劉昭 楊艷平

摘 要：隨著商業(yè)航天的快速發(fā)展，各類衛(wèi)星星座項目的持續(xù)推進，航天器的商業(yè)應(yīng)用日趨普及，在軌航天器呈現(xiàn)出數(shù)量多、平臺多、種類多、用途廣等趨勢，重點依靠資源投入和人力增加的測控模式，已經(jīng)難以適應(yīng)未來多星、多任務(wù)、多用戶的測控服務(wù)的發(fā)展需要。近年來，人工智能技術(shù)不斷取得突破，在多類單項測試中超越人類。將人工智能的發(fā)展成果應(yīng)用到測控系統(tǒng)中，在自主測控、自主故障診斷、任務(wù)規(guī)劃、資源分配方面，采用智能化方法，促進測運控以平臺載荷為核心的管理模式向以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為核心的管理模式轉(zhuǎn)變，大大提高測控任務(wù)的完成效率和資源利用率。

關(guān)鍵詞：測控;智能化;故障自主診斷;自主測控;數(shù)據(jù)挖掘;機器學(xué)習(xí)

1 商業(yè)航天智能測運控需求分析

1.1 航天器數(shù)量快速增加

近年來，萬物互聯(lián)成為人類社會的基本要求，許多全球性或者全天候航天任務(wù)越來越復(fù)雜，衛(wèi)星將在今后一個時期內(nèi)迎來快速發(fā)展，航天器的在軌數(shù)量將會激增。衛(wèi)星星座在信息傳輸、定位導(dǎo)航、偵察觀測等領(lǐng)域，具有全球覆蓋、實時性好等先天優(yōu)勢，應(yīng)用日益廣泛。星座中衛(wèi)星的數(shù)量從數(shù)十顆，發(fā)展到數(shù)百顆，數(shù)千顆，SpaceX公司布局的Starlink星座計劃發(fā)射約42000顆衛(wèi)星。星座構(gòu)型在衛(wèi)星軌道基礎(chǔ)上，通過合理的時空布局，適應(yīng)各種應(yīng)用功能的需要。

1.2 測運控系統(tǒng)日益復(fù)雜

在軌航天器數(shù)量將越來越多，規(guī)模越來越大，類型與應(yīng)用模式越來越復(fù)雜，管控要求和難度大幅提升。相對于數(shù)量激增的在軌航天器，地面測運控系統(tǒng)將面臨著數(shù)量不足、設(shè)備短缺的問題。小衛(wèi)星需要大天線，但是小衛(wèi)星的壽命通常比較短，而地面測運控設(shè)備投入又比較大，因此要求地面測運控資源必須能夠組網(wǎng)重復(fù)使用。在傳統(tǒng)單顆衛(wèi)星的測運控任務(wù)外，對多星的同時測運控支持、多星及星座在軌運行管理等，對地面測運控網(wǎng)絡(luò)如何提供及時、有效、靈活的測運控服務(wù)提出了極高的要求，大大增加了航天測運控系統(tǒng)的負擔(dān)和操作復(fù)雜性。

1.3 測運控服務(wù)模式轉(zhuǎn)變

由于過境小衛(wèi)星承擔(dān)不同的任務(wù)，因此同一地面站必須具有多星測運控和數(shù)據(jù)采集的能力，當(dāng)多星同時過境時，地面站能實現(xiàn)多星同時測運控。因此，對測運控系統(tǒng)來說，除了建立新站以外，必須對已有測運控設(shè)備進行最大化利用并且探索新技術(shù)。沿用以往針對少量衛(wèi)星的，重點依靠投入資源和增加人力的模式已難以適應(yīng)未來測運控服務(wù)的需要，隨著各類衛(wèi)星星座等項目的持續(xù)推進，以及航天器的商業(yè)應(yīng)用日趨普及，測運控以平臺載荷為核心的管理服務(wù)模式，正在向以數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)為核心的服務(wù)管理模式轉(zhuǎn)變。

