(shí)時(shí)性高、屬性少的數(shù)據(jù)，采用了非關(guān)系型分布式數(shù)據(jù)庫存儲，而對于其他的測控事件、異常信息等非遙測數(shù)據(jù)，由于數(shù)據(jù)量較小、屬性較多、關(guān)聯(lián)關(guān)系復(fù)雜，則采用了甲骨文等關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲?，F(xiàn)有的多源數(shù)據(jù)集成技術(shù)大致分為倉庫法和虛擬法2種實(shí)現(xiàn)方式：

（1）倉庫法：該方法要建立數(shù)據(jù)倉庫，將分散在各數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)副本統(tǒng)一集中存儲在數(shù)據(jù)倉庫中，其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)遷移和維護(hù)麻煩，成本較高。

（2）虛擬法：該方法是在不改變數(shù)據(jù)存儲位置的前提下，在用戶與數(shù)據(jù)源間建立虛擬層，屏蔽底層數(shù)據(jù)源差異，為用戶提供統(tǒng)一的全局視圖，實(shí)際應(yīng)用更為廣泛。

但是對于數(shù)據(jù)挖掘而言，上述兩種方法均不適合直接在原始數(shù)據(jù)上進(jìn)行挖掘分析，而是首先要進(jìn)行清洗、去重、補(bǔ)全、合并、剔除與挖掘主題明顯無關(guān)的數(shù)據(jù)等預(yù)處理操作，其處理效果將影響到數(shù)據(jù)挖掘的效率、準(zhǔn)確率以及最終模式的有效性。

2.2 航天器智能診斷技術(shù)

在軌航天器智能診斷技術(shù)從規(guī)則來源上可劃分為基于先驗(yàn)知識與基于機(jī)器學(xué)習(xí)兩大類。

基于先驗(yàn)知識的智能診斷技術(shù)主要包括基于閾值的故障診斷；基于模型的故障診斷 （基于定量模型、基于故障樹、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等）；基于信號分析 （小波變換法、S變換法、希爾伯特－黃變換法等）等［3，4］?；谙闰?yàn)知識的智能診斷其優(yōu)點(diǎn)是診斷的結(jié)果比較準(zhǔn)確，缺點(diǎn)是對先驗(yàn)知識依賴比較大，受限于人的知識水平和知識積累。

企業(yè)生存發(fā)展的基礎(chǔ)性資源，就是施工技術(shù)管理，在公路工程施工技術(shù)管理中占有不可替代的重要作用。但是，因?yàn)槲覈鴩鴥?nèi)工程競爭的激烈性，通常都是處于一哄而上的尷尬局面，使得我國市場競爭模式?jīng)]有秩序性，而施工企業(yè)之間的競爭最為激烈，只有強(qiáng)化我國公路工程施工技術(shù)管理的工作，才能夠讓企業(yè)處于不敗的地位。

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的在軌航天器智能診斷技術(shù)重點(diǎn)解決如何在已積累的、大量高維高密度的在軌數(shù)據(jù)中，提取知識和規(guī)則。機(jī)器學(xué)習(xí)中的無監(jiān)督學(xué)習(xí)算法主要應(yīng)用了聚類算法，有監(jiān)督學(xué)習(xí)算法研究較多，主要有貝葉斯網(wǎng)絡(luò)，支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)等算法［5，6］。面向航天器在軌遙測數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)中，一般根據(jù)不同的目標(biāo)采用不同的機(jī)器學(xué)習(xí)方法，實(shí)現(xiàn)對診斷規(guī)則的學(xué)習(xí)挖掘，如采用絕對灰度關(guān)聯(lián)分析和相關(guān)性分析方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)規(guī)則挖掘，發(fā)現(xiàn)不同參數(shù)的隱含關(guān)系；采用基于支持向量回歸時(shí)間序列（SVR）預(yù)測技術(shù)對航天器關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢進(jìn)行分析；采用基于概念漂移的在軌故障分析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)異常知識、故障模式異常和系統(tǒng)異常知識的獲取等。

工程實(shí)踐上，國內(nèi)外主要航天器在軌管理機(jī)構(gòu)，主要采用多方法融合的故障診斷系統(tǒng)，以基于先驗(yàn)知識的診斷規(guī)則為主、基于機(jī)器學(xué)習(xí)的診斷規(guī)則為補(bǔ)充，圖3所示為已應(yīng)用于200余顆航天器并行管理的多星智能診斷系統(tǒng)的信息流圖。

圖3 多星智能診斷系統(tǒng)信息流Fig.3 Information flow of multi-satellite intelligent diagnosis system

