人工智能技術(shù)在美國航天裝備領(lǐng)域的應(yīng)用分析

趙程亮 王玉藏 劉智生 王奕剛

（1 中國人民解放軍63611部隊(duì) 2 中國人民解放軍63610部隊(duì)）

航天事業(yè)經(jīng)過幾十年發(fā)展，在21世紀(jì)邁入全新時(shí)代。大數(shù)據(jù)、云網(wǎng)端、人工智能(AI)等高新技術(shù)促進(jìn)了航天事業(yè)飛速發(fā)展，加速了智能遙感衛(wèi)星、可回收火箭、載人飛船、無人駕駛探測車、深空無人探測器等一系列新型高科技航天裝備落地應(yīng)用，初步展現(xiàn)了人工智能+航天的時(shí)代雛形。空間環(huán)境廣闊單一，人工智能自主運(yùn)行、深度學(xué)習(xí)、故障診斷等技術(shù)特點(diǎn)能夠?qū)臻g任務(wù)更快響應(yīng)，更好處理日益復(fù)雜的太空探索任務(wù)。

1 引言

航天裝備是指運(yùn)行在空間中各類航天器，以及運(yùn)輸其進(jìn)入太空的運(yùn)載火箭、航天飛機(jī)等重大裝備，是人類進(jìn)入太空、探索太空、利用太空的重要依托。隨著航天裝備需求的日益增多及產(chǎn)業(yè)技術(shù)革新，人工智能技術(shù)在空間態(tài)勢感知、裝備自主健康管理、自動(dòng)化飛控、空間預(yù)警等方面的應(yīng)用越來越廣泛。美國作為當(dāng)今世界的航天強(qiáng)國，一直不斷推動(dòng)其航天裝備的智能化發(fā)展，以占領(lǐng)航天裝備技術(shù)戰(zhàn)略制高點(diǎn)?？梢灶A(yù)見，人工智能技術(shù)在未來必將對航天裝備發(fā)展產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，發(fā)展航天裝備智能技術(shù)是提升航天科技水平的重要保證。

2 人工智能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

人工智能概念自1956年在“達(dá)特茅斯會議”上被提出，至今已經(jīng)歷了三個(gè)發(fā)展階段，其智能化水平的發(fā)展從自動(dòng)完成單一指令或功能，到自主完成多個(gè)指令或全流程運(yùn)行，再到具備自我學(xué)習(xí)和自我更新優(yōu)化能力。經(jīng)過60多年的發(fā)展，人工智能在技術(shù)理論與實(shí)際應(yīng)用上均取得了突破性進(jìn)展，在多個(gè)領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用。當(dāng)前人工智能發(fā)展特點(diǎn)主要有5個(gè)方面：①向自主控制、無人化方向發(fā)展；②向人機(jī)結(jié)合、萬物互聯(lián)方向發(fā)展；③向深度學(xué)習(xí)、自我進(jìn)化方向發(fā)展；④向自組織、分布式群體智能方向發(fā)展；⑤向多語言處理、計(jì)算機(jī)視覺等跨媒體方向發(fā)展。

人工智能基礎(chǔ)技術(shù)及應(yīng)用領(lǐng)域

美國作為世界主要軍事大國與航天強(qiáng)國，對人工智能高度重視，給予大量資金與政策上的扶持。美國國防部高級研究計(jì)劃局（DARPA）、導(dǎo)彈防御局（MDA）、國防創(chuàng)新小組（DIU）、戰(zhàn)略能力辦公室（SCO）等多個(gè)科研創(chuàng)新機(jī)構(gòu)在人工智能領(lǐng)域投入大量資金，涉及空間態(tài)勢感知、自主機(jī)器學(xué)習(xí)、指揮控制決策、空間自主故障診斷等多個(gè)航天領(lǐng)域。2021年12月，美國國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)協(xié)會（NIST）發(fā)布《AI風(fēng)險(xiǎn)管理框架研究報(bào)告》，旨在道德、法律、政策等框架約束下，降低政治安全、個(gè)人隱私數(shù)據(jù)、市場就業(yè)等風(fēng)險(xiǎn)因子，促進(jìn)人工智能更好發(fā)展。

