陳 拯，劉宇辰，張小林

（1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江嘉興 314033；2.中國人民解放軍 32032 部隊(duì)，北京 100094）

0 引言

以“大數(shù)據(jù)、新算法、高算力”的技術(shù)進(jìn)步為基礎(chǔ)，新一代人工智能正在加速發(fā)展與應(yīng)用。人工智能已逐步在精準(zhǔn)分布感知、在線效能評(píng)估、危險(xiǎn)快速判斷、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)獲取、靈巧精細(xì)操作、博弈決策生成、群體協(xié)同等方面開始接近或超越人類，具備了初步的感知、認(rèn)知、學(xué)習(xí)和自主行動(dòng)能力，催生出大量新技術(shù)、新產(chǎn)品、新產(chǎn)業(yè)、新業(yè)態(tài)和新模式。人工智能是引領(lǐng)未來的戰(zhàn)略性技術(shù)，世界主要發(fā)達(dá)國家把發(fā)展人工智能作為提升軍事航天領(lǐng)域的競爭力、維護(hù)太空安全的重大戰(zhàn)略，加緊出臺(tái)規(guī)劃和政策，圍繞核心技術(shù)、頂尖人才、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等強(qiáng)化部署，加大智能自主控制技術(shù)的研發(fā)力度，力圖在新一輪的太空領(lǐng)域競爭中掌握主導(dǎo)權(quán)。

在深空探測、小天體著陸、大型變結(jié)構(gòu)航天器等軍事航天任務(wù)中，需要用智能化的方法和手段研究自主規(guī)劃、自主導(dǎo)航、自主控制、自主故障檢測等關(guān)鍵技術(shù)。人工智能技術(shù)的發(fā)展，可以為軍事航天系統(tǒng)小型化、輕量化、智能化、低功耗以及自主可控的需求提供系統(tǒng)解決方案。對(duì)設(shè)計(jì)而言，大數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以對(duì)軍事航天裝備設(shè)計(jì)和制造的過程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、分析和處理，實(shí)現(xiàn)研制經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)分析。數(shù)字孿生、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)等技術(shù)，可以把軍事航天工程與虛擬現(xiàn)實(shí)更加緊密地結(jié)合在一起，大大提升設(shè)計(jì)能力，研制生產(chǎn)出更加便捷廉價(jià)的軍事航天裝備，降低軍事航天的成本。人工智能技術(shù)與航天裝備制造領(lǐng)域的不斷融合，引發(fā)了軍事航天發(fā)展理念、研制生產(chǎn)模式、制造手段和價(jià)值鏈的重大變革，將成為未來推動(dòng)軍事航天科技跨越發(fā)展的重要引擎。

國內(nèi)針對(duì)人工智能技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用也開展了諸多研究。席政提出了利用人工智能解決航天飛行任務(wù)自動(dòng)規(guī)劃難題的方法，王瓊等圍繞任務(wù)規(guī)劃等方面研究了火星移動(dòng)智能體的相關(guān)技術(shù)，李德仁等提出了人工智能技術(shù)應(yīng)用于對(duì)地觀測衛(wèi)星形成對(duì)地觀測腦的概念。與歐美等發(fā)達(dá)國家相比，我國軍事航天領(lǐng)域人工智能應(yīng)用的整體水平還存在較大的差距，特別是缺少重大原創(chuàng)性成果，對(duì)新一代人工智能的理論方法與技術(shù)的研究不足，在基礎(chǔ)理論、核心算法以及關(guān)鍵設(shè)備、高端芯片、基礎(chǔ)材料、元器件、軟件等方面的差距較大。

本文通過對(duì)智能化在航天裝備領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析，提煉了智能關(guān)鍵技術(shù)，展望了人工智能技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景，提出了智能航天體系框架，最后對(duì)未來智能航天的發(fā)展趨勢及特點(diǎn)進(jìn)行分析。

1 智能化在航天裝備領(lǐng)域的應(yīng)用情況分析

人工智能在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在電磁頻譜感知、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、多星協(xié)同以及空間機(jī)器人等方向，其中以美國的研究最具代表性，包括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)的行為問題進(jìn)行了研究，自動(dòng)推理系統(tǒng)主要用于故障檢測和診斷。