2.3 航天器在軌智能處置技術(shù)

航天器在軌智能處置技術(shù)主要從星上智能自主處置、地面系統(tǒng)智能處置等方面開展研究，關(guān)鍵是處置策略制定的及時(shí)性、正確性，策略執(zhí)行的準(zhǔn)確性、可靠性。

星上智能自主處置技術(shù)的目標(biāo)是讓衛(wèi)星能夠自主識別在軌故障，自主制定處置并執(zhí)行策略。典型自主健康管理體系結(jié)構(gòu)如圖4所示，由美國國家航空航天局 （NASA）開發(fā)，通過系統(tǒng)重構(gòu)完成故障處置［7］。目前，我國在軌航天器對故障的自主處置能力距離智能化仍有差距，主要面向穩(wěn)態(tài)或既定流程具有一定的自主健康管理和處置能力，如自主復(fù)位、自主切機(jī)、轉(zhuǎn)安全模式等。

圖4 基于Livingstone的自主健康管理系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)Fig.4 Architecture of autonomous health management system based on Livingstone

地面系統(tǒng)智能處置技術(shù)的目標(biāo)是通過地面系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)處置策略的自主制定、自主發(fā)令。目前多數(shù)的多星智能診斷系統(tǒng)均提供策略制定的接口，但策略與診斷規(guī)則的捆綁性很強(qiáng)，即針對某一確定性異常自主制定處置策略并自主執(zhí)行，綜合考慮故障定位的準(zhǔn)確性和自主發(fā)令的風(fēng)險(xiǎn)性等因素，目前自主處置重點(diǎn)面向重復(fù)性、風(fēng)險(xiǎn)性較低的異常或有極其明確判據(jù)的異常。除制定策略外，地面系統(tǒng)還需要解決測控資源自主規(guī)劃、調(diào)度的問題，常用算法有確定型算法、啟發(fā)式算法、人工智能算法等幾類，各類算法各有優(yōu)缺點(diǎn)，隨著計(jì)算機(jī)處理能力的大幅提高，人工智能算法被廣泛研究，如遺傳算法、免疫算法、粒子群算法、蟻群算法等。

2.4 航天器在軌仿真與驗(yàn)證技術(shù)

航天器在軌仿真與驗(yàn)證技術(shù)主要是通過研究全數(shù)字或半物理的航天器仿真系統(tǒng)，能夠模擬不同平臺航天器的飛行過程、測控事件、工作模式、故障現(xiàn)象等，實(shí)現(xiàn)對航天器處置策略的仿真驗(yàn)證，以確保處置策略的正確性和有效性。主要實(shí)現(xiàn)航天器的邏輯仿真 （如控制測量部件、執(zhí)行部件、模式切換、電源能源平衡、蓄電池充放電控制、母線電壓變化等邏輯關(guān)系）、遙測遙控仿真、故障仿真等，仿真的精度主要取決于模型的準(zhǔn)確性。

為了面向多航天器并行仿真的需要，在傳統(tǒng)的單星仿真技術(shù)基礎(chǔ)上，采用基于微服務(wù)的多星并行控制仿真系統(tǒng)架構(gòu)，軟件主體保證基本功能，型號配置文件來規(guī)定衛(wèi)星間特殊設(shè)計(jì)屬性。仿真模型采用標(biāo)準(zhǔn)化的模型組件接口規(guī)范開發(fā)和組裝，封裝為微服務(wù)容器模式，實(shí)現(xiàn)仿真模型的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和組件化。

3 海量航天器在軌安全管控技術(shù)挑戰(zhàn)與思考

（1）航天器在軌數(shù)據(jù)融合與管理方面

海量航天器的數(shù)據(jù)量更大，僅以遙測數(shù)據(jù)測算要從目前PB級向EB級存儲能力提升，并且數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)關(guān)系更加復(fù)雜，數(shù)據(jù)快速檢索與挖掘應(yīng)用的難度更大。同時(shí)，隨著商業(yè)航天的興起，衛(wèi)星的運(yùn)營商越來越多，數(shù)據(jù)的多源化特點(diǎn)也更加顯著。

應(yīng)對海量數(shù)據(jù)融合和管理應(yīng)充分利用云技術(shù)，通過云部署實(shí)現(xiàn)硬件資源虛擬化和動態(tài)管控，達(dá)到資源的最大化統(tǒng)籌；通過云存儲實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)靈活接入和快速融合，便于跨領(lǐng)域、跨部門的數(shù)據(jù)整合；通過云服務(wù)為航天器運(yùn)營商、政府部門等用戶提供一站式的信息服務(wù)。

