人工智能技术在美国航天装备领域的应用分析

赵程亮 王玉藏 刘智生 王奕刚

（1 中国人民解放军63611部队 2 中国人民解放军63610部队）

航天事业经过几十年发展，在21世纪迈入全新时代。大数据、云网端、人工智能(AI)等高新技术促进了航天事业飞速发展，加速了智能遥感卫星、可回收火箭、载人飞船、无人驾驶探测车、深空无人探测器等一系列新型高科技航天装备落地应用，初步展现了人工智能+航天的时代雏形。空间环境广阔单一，人工智能自主运行、深度学习、故障诊断等技术特点能够对空间任务更快响应，更好处理日益复杂的太空探索任务。

1 引言

航天装备是指运行在空间中各类航天器，以及运输其进入太空的运载火箭、航天飞机等重大装备，是人类进入太空、探索太空、利用太空的重要依托。随着航天装备需求的日益增多及产业技术革新，人工智能技术在空间态势感知、装备自主健康管理、自动化飞控、空间预警等方面的应用越来越广泛。美国作为当今世界的航天强国，一直不断推动其航天装备的智能化发展，以占领航天装备技术战略制高点。可以预见，人工智能技术在未来必将对航天装备发展产生深远影响，发展航天装备智能技术是提升航天科技水平的重要保证。

2 人工智能技术发展现状

人工智能概念自1956年在“达特茅斯会议”上被提出，至今已经历了三个发展阶段，其智能化水平的发展从自动完成单一指令或功能，到自主完成多个指令或全流程运行，再到具备自我学习和自我更新优化能力。经过60多年的发展，人工智能在技术理论与实际应用上均取得了突破性进展，在多个领域均有广泛应用。当前人工智能发展特点主要有5个方面：①向自主控制、无人化方向发展；②向人机结合、万物互联方向发展；③向深度学习、自我进化方向发展；④向自组织、分布式群体智能方向发展；⑤向多语言处理、计算机视觉等跨媒体方向发展。

人工智能基础技术及应用领域

美国作为世界主要军事大国与航天强国，对人工智能高度重视，给予大量资金与政策上的扶持。美国国防部高级研究计划局（DARPA）、导弹防御局（MDA）、国防创新小组（DIU）、战略能力办公室（SCO）等多个科研创新机构在人工智能领域投入大量资金，涉及空间态势感知、自主机器学习、指挥控制决策、空间自主故障诊断等多个航天领域。2021年12月，美国国家标准和技术协会（NIST）发布《AI风险管理框架研究报告》，旨在道德、法律、政策等框架约束下，降低政治安全、个人隐私数据、市场就业等风险因子，促进人工智能更好发展。

3 人工智能技术在美国航天装备上的应用

智能深空自主探测

深空探测无人化、高时延等特点要求航天装备具有自主控制决策能力，能够独立执行一系列特定任务。2021年2月，美国毅力号（Perseverance）火星车历经6个半月的飞行，成功登陆火星，并于2021年12月发现有机化学物线索。火星与地球通信时延达600s以上，地面站无法对其实时指控，需要毅力号火星车具有自主控制决策能力，克服探测过程中黑暗、寒冷、道路崎岖不平等不利影响。毅力号火星车依靠人工智能计算机视觉为其进行导航，其车载机械手臂可放射X射线分析自动探测目标结构成分，并筛选收集火星土壤、岩石样本。同时，毅力号火星搭载的先进传感器可自动采集火星温度、湿度、灰尘等大气环境数据，并可穿透地面，获取火星地下土壤岩石结构图像。

智能自动化控制

大型航天装备复杂、精密的结构使其在地面与太空中具有不同的状态结构。2021年12月，耗资100亿美元，集成美国国家航空航天局（NASA）天文学最尖端技术的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）成功发射升空。为保证正常观测，詹姆斯·韦伯空间望远镜暗面需要保持温度-225℃，尽可能利用遮阳帆阻挡来自太空中传导和辐射的热量，而为了能够正常发射，遮阳帆在升空之前必须进行折叠。因此，NASA设计了一个智能部署系统来进行遮阳帆的展开，涉及到140多个机械展开装置，70个合页装置，400个滑轮以及各式零件，必须以正确的顺序在正确的时间展开，需要解决动态元件展开时序、分布式协同精密操控、展开过程碰撞规避等关键技术，以保证其在太空中正常工作。