2）2006 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，以及在軌觀測規(guī)劃分配。

3）美國天基監(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、跟蹤天基目標(biāo)，支持衛(wèi)星在軌性能升級(jí)，如探測更小的目標(biāo)、自動(dòng)跟蹤感興趣目標(biāo)以及提高系統(tǒng)使用效率等。

4）NASA 的 深 空 探 測 計(jì) 劃 中，“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。

5）2017 年，NASA 宣布采用了Google 提供的AI模型對(duì)探測器拍攝的天文圖像進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了第二個(gè)“太陽系”。

6）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)、探測條件和最佳探測方案。NASA 未來的深空無人探測器、“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。

7）DARPA“黑杰克”項(xiàng)目中集成了Pit Boss 電子設(shè)備，提供任務(wù)級(jí)自主功能，實(shí)現(xiàn)在軌邊緣計(jì)算，管理“黑杰克”衛(wèi)星和地面用戶之間的通信，提供指揮和遙測鏈路，并加密有效載荷數(shù)據(jù)。

2 航天領(lǐng)域中的智能關(guān)鍵技術(shù)

智能技術(shù)在航天領(lǐng)域發(fā)展迅速，包括智能感知、自主決策、任務(wù)規(guī)劃、健康監(jiān)測、智能控制、群體協(xié)同、設(shè)計(jì)仿真、加工制造、倉儲(chǔ)物流、測試驗(yàn)證等。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)，就具備了智能感知、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。

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。

2）智能體系構(gòu)建：包括智能衛(wèi)星發(fā)射、智能空間組網(wǎng)、智能在軌處理、智能狀態(tài)監(jiān)測、智能維修重置等。

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。

圍繞構(gòu)建智能航天體系，需要解決以下五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 智能感知技術(shù)

利用天基平臺(tái)搭載的各種新型電磁傳感器、光電及紅外傳感器，通過先進(jìn)智能傳感和信息處理方法，通過融合不同平臺(tái)、不同傳感器、不同分辨率、不同時(shí)相的探測信息，對(duì)陸、海、空、天多域的自然環(huán)境、物理環(huán)境、攻防態(tài)勢等進(jìn)行自主、多源、異構(gòu)的全維態(tài)勢感知?；诓淮_定推理理論、多源信息融合理論等構(gòu)建態(tài)勢感知模態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)戰(zhàn)場環(huán)境和自身能力的雙重感知。

2.2 智能決策技術(shù)

根據(jù)環(huán)境與態(tài)勢變化感測信息，利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及強(qiáng)化學(xué)習(xí)等人工智能方法，構(gòu)建適用于空間航天器自主學(xué)習(xí)與自主決策的系統(tǒng)框架，形成考慮能力邊界的智能推演模型，實(shí)現(xiàn)面向多尺度耦合因素的能力推演和機(jī)制重建。

2.3 智能任務(wù)規(guī)劃

針對(duì)復(fù)雜的戰(zhàn)場資源，綜合考慮作戰(zhàn)目標(biāo)的滿足程度（覆蓋性、可靠性等）、資源切換代價(jià)、資源部署代價(jià)等，在實(shí)時(shí)多任務(wù)作戰(zhàn)中進(jìn)行智能優(yōu)化配置；利用智能規(guī)劃程序輔助完成目標(biāo)任務(wù)規(guī)劃和作戰(zhàn)方案生成。

2.4 智能控制技術(shù)

根據(jù)智能感知信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行全方位識(shí)別和運(yùn)動(dòng)預(yù)測，通過智能決策系統(tǒng)確定操控策略，對(duì)目標(biāo)實(shí)施智能操控，實(shí)現(xiàn)高度智能化和集成化的靈巧捕獲機(jī)構(gòu)，并且滿足空間微重力環(huán)境下的使用需求。

2.5 智能集群協(xié)同

智能集群協(xié)同借鑒自然界的自組織機(jī)制，使具備有限自主能力的多個(gè)作戰(zhàn)裝備在沒有集中指揮控制的情況下，通過信息交互產(chǎn)生整體效應(yīng)，根據(jù)作戰(zhàn)任務(wù)和戰(zhàn)場態(tài)勢進(jìn)行協(xié)同規(guī)劃和任務(wù)分配，以最小的代價(jià)完成任務(wù)。集群智能的突出優(yōu)勢是由微弱的個(gè)體微觀行為涌現(xiàn)出強(qiáng)大的集群宏觀行為。