3 人工智能技術(shù)在美國航天裝備上的應(yīng)用

智能深空自主探測

深空探測無人化、高時(shí)延等特點(diǎn)要求航天裝備具有自主控制決策能力，能夠獨(dú)立執(zhí)行一系列特定任務(wù)。2021年2月，美國毅力號（Perseverance）火星車歷經(jīng)6個(gè)半月的飛行，成功登陸火星，并于2021年12月發(fā)現(xiàn)有機(jī)化學(xué)物線索?；鹦桥c地球通信時(shí)延達(dá)600s以上，地面站無法對其實(shí)時(shí)指控，需要毅力號火星車具有自主控制決策能力，克服探測過程中黑暗、寒冷、道路崎嶇不平等不利影響。毅力號火星車依靠人工智能計(jì)算機(jī)視覺為其進(jìn)行導(dǎo)航，其車載機(jī)械手臂可放射X射線分析自動(dòng)探測目標(biāo)結(jié)構(gòu)成分，并篩選收集火星土壤、巖石樣本。同時(shí)，毅力號火星搭載的先進(jìn)傳感器可自動(dòng)采集火星溫度、濕度、灰塵等大氣環(huán)境數(shù)據(jù)，并可穿透地面，獲取火星地下土壤巖石結(jié)構(gòu)圖像。

智能自動(dòng)化控制

大型航天裝備復(fù)雜、精密的結(jié)構(gòu)使其在地面與太空中具有不同的狀態(tài)結(jié)構(gòu)。2021年12月，耗資100億美元，集成美國國家航空航天局（NASA）天文學(xué)最尖端技術(shù)的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）成功發(fā)射升空。為保證正常觀測，詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡暗面需要保持溫度-225℃，盡可能利用遮陽帆阻擋來自太空中傳導(dǎo)和輻射的熱量，而為了能夠正常發(fā)射，遮陽帆在升空之前必須進(jìn)行折疊。因此，NASA設(shè)計(jì)了一個(gè)智能部署系統(tǒng)來進(jìn)行遮陽帆的展開，涉及到140多個(gè)機(jī)械展開裝置，70個(gè)合頁裝置，400個(gè)滑輪以及各式零件，必須以正確的順序在正確的時(shí)間展開，需要解決動(dòng)態(tài)元件展開時(shí)序、分布式協(xié)同精密操控、展開過程碰撞規(guī)避等關(guān)鍵技術(shù)，以保證其在太空中正常工作。

自主運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測

自主運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測主要是針對航天裝備運(yùn)行過程中的狀態(tài)故障實(shí)時(shí)告警與處理。2021年4月，美國太空探索技術(shù)公司（SpaceX）“載人龍”（Crew Dragon）飛船執(zhí)行乘員-2（Crew-2）任務(wù)，搭載4名航天員實(shí)施在軌6個(gè)月空間站維護(hù)及太空試驗(yàn)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)首次載人飛船重復(fù)回收利用。2021年9月，“載人龍”飛船搭載4名非專業(yè)航天員成功往返太空，實(shí)現(xiàn)全球首次非專業(yè)航天員載人航天任務(wù)?！拜d人龍”飛船使用全觸摸屏的自動(dòng)化智能操作系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)化飛控、全自動(dòng)對接空間站、全自動(dòng)應(yīng)急處理故障等功能，并且可在飛行過程中對飛船進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。SpaceX公司通過地面指控系統(tǒng)及狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)了解飛船運(yùn)行狀態(tài)，利用牽制釋放關(guān)鍵技術(shù)，如出現(xiàn)故障能夠及時(shí)中止發(fā)射，并重新計(jì)算發(fā)射窗口及飛行軌道。

智能衛(wèi)星集群系統(tǒng)

智能衛(wèi)星集群系統(tǒng)需要解決任務(wù)規(guī)劃、構(gòu)型保持、協(xié)同控制、數(shù)據(jù)處理、信息傳輸?shù)汝P(guān)鍵技術(shù)。美國“星鏈”（Starlink）星座計(jì)劃是由分布在300～1300km軌道空間的4.2萬余顆衛(wèi)星組成的全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。截止2021年底，已發(fā)射1900余顆“星鏈”衛(wèi)星。其建成后將對軍用通信、軍用遙感、軍用導(dǎo)航、導(dǎo)彈預(yù)警與跟蹤、導(dǎo)彈攔截、無人機(jī)控制產(chǎn)生重大影響，對美國天軍建設(shè)意義重大。應(yīng)用在“星鏈”計(jì)劃上的智能技術(shù)可全天時(shí)全天候?qū)Φ厍蜻M(jìn)行通信與監(jiān)控分析，星上數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)可對重點(diǎn)目標(biāo)自動(dòng)識別持續(xù)跟蹤，使地面態(tài)勢單向透明化。同時(shí)，其組成的龐大衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)可快速準(zhǔn)確對導(dǎo)彈和高超聲速飛行器提供預(yù)警，必要時(shí)能進(jìn)行動(dòng)能攔截，并可對無人機(jī)群進(jìn)行控制指揮，大大增強(qiáng)無人機(jī)彈性作戰(zhàn)能力。