2 人工智能的發(fā)展狀況

2.1 人工智能將迎來飛躍

人工智能研發(fā)與應(yīng)用的重點領(lǐng)域主要集中在：機器學(xué)習(xí)/深度學(xué)習(xí)，計算機視覺/圖像識別，自然語言處理/語音識別，神經(jīng)形態(tài)計算/腦啟發(fā)計算，腦科學(xué)與人工智能，智能機器人/虛擬個人助理，自動駕駛/無人系統(tǒng)等。由于面向特定領(lǐng)域的人工智能技術(shù)（即專用人工智能）應(yīng)用場景需求明確、領(lǐng)域知識積累深厚、建模計算相對簡單可行，專用技術(shù)不斷取得突破，在多類單項測試中已經(jīng)超越人類，尤其是在速度和準確度方面。

近年來，各國政府紛紛加快在人工智能領(lǐng)域的戰(zhàn)略布局，將其作為提升國家競爭力的重要抓手，啟動了各類研發(fā)或技術(shù)轉(zhuǎn)移計劃，力圖占領(lǐng)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的新的制高點，美國、英國、法國與日本等國都加大了資金投入和政策傾斜力度。我國人工智能技術(shù)雖然起步較晚，但在政府與社會各界的支持與投入下，取得了迅猛的發(fā)展。我國科研機構(gòu)和企業(yè)在語音識別、圖像識別、機器翻譯、中文信息處理等方面已處于世界領(lǐng)先地位。智能芯片技術(shù)也實現(xiàn)了突破，中科院計算所團隊研制出的寒武紀神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器已成為國際競爭對手的追趕目標。自2016年起，我國快速將人工智能發(fā)展上升至國家戰(zhàn)略層面，相關(guān)政策密集出臺。2017年7月，國務(wù)院發(fā)布《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》，從戰(zhàn)略態(tài)勢、總體要求、資源配置、立法、組織等各個層面確立了我國人工智能發(fā)展規(guī)劃。隨著各國不斷加大投入，人工智能領(lǐng)域出現(xiàn)競相角逐的局面，人工智能技術(shù)將從局限于某個領(lǐng)域的專項應(yīng)用走向與大數(shù)據(jù)融合的綜合應(yīng)用，發(fā)生質(zhì)的飛躍。

2.2 智能網(wǎng)絡(luò)的特點

智能網(wǎng)絡(luò)具有自動化、自優(yōu)化、自治化的特點。自動化指鏈路發(fā)現(xiàn)、策略制定、按需資源分配等自動化控制，業(yè)務(wù)發(fā)放和運維自動化，如網(wǎng)絡(luò)事件、告警處理、故障分析等活動的自動化，這就需要網(wǎng)絡(luò)的管理和控制無縫集成，實現(xiàn)管控一體。自優(yōu)化是在自動化的基礎(chǔ)上，基于反饋的“閉環(huán)”的全局優(yōu)化。通常最簡單的閉環(huán)控制系統(tǒng)由控制器和傳感器組成，傳感器的測量作為輸入，然后將這些輸入與期望的狀態(tài)進行比較。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化要從開環(huán)走向閉環(huán)，就是將網(wǎng)絡(luò)實時采集的數(shù)據(jù)上報給分析器，分析器分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，并基于目標形成一個負反饋給管控單元，進而通過給定的策略來執(zhí)行優(yōu)化動作，形成閉環(huán)。自治化，就是在自動化和自優(yōu)化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)人工智能。自治化主要體現(xiàn)在兩個方面：一方面，在檢測網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的時候，基于人工智能算法，學(xué)習(xí)預(yù)測網(wǎng)絡(luò)上可能會出現(xiàn)的狀況;另一方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)某些狀況后，它可以基于歷史經(jīng)驗數(shù)據(jù)或者全局訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，自己生成新的策略并執(zhí)行。

網(wǎng)絡(luò)要做到智慧，需在通用的虛擬和物理資源池上基于云設(shè)計，以實現(xiàn)敏捷的業(yè)務(wù)組裝和調(diào)整。智能網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)架即：基于云平臺，管控一體的自動化，引入實時感知和深度分析的閉環(huán)自優(yōu)化，具備人工智能的自治化。

3 航天智能測運控系統(tǒng)體系架構(gòu)

航天測控系統(tǒng)的智能化是在星地測控軟件一體化的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，典型的航天任務(wù)軟件架構(gòu)如圖1所示，未來的架構(gòu)將會是多星、多中心、多站架構(gòu)。