3 智能航天未來發(fā)展前景及趨勢

3.1 人工智能技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在航天領(lǐng)域引入人工智能技術(shù)，將在航天器的制造、運(yùn)載火箭的制造和航天器任務(wù)的飛行控制等方面帶來顛覆性的影響。下面主要從這三個(gè)方面分析人工智能技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用前景。

1）通過構(gòu)建智能化輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)，整合現(xiàn)有的海量資料及資源，模擬人腦思考的過程，形成“航天大腦”，可以根據(jù)型號(hào)需求提供總體文件的初稿；總體設(shè)計(jì)師進(jìn)行決策修改后，“航天大腦”將系統(tǒng)需要的文件自動(dòng)下發(fā)至系統(tǒng)級(jí)，并形成系統(tǒng)級(jí)文件的初稿；系統(tǒng)設(shè)計(jì)師進(jìn)行決策修改后，“航天大腦”再將單機(jī)需要的文件下發(fā)至單機(jī)。在具體設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)師僅需將設(shè)計(jì)輸入文件提交至“航天大腦”，系統(tǒng)根據(jù)需求以及設(shè)計(jì)文件完成設(shè)計(jì)工作。在設(shè)計(jì)電纜網(wǎng)圖時(shí)，設(shè)計(jì)師僅需將電纜的幾何尺寸、點(diǎn)位定義等提交至“航天大腦”，“航天大腦”會(huì)自動(dòng)繪制出電纜網(wǎng)圖的模板，給出諸如線纜型號(hào)推薦、連接器型號(hào)推薦等輔助決策信息，設(shè)計(jì)效率將大大提高。由于“航天大腦”能夠在很短的時(shí)間內(nèi)完成大量文件的學(xué)習(xí)工作，并從中找出最優(yōu)方案，設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化和設(shè)計(jì)水平也能夠得到保證。

2）運(yùn)載火箭的制造一直是一個(gè)極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程，利用積累的研制過程數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，對(duì)裝配需要的物資、工具、生產(chǎn)線、場地、工裝、人員、運(yùn)輸車輛都統(tǒng)一進(jìn)行編碼采集與實(shí)時(shí)定位管理，并與運(yùn)載火箭發(fā)射任務(wù)計(jì)劃有機(jī)對(duì)接，通過態(tài)勢分析與智能預(yù)測，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)規(guī)模進(jìn)度的最優(yōu)化預(yù)測管理、成本進(jìn)度的最優(yōu)化和突發(fā)風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)應(yīng)變處置。建立運(yùn)載火箭的綜合檔案履歷資料庫，收集制造、裝配、測試各個(gè)過程的數(shù)據(jù)與知識(shí)，構(gòu)建大數(shù)據(jù)分析中心，作為數(shù)據(jù)支撐與健康診斷的依據(jù)，降低設(shè)計(jì)和研制成本、提升測試和發(fā)射效率、提升火箭的可靠性。通過遠(yuǎn)程支持中心，能夠統(tǒng)一接收和存儲(chǔ)各靶場、各型號(hào)發(fā)回的測試數(shù)據(jù)，并通過智能搜索引擎搜索相關(guān)數(shù)據(jù)和文檔資料；針對(duì)當(dāng)前測試數(shù)據(jù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，提前識(shí)別出可能有質(zhì)量隱患的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)；當(dāng)靶場出現(xiàn)故障時(shí)，遠(yuǎn)程支持中心運(yùn)用多媒體、虛擬現(xiàn)實(shí)等手段，開展協(xié)同排除故障工作。

3）充分發(fā)揮在軌航天器的效能有效提升在軌任務(wù)的自主規(guī)劃和評(píng)估能力，涉及復(fù)雜的邏輯推理和眾多的約束條件，這些問題適合采用人工智能技術(shù)手段加以解決。將人工智能技術(shù)應(yīng)用于深空探測器，可以實(shí)現(xiàn)自主規(guī)劃，結(jié)合空間高精度、高靈敏度機(jī)械臂，通過智能分析航天器數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)故障的自主定位、自動(dòng)識(shí)別和在軌自主修復(fù)，在軌操作、組裝、拆卸和管理。