智能自主健康管理

智能自主健康管理在航天裝備上有廣泛應(yīng)用，主要是健康檢測技術(shù)和故障處理決策方法的不同?！傍澣骸保‵lock）是美國行星實(shí)驗(yàn)室公司（Planet Labs）研制的運(yùn)行在500km軌道的對地觀測衛(wèi)星星座，可全天時(shí)對地球任意地點(diǎn)進(jìn)行觀測成像，具有重要民用、軍用價(jià)值。截至2021年底，“鴿群”衛(wèi)星已發(fā)射超過470余顆。管理數(shù)量如此龐大的衛(wèi)星群，Planet Labs公司主要靠衛(wèi)星自主運(yùn)行完成。“鴿群”衛(wèi)星通過人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)在軌自主健康管理，可根據(jù)歷史數(shù)據(jù)開展故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測、健康評估等工作。對于故障檢測處理，Planet Labs公司任務(wù)控制中心開發(fā)了數(shù)據(jù)收集檢測系統(tǒng)，可自動(dòng)根據(jù)下行數(shù)據(jù)對在軌衛(wèi)星監(jiān)測分析，并將結(jié)果寫入數(shù)據(jù)庫中，更新完善診斷系統(tǒng)自動(dòng)化解決方案。

4 人工智能技術(shù)在美國航天裝備領(lǐng)域發(fā)展趨勢

智能自主感知能力

智能自主感知就是利用電磁波、可見光、紅外線等傳感器，自主獲取周圍環(huán)境及目標(biāo)特點(diǎn)，并進(jìn)行自主識別、評估目標(biāo)威脅度。隨著深空探測任務(wù)復(fù)雜程度越來越高，深空環(huán)境下動(dòng)靜目標(biāo)感知、目標(biāo)識別、樣本采集、自主導(dǎo)航等任務(wù)對深空探測器提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)，面臨從地面數(shù)據(jù)處理到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理的轉(zhuǎn)變，需要利用人工智能技術(shù)，采用智能算法對各類傳感器數(shù)據(jù)融合整理，克服巡視探測、目標(biāo)成像、動(dòng)靜目標(biāo)分類、能量補(bǔ)充帶來的困難，在數(shù)據(jù)庫缺少目標(biāo)先驗(yàn)知識情況下找出最優(yōu)解，達(dá)成預(yù)定目標(biāo)。

指揮控制決策能力

航天任務(wù)快速響應(yīng)、復(fù)雜、多變等特點(diǎn)要求航天器具備快速反應(yīng)決策能力，可根據(jù)空間環(huán)境任務(wù)變化需求，在一定時(shí)間內(nèi)快速準(zhǔn)確進(jìn)行環(huán)境態(tài)勢感知，對航天裝備自主調(diào)控，并制定下一步行動(dòng)計(jì)劃方案，大幅降低航天器對地面站指令依賴需求，從而適應(yīng)日益復(fù)雜的太空環(huán)境任務(wù)。人工智能是航天器指揮控制決策能力的“神經(jīng)中樞”，算法是人工智能的靈魂。在太空軍備競賽中，智能算法已逐漸從理論概念走向落地應(yīng)用，成為航天裝備技術(shù)優(yōu)勢新要素，為航天裝備做出太空自主決策提供重要助力。

自主故障檢測能力

航天裝備具有造價(jià)昂貴、集成度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)，在太空工作運(yùn)行中出現(xiàn)故障需要及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理，避免造成嚴(yán)重?fù)p失。傳統(tǒng)航天器自主故障檢測技術(shù)主要有基于數(shù)據(jù)庫的專家型診斷技術(shù)和基于航天器結(jié)構(gòu)邏輯關(guān)系的測試型診斷技術(shù)，而隨著航天器可靠性與集成度的不斷提升，傳統(tǒng)技術(shù)理論越來越難以滿足需求。在人工智能+航天背景下，基于優(yōu)化算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)診斷技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過人工智能技術(shù)提取目標(biāo)航天器故障信息，進(jìn)行故障精確定位，實(shí)現(xiàn)航天器故障快速推理診斷。

5 結(jié)束語

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，空間領(lǐng)域已不是某些航天強(qiáng)國的專屬領(lǐng)域，越來越多的新用戶、新裝備、新技術(shù)進(jìn)入到航天領(lǐng)域中，航天技術(shù)的終極目標(biāo)是航天器能夠獨(dú)自長時(shí)間執(zhí)行深空任務(wù)，探索完成人類未曾觸及的空間任務(wù)。人工智能在航天技術(shù)中的應(yīng)用有助于加速人類對太空的認(rèn)識，減少空間碎片以及動(dòng)能武器等帶來的威脅，提高航天器適應(yīng)日益復(fù)雜的空間環(huán)境、空間任務(wù)能力，為人類探索太空、利用太空提供價(jià)值和幫助。