智能化航天測控軟件核心功能應(yīng)是對實時數(shù)據(jù)和以往數(shù)據(jù)的實時處理，核心功能可放在相對獨立仿真系統(tǒng)中。其框架可設(shè)計為一個分布式系統(tǒng)，由冗余的任務(wù)服務(wù)器和客戶端工作站組成，客戶端工作站執(zhí)行數(shù)據(jù)分發(fā)和用戶接口任務(wù)，服務(wù)器與客戶端之間通過接口連接。設(shè)計的內(nèi)容包括一套獨立的模塊和子系統(tǒng)。其內(nèi)核包含的主要的子系統(tǒng)有遙測、遙控、在線數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)存檔和分發(fā)、用戶管理、事件和動作、軟件維護和外部接口等。智能化的航天測運控系統(tǒng)就是以測運控中心為大腦，傳輸鏈路為神經(jīng)，空間飛行器，地面測控站為節(jié)點的分布式架構(gòu)。

在底層模塊化、一體化的基礎(chǔ)上，頂層實現(xiàn)通用化、產(chǎn)品化，頂層功能與底層功能盡量解耦。參考電信網(wǎng)絡(luò)，原來業(yè)務(wù)和承載捆綁在一層，現(xiàn)在將其從邏輯上分為兩層：網(wǎng)絡(luò)承載層和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)層。承載層專注于可靠的連接，業(yè)務(wù)層專注于敏捷的服務(wù)。解耦之后，業(yè)務(wù)層和承載層分別有一個控制器，這兩個控制器之間縱向互聯(lián)，一個負責(zé)敏捷應(yīng)變，一個負責(zé)穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)業(yè)務(wù)自動觸發(fā)承載層動作，整體實現(xiàn)敏捷應(yīng)變。不管業(yè)務(wù)層怎么變，承載層保持穩(wěn)定可靠，形成一個可彈性擴展、即插即用的資源池，應(yīng)對上層業(yè)務(wù)變化。

3.1 測運控中心

測運控中心是測運控系統(tǒng)的核心管控部分，其主要負責(zé)：航天器的發(fā)射段測控、運行段軌道控制和應(yīng)急測控等任務(wù);對有效載荷的狀態(tài)監(jiān)視與操作控制;對所屬地面站的遠程控制和監(jiān)視;生成測控計劃;設(shè)備維護和保養(yǎng)等。通過測運控中心的智能化實現(xiàn)系統(tǒng)級資源優(yōu)化管理，提高多星、多測控設(shè)備的測運控系統(tǒng)整體星地資源的利用效率，原來分屬各家的測控設(shè)備，可以各自獨立運行，也可以接入統(tǒng)一的航天測運控網(wǎng)絡(luò)。在智能化的測運控系統(tǒng)中，測運控中心將主要體現(xiàn)在邏輯功能上，而物理形式上則既可以是集中式也可以是分布式。

3.2 星載測運控系統(tǒng)

由于受到衛(wèi)星重量及星載計算機計算能力的限制，星載處理能力較弱，除了必須在星上完成的星務(wù)管理、測控應(yīng)答、姿軌控、有效載荷管理等功能，一般把其他功能放在地面進行處理，而星地傳輸通道的容量又限制了數(shù)據(jù)的傳輸量，因此成為了實現(xiàn)測控系統(tǒng)智能化的一個瓶頸。隨著星載計算機的能力不斷提高，星載計算機為衛(wèi)星平臺和載荷提供統(tǒng)一的計算、存儲和管理功能，逐步實現(xiàn)衛(wèi)星/星座的自主控制、衛(wèi)星工況的自主判斷、數(shù)據(jù)的初級處理功能。在整個智能化測運控系統(tǒng)中星載測運控系統(tǒng)將升級為一個空間節(jié)點，實現(xiàn)星上各種數(shù)據(jù)的直接處理及衛(wèi)星的自主管控。

3.3 地面測控站

地面測控站是整個測運控系統(tǒng)中的重要節(jié)點，測控站智能化主要是實現(xiàn)對地面站設(shè)備的智能化管理，在包括設(shè)備自動化操作、故障自主診斷、運行數(shù)據(jù)分析、設(shè)備性能評估等。