（2）航天器在軌智能診斷方面

目前的航天器智能診斷技術(shù)更多地關(guān)注航天器本身的健康情況和具體故障，對國際上空間運(yùn)行準(zhǔn)則要求等方面鮮有考慮。如果將航天器類比為汽車，目前主要關(guān)注汽車本身的性能指標(biāo)是否正常，而沒有關(guān)注它是否違反交通規(guī)則或行駛的路面上有何危險(xiǎn)點(diǎn)。目前一些國際標(biāo)準(zhǔn)，如空間碎片減緩要求等，尚未成為責(zé)任追究的剛性要求，但未來面向 “海量”航天器的管理，這些標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行將更加嚴(yán)格。

航天器在軌智能診斷技術(shù)一方面要面向航天器本體健康，持續(xù)深入研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)的智能化診斷方法，提高診斷的準(zhǔn)確性、預(yù)測性；另一方面，也要研究空間環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)要素和空間管理法律法規(guī)等外部因素的規(guī)則化描述，并引入航天器故障診斷系統(tǒng)，提升診斷的全面性。

（3）航天器在軌智能處置方面

海量航天器除現(xiàn)有的常規(guī)操作控制、故障處置外，碰撞規(guī)避必將更加頻繁。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來，我國的黃色預(yù)警每年達(dá)100余次，近5年實(shí)施規(guī)避操作達(dá)50余次，而2020年呈顯著增長態(tài)勢。一些主要的航天機(jī)構(gòu)建立了碎片演化模型對空間碎片未來的分布情況進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明即使在不再發(fā)射的前提下，未來空間碎片還會繼續(xù)增長。文獻(xiàn) ［8］中預(yù)測，如果在1100km軌道部署4320顆衛(wèi)星規(guī)模的星座，200年后碰撞次數(shù)將增加849.1%。因此，隨著近地空間日趨擁擠，海量航天器在軌運(yùn)行的碰撞風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)一步增大，航天器的智能規(guī)避處置能力亟待提升。

航天器在軌智能處置技術(shù)一方面要繼續(xù)深化航天器智能處置技術(shù)研究，使航天器不僅能夠?qū)Ρ倔w的健康情況進(jìn)行報(bào)警、預(yù)警和處置，也能夠根據(jù)所處空間環(huán)境情況，進(jìn)行自主判別、自主處置。另一方面，為確保處置的可靠性和安全性，應(yīng)加強(qiáng)天地一體化的設(shè)計(jì)，天地聯(lián)合、自主運(yùn)行。

（4）航天器在軌仿真與驗(yàn)證方面

未來，隨著空間交通管理相關(guān)法律法規(guī)研究的不斷深化，責(zé)任體系將進(jìn)一步健全。仿真驗(yàn)證技術(shù)不僅要實(shí)現(xiàn)對航天器本身運(yùn)行邏輯和故障的仿真，更要面向整個(gè)空間交通情況進(jìn)行仿真。

航天器在軌仿真與驗(yàn)證技術(shù)一方面要持續(xù)深化數(shù)字孿生技術(shù)的研究應(yīng)用，不斷提升仿真精度；另一方面，面向空間整體運(yùn)行情況，要強(qiáng)化空間體系和態(tài)勢的仿真，通過平行系統(tǒng)的仿真，驗(yàn)證空間交通管制策略，確保處置策略的正確性和最優(yōu)性。

4 未來發(fā)展建議

綜合上述形勢發(fā)展與挑戰(zhàn)，未來面向海量航天器在軌安全智能管控應(yīng)充分運(yùn)用云技術(shù)、人工智能等前沿技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對在軌航天器從體系到局部、從分散到整合、從天地分治到天地一體的智能化管控。

（1）面向海量航天器在軌并行管理，構(gòu)建航天器在軌安全管控云平臺

海量航天器在軌并行重點(diǎn)要解決 “海量”的問題，要提升數(shù)據(jù)的處理、存儲和融合能力，提升對新增航天器實(shí)施智能監(jiān)視、診斷、處置等業(yè)務(wù)部署效率。為此，要構(gòu)建在軌安全智能管控云平臺，實(shí)現(xiàn) “云化支撐、模型為核、知識驅(qū)動、數(shù)據(jù)融合”。平臺架構(gòu)如圖5所示，共分為四個(gè)層次。

圖5 海量航天器在軌安全智能管控云平臺架構(gòu)Fig.5 Architecture of cloud platform for in-orbit safety intelligent management and control of massive spacecraft