3.2 構(gòu)建以信息為核心的天基網(wǎng)絡(luò)信息裝備體系

針對(duì)軍事航天領(lǐng)域人工智能發(fā)展的迫切需求和薄弱環(huán)節(jié)，聚焦基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵共性技術(shù)的前瞻布局，包括大數(shù)據(jù)智能、跨域感知計(jì)算、混合增強(qiáng)智能、群體智能、自主協(xié)同控制與決策等理論，研究知識(shí)計(jì)算引擎與知識(shí)服務(wù)技術(shù)、群體智能關(guān)鍵技術(shù)、自主無人控制技術(shù)等。通過運(yùn)用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)軍事航天裝備的高度智能化，包括智慧的遠(yuǎn)程發(fā)射支持平臺(tái)、測試發(fā)射智慧控制平臺(tái)和全壽命周期綜合保障平臺(tái)。

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)建以信息為核心的智能航天體系，如圖1 所示，各層次具體內(nèi)容包括：

圖1 智能航天體系架構(gòu)設(shè)想

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)包括長期累積空間大數(shù)據(jù)，包括產(chǎn)生目標(biāo)庫、特征庫、算法庫、規(guī)則庫、樣本庫、知識(shí)庫等數(shù)據(jù)庫，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)測未來數(shù)據(jù)；深度學(xué)習(xí)通過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)到高層語義的映射。

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。提供高效的天基信息服務(wù)，實(shí)現(xiàn)全域感知、高速傳輸、可信通信和時(shí)空基準(zhǔn)能力。

3.3 提升天基信息裝備在軌資源與任務(wù)管控能力

人工智能在衛(wèi)星智能任務(wù)規(guī)劃、管控及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)應(yīng)用效益明顯：

1）提升單星和星座任務(wù)規(guī)劃自主程度，通過引入多智能體、深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等理論，可使在軌衛(wèi)星在不依賴地面運(yùn)控干預(yù)的條件下，即可實(shí)現(xiàn)任務(wù)自主閉合；

2）為在軌資源管控提供最優(yōu)選擇，通過深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)及相關(guān)資源管控策略，針對(duì)單星可支持熱控、能源及計(jì)算資源的精準(zhǔn)管控與高效分配，也可支持多星網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)虛擬資源池、云資源等智能管理；

3）為在軌衛(wèi)星健康運(yùn)行提供可靠保障，通過深度學(xué)習(xí)建立并維護(hù)專家知識(shí)庫，單星具備重啟復(fù)位與備份切換功能，星座網(wǎng)絡(luò)具備故障節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)、節(jié)點(diǎn)隔離等功能；

4）在數(shù)據(jù)處理方面，開發(fā)星上超算力處理芯片，支撐衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效分級(jí)分類處理及深度處理融合。

3.4 拓展天基信息服務(wù)的廣度和深度

天基信息系統(tǒng)在海量數(shù)據(jù)獲取上具有天然優(yōu)勢，綜合利用天地一體化的大數(shù)據(jù)信息服務(wù)框架（如圖2所示）可大幅提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的利用率。其應(yīng)用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：

圖2 天地一體化的大數(shù)據(jù)信息服務(wù)框架

1）提高了數(shù)據(jù)分析處理的時(shí)效性。地面完成快速訓(xùn)練，天基平臺(tái)完成推理應(yīng)用和邊緣計(jì)算，依托空間組網(wǎng)與鏈路互通，通過打造多星分布式深度處理模式，大幅提升對(duì)海量數(shù)據(jù)的處理速度。

2）提高了多源數(shù)據(jù)的利用率。充分利用天基信息多源大數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，通過信息融合的方式實(shí)現(xiàn)多源大數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補(bǔ)，整體可實(shí)現(xiàn)“1+1＞2”的效果。

3）拓展對(duì)服務(wù)產(chǎn)品的認(rèn)知與應(yīng)用。通過對(duì)海量大數(shù)據(jù)信息進(jìn)行深度挖掘分析，可透過信息表象清晰認(rèn)知到關(guān)注對(duì)象的本質(zhì)意圖，同時(shí)形成分級(jí)分類的情報(bào)專題產(chǎn)品，滿足用戶對(duì)便利化服務(wù)的需求。

4 結(jié)束語

各航天強(qiáng)國為搶占航天制高點(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)不充分等問題，本文從頂層出發(fā)，研究提出智能航天體系框架，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?！?/p>