4 航天測運控系統(tǒng)智能化技術(shù)應(yīng)用

面向大規(guī)模、多類型航天器體系化、高效、靈活運用的需求，基于人工智能理論與技術(shù)，開展航天任務(wù)智能規(guī)劃、站網(wǎng)資源智能調(diào)度、測運控系統(tǒng)高效運行和在軌航天器、地面裝備智能管理等技術(shù)研究，革新航天器測運控系統(tǒng)體系架構(gòu)，建立大規(guī)模在軌航天器高效管控模式，實現(xiàn)系統(tǒng)高效自主運行、用戶無感應(yīng)用，提升航天測運控系統(tǒng)的整體能力和航天器系統(tǒng)的運用效能。從航天器自主測控、自主診斷、天地測運控資源智能分配入手，可以將航天器智能測運控技術(shù)分解為幾個子模塊。

4.1 航天器故障自主診斷與異常處置

建立航天器個性化健康檔案，形成航天器特性數(shù)據(jù)庫，形成同平臺、同型號不同航天器的個性化管理。建立個性化異常處置數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)星地數(shù)據(jù)庫同步。建立系統(tǒng)模型，將故障現(xiàn)象進行抽象類化，通過基于AI的系統(tǒng)故障經(jīng)驗學(xué)習(xí)、系統(tǒng)故障樹知識比對、系統(tǒng)故障推演仿真等方法，實現(xiàn)從快速發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障、快速分析判斷到快速定位出故障點的智能化處理，提出系統(tǒng)級處置方案，提高航天器自主診斷、自主異常處置的能力。

4.2 航天器自主測控與空間資源管理

建立星地一體測運控管理模式，實現(xiàn)航天器自主測控結(jié)果和測控原始數(shù)據(jù)的同步傳輸。由航天器自主判新并報告工況，實現(xiàn)預(yù)案可控條件下的航天器自主測控。

研究多星多任務(wù)系統(tǒng)空間資源的智能化管理技術(shù)，在航天器自主測控的基礎(chǔ)上，建立空間資源智能化管理系統(tǒng)，運用現(xiàn)代科技的新成果，對在空間中高速運動的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)進行快速分析，實現(xiàn)星間鏈路、天基測控等多星多任務(wù)系統(tǒng)的動態(tài)管理。

4.3 地面資源智能調(diào)度技術(shù)

在地面資源集中管理的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)多任務(wù)系統(tǒng)的任務(wù)規(guī)劃與星地多種資源之間的智能優(yōu)化，通過制定系統(tǒng)綜合的資源使用優(yōu)化策略，在提高資源使用效率的同時提高任務(wù)完成時效和用戶整體滿意度。采用分布式中心、隨遇接入技術(shù)，提高系統(tǒng)的可靠性和用戶接入的靈活性。通過對設(shè)備監(jiān)測數(shù)據(jù)的深度挖掘，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在故障，隨時評估地面系統(tǒng)的效能。

4.4 星座自主構(gòu)型保持技術(shù)

研究在航天器自主測定軌的基礎(chǔ)上，提出星座自主構(gòu)型保持的總體架構(gòu)、星上分布式計算方法和主從星控制策略等，實現(xiàn)在沒有地面控制的情況下，星座能夠長期自主保持構(gòu)型。

4.5 數(shù)據(jù)挖掘與仿真技術(shù)

研究基于AI的智能化數(shù)據(jù)分析技術(shù)，通過對各類航天器測試、應(yīng)用及遙測等海量數(shù)據(jù)進行分析，為航天器狀態(tài)監(jiān)測、性能評估、總體設(shè)計、器件選取等提供量化的分析評估結(jié)果。運用機器學(xué)習(xí)技術(shù)，在目前航天器狀態(tài)仿真的基礎(chǔ)上建立航天器的行為仿真，通過對任務(wù)模式和故障模式的仿真推演，自動生成航天器行為知識集，預(yù)測航天器系統(tǒng)的運行狀況。