一是資源層，主要是采用云技術(shù)將各種分散的計(jì)算資源、網(wǎng)絡(luò)資源和存儲資源等基礎(chǔ)硬件設(shè)施虛擬化后進(jìn)行池化管理，統(tǒng)一調(diào)配使用，具備彈性伸縮機(jī)制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高可用性、硬件資源的高利用率、管理的自動化及便捷性。

二是數(shù)據(jù)層，主要是面向在軌安全管理，建立高效的模型化描述標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)字線索，構(gòu)建統(tǒng)一、規(guī)范、可共享的全域數(shù)據(jù)體系，將跨部門、跨領(lǐng)域的多源異構(gòu)數(shù)據(jù)經(jīng)采集匯聚、清洗處理后進(jìn)行規(guī)范有序的分類組織和存儲，避免重復(fù)建設(shè)和數(shù)據(jù)不一致性，并對外提供高效便捷的訪問接口。

三是中臺層，主要是將數(shù)據(jù)處理、故障診斷、模型計(jì)算等通用功能模塊采用微服務(wù)架構(gòu)封裝成標(biāo)準(zhǔn)化、高內(nèi)聚低耦合的共享服務(wù)，利用Docker容器進(jìn)行獨(dú)立部署、獨(dú)立維護(hù)、獨(dú)立擴(kuò)展，作為基礎(chǔ)服務(wù)供其他業(yè)務(wù)應(yīng)用調(diào)用，有利于業(yè)務(wù)層各系統(tǒng)的快速重構(gòu)、持續(xù)升級和迭代改進(jìn)。

四是業(yè)務(wù)層，主要面向在軌管理的實(shí)際業(yè)務(wù)，通過組合調(diào)用中臺層的各項(xiàng)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)對航天器的狀態(tài)監(jiān)視、故障診斷、態(tài)勢預(yù)測、碰撞規(guī)避、任務(wù)規(guī)劃、測控資源調(diào)度等。

（2）面向海量航天器碰撞規(guī)避實(shí)施，構(gòu)建天地一體化的自主處置模式

目前的空間碎片規(guī)避還處于一事一議階段，主要依賴人進(jìn)行策略制定和執(zhí)行。但隨著在軌航天器達(dá)到 “海量”后，頻繁的操作不僅會增加地面監(jiān)管人員的負(fù)擔(dān)，也會由于人的失誤導(dǎo)致航天器碰撞的災(zāi)難性風(fēng)險(xiǎn)。因此，在未來航天器設(shè)計(jì)上應(yīng)采用天地一體化的自主碰撞規(guī)避處置模式，如圖6所示。航天器設(shè)計(jì)上要具備空間碎片的感知能力，緊急情況下由星上自主控制執(zhí)行；非緊急情況下，執(zhí)行策略自動下傳至地面仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，如果驗(yàn)證正確則反饋星上執(zhí)行，如仿真驗(yàn)證不正確，則由航天器地面在軌管理專家對策略進(jìn)行完善，經(jīng)驗(yàn)證后執(zhí)行。

圖6 天地一體化自主規(guī)避流程Fig.6 The flow of the space-ground integrated autonomous collision avoidance

（3）面向空間交通管理，構(gòu)建空間交通管理系統(tǒng)

未來海量航天器在軌碰撞規(guī)避、頻率干擾等空間事件將顯著增加，必然推動空間交通管理相關(guān)法律法規(guī)的研究、發(fā)布和剛性執(zhí)行。為確保空間安全，應(yīng)在航天器在軌安全智能管控平臺的基礎(chǔ)上建設(shè)空間交通管理系統(tǒng)，如圖7所示。空間交通管理系統(tǒng)實(shí)時(shí)接收航天器在軌安全智能管控平臺提供的與空間交通管理相關(guān)的預(yù)警信息，根據(jù)法律法規(guī)要求，判斷責(zé)任歸屬，對可控航天器提出處置要求，對不可控航天器用戶提出管制要求或威脅預(yù)警信息，對政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)提供信息服務(wù)，確保項(xiàng)目和處置策略符合要求。

圖7 空間交通管理系統(tǒng)示意圖Fig.7 Schematic diagram of space traffic management system

5 結(jié)語

海量航天器在軌安全智能管控技術(shù)在面向航天器健康管理中發(fā)揮了重要的作用。后續(xù)工作中，應(yīng)從面向航天器健康管理和任務(wù)管理向面向空間交通管理延伸。要大力推動我國在空間交通管理方面的數(shù)據(jù)共享和能力建設(shè)，形成資源合力、技術(shù)合力，提升我國在國際上的話語權(quán)，推動航天強(qiáng)國夢想早日實(shí)現(xiàn)。