自主运行状态监测

自主运行状态监测主要是针对航天装备运行过程中的状态故障实时告警与处理。2021年4月，美国太空探索技术公司（SpaceX）“载人龙”（Crew Dragon）飞船执行乘员-2（Crew-2）任务，搭载4名航天员实施在轨6个月空间站维护及太空试验任务，实现首次载人飞船重复回收利用。2021年9月，“载人龙”飞船搭载4名非专业航天员成功往返太空，实现全球首次非专业航天员载人航天任务。“载人龙”飞船使用全触摸屏的自动化智能操作系统，可实现全程自动化飞控、全自动对接空间站、全自动应急处理故障等功能，并且可在飞行过程中对飞船进行状态监测。SpaceX公司通过地面指控系统及状态监测系统能够实时了解飞船运行状态，利用牵制释放关键技术，如出现故障能够及时中止发射，并重新计算发射窗口及飞行轨道。

智能卫星集群系统

智能卫星集群系统需要解决任务规划、构型保持、协同控制、数据处理、信息传输等关键技术。美国“星链”（Starlink）星座计划是由分布在300～1300km轨道空间的4.2万余颗卫星组成的全球卫星互联网。截止2021年底，已发射1900余颗“星链”卫星。其建成后将对军用通信、军用遥感、军用导航、导弹预警与跟踪、导弹拦截、无人机控制产生重大影响，对美国天军建设意义重大。应用在“星链”计划上的智能技术可全天时全天候对地球进行通信与监控分析，星上数据分析系统可对重点目标自动识别持续跟踪，使地面态势单向透明化。同时，其组成的庞大卫星网络可快速准确对导弹和高超声速飞行器提供预警，必要时能进行动能拦截，并可对无人机群进行控制指挥，大大增强无人机弹性作战能力。

智能自主健康管理

智能自主健康管理在航天装备上有广泛应用，主要是健康检测技术和故障处理决策方法的不同。“鸽群”（Flock）是美国行星实验室公司（Planet Labs）研制的运行在500km轨道的对地观测卫星星座，可全天时对地球任意地点进行观测成像，具有重要民用、军用价值。截至2021年底，“鸽群”卫星已发射超过470余颗。管理数量如此庞大的卫星群，Planet Labs公司主要靠卫星自主运行完成。“鸽群”卫星通过人工智能技术实现在轨自主健康管理，可根据历史数据开展故障诊断、状态监测、健康评估等工作。对于故障检测处理，Planet Labs公司任务控制中心开发了数据收集检测系统，可自动根据下行数据对在轨卫星监测分析，并将结果写入数据库中，更新完善诊断系统自动化解决方案。

4 人工智能技术在美国航天装备领域发展趋势

智能自主感知能力

智能自主感知就是利用电磁波、可见光、红外线等传感器，自主获取周围环境及目标特点，并进行自主识别、评估目标威胁度。随着深空探测任务复杂程度越来越高，深空环境下动静目标感知、目标识别、样本采集、自主导航等任务对深空探测器提出了严峻考验，面临从地面数据处理到实时数据处理的转变，需要利用人工智能技术，采用智能算法对各类传感器数据融合整理，克服巡视探测、目标成像、动静目标分类、能量补充带来的困难，在数据库缺少目标先验知识情况下找出最优解，达成预定目标。

指挥控制决策能力

航天任务快速响应、复杂、多变等特点要求航天器具备快速反应决策能力，可根据空间环境任务变化需求，在一定时间内快速准确进行环境态势感知，对航天装备自主调控，并制定下一步行动计划方案，大幅降低航天器对地面站指令依赖需求，从而适应日益复杂的太空环境任务。人工智能是航天器指挥控制决策能力的“神经中枢”，算法是人工智能的灵魂。在太空军备竞赛中，智能算法已逐渐从理论概念走向落地应用，成为航天装备技术优势新要素，为航天装备做出太空自主决策提供重要助力。

自主故障检测能力

航天装备具有造价昂贵、集成度高、结构复杂等特点，在太空工作运行中出现故障需要及时发现处理，避免造成严重损失。传统航天器自主故障检测技术主要有基于数据库的专家型诊断技术和基于航天器结构逻辑关系的测试型诊断技术，而随着航天器可靠性与集成度的不断提升，传统技术理论越来越难以满足需求。在人工智能+航天背景下，基于优化算法、神经网络的数据驱动诊断技术应运而生，通过人工智能技术提取目标航天器故障信息，进行故障精确定位，实现航天器故障快速推理诊断。

5 结束语

随着航天技术的发展，空间领域已不是某些航天强国的专属领域，越来越多的新用户、新装备、新技术进入到航天领域中，航天技术的终极目标是航天器能够独自长时间执行深空任务，探索完成人类未曾触及的空间任务。人工智能在航天技术中的应用有助于加速人类对太空的认识，减少空间碎片以及动能武器等带来的威胁，提高航天器适应日益复杂的空间环境、空间任务能力，为人类探索太空、利用太空提供价值和帮助。