5 航天測運控系統(tǒng)智能化關(guān)鍵技術(shù)探討

為了實現(xiàn)航天器全天域、全時域有效測運控和在軌故障主動預(yù)防、快速反應(yīng)和綜合規(guī)劃，滿足在軌服務(wù)任務(wù)設(shè)計、支持、操作以及新技術(shù)發(fā)展需要，需制定長期有效的資源管控策略，以期實現(xiàn)全天域多種衛(wèi)星、多種載荷共用一套地面測運控/數(shù)傳站網(wǎng)，統(tǒng)一管理，高效運控，快速反應(yīng)，資源高度共享的終極目標。通過智能化的云計算平臺，衛(wèi)星數(shù)據(jù)或情報的分發(fā)可以通過用戶或企業(yè)定制相應(yīng)服務(wù)的形式完成，用戶接入云計算平臺后提交服務(wù)申請，然后由云服務(wù)提供商或云端進行服務(wù)申請?zhí)幚?，最后返回用戶要求的?shù)據(jù)。

測運控智能化主要是將灰色系統(tǒng)理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等已經(jīng)在人工智能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用的理論，應(yīng)用于航天測控，其關(guān)鍵在于基于機器學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，使用一定的初始輸入對實時數(shù)據(jù)以及歷史數(shù)據(jù)進行分析挖掘，將數(shù)據(jù)分析的結(jié)果用于對既有的知識、規(guī)則、策略的完善，再使用完善后的規(guī)則進行下一輪的數(shù)據(jù)分析挖掘，數(shù)據(jù)分析結(jié)果，一方面用于對系統(tǒng)性能的評估、系統(tǒng)優(yōu)化、任務(wù)規(guī)劃等對外輸出，另一方面用于對已有知識、規(guī)則、策略等內(nèi)核部分進行修改完善，形成多重反饋機制，經(jīng)過n輪迭代，最終達到控制條件要求，如圖2所示。

知識的自動獲取是實現(xiàn)智能化的前提，在測運控領(lǐng)域可以通過對歷史案例的歸納整理、汲取專家經(jīng)驗、系統(tǒng)仿真推演等方法實現(xiàn)。測運控系統(tǒng)利用各種高精度的遙、外測設(shè)備采集大量的遙測信息和外測信息，智能測運控軟件則對這些信息進行匯集、分析和處理，通過挖掘各種現(xiàn)象之間的內(nèi)在聯(lián)系，進一步發(fā)掘各部分之間的關(guān)聯(lián)性，從而發(fā)現(xiàn)新的規(guī)律。而在掌握規(guī)律的基礎(chǔ)上，改變或重新制定數(shù)據(jù)處理規(guī)則。智能測運控軟件在性能上要求高實時性、一定精度和結(jié)構(gòu)靈活;在質(zhì)量上要求實現(xiàn)可靠性、可用性、可維護性、可移植性和高效率。

數(shù)據(jù)處理規(guī)則的生成是智能化的核心，在知識獲取的基礎(chǔ)上生成多維度的數(shù)據(jù)處理規(guī)則，針對實時數(shù)據(jù)或非實時數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)或非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、合作目標數(shù)據(jù)或非合作目標數(shù)據(jù)等等，分別生成數(shù)據(jù)處理規(guī)則，從大量的數(shù)據(jù)分析中得出收斂的涵蓋于多個方面的結(jié)論。通過對匯集的各種數(shù)據(jù)的智能化處理，達到既能支持實時任務(wù)響應(yīng)，又能進行非實時任務(wù)規(guī)劃;既能對航天器系統(tǒng)整體效能做出科學(xué)的評估，又能對各設(shè)備或器件性能進行準確的測評。

6 航天測運控智能化的發(fā)展應(yīng)用前景

當(dāng)前商業(yè)航天進入快速發(fā)展階段，各種航天器發(fā)射計劃數(shù)量多、規(guī)模大。以往一個測運控中心就可以管理分屬各家的各種類型的所有航天器，現(xiàn)在一個星座的運行就需要一個測運控中心，用于商業(yè)運作的航天測運控系統(tǒng)也紛紛建立，這就由以往的航天器集中管理模式，轉(zhuǎn)變?yōu)榉謱儆诙鄠€測運控中心的模式。測運控中心的建設(shè)由以往主要依靠增加資源和人力投入的發(fā)展方式必須進行改變，而測運控系統(tǒng)的智能化適應(yīng)了這種形勢，可以提高測控網(wǎng)絡(luò)的整體效率，降低航天系統(tǒng)的成本，突破航天器測運控管理的瓶頸，使航天器的測控管理產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。測運控系統(tǒng)的智能化將成為一個發(fā)展趨勢，伴隨著航天業(yè)務(wù)的快速增長迎來廣泛應(yīng)用。

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