智能航天体系的内涵与架构设想
智能航天体系的内涵与架构设想
摘 要： 在系统分析和总结人工智能航天领域应用研究现状的基础上,开展了智能航天
体系顶层设计,从分系统、单星、体系等多维度研究了航天领域人工智能应用分级标准,提出了
智能航天体系概念内涵,基于安全性、可用性、可扩展性等约束,提出包含底层基础设施、智能
算法层、体系层、应用层等多层次的智能航天体系架构,给出了各层次的主要构成、支撑技术、
相互关系以及交互模式,可为加速推进新一代人工智能技术在航天领域的应用提供参考。
关键词： 人工智能; 航天体系; 架构设想;
Abstract： Based on the systematic analysis and summary of the application research status of
artificial intelligence in the field of space, the overall design of intelligent space system is carried out,
the application classification standard of artificial intelligence in space field is studied from the
perspectives of subsystem, single satellite and system, the concept of intelligent space system is
proposed, the multi-level intelligent space architecture including the infrastructure, intelligent
algorithm layer, system layer and application layer is proposed based on the constraints of security,
availability and scalability, and the main structure, supporting technology, interrelation and interaction
mode of each level are given, which provides a reference for accelerating the application of the new
generation of artificial intelligence technology in the space system.
Keyword ：artificial intelligence; space system; system framework;
近年来,新一代人工智能(Artificial Intelligence,AI)技术研究迅速升温,世界主要发达国家均把人工
智能作为提升国家竞争力、维护国家安全的重大战略,加紧出台规划和政策,抢占战略制高点
[1]。2016 年,美国发布全球首份国家层面 AI ——发展战略计划 《国家人工智能研究和发展战略
计划》[2],制定了人工智能的七大发展战略;欧盟启动全球最大民用机器人研发计划(SPARC)
[3];2017 年,我国发布《新一代人工智能发展规划》,明确提出我国人工智能三步走的目标[4]。
同时,以计算机视觉、自然语言理解与交流、认知与推理、机器人学、博弈与伦理、机器学习为
核心的人工智能技术迅速发展,已逐步渗透到各个行业,引领传统产业转型升级。
作为战略前沿技术,人工智能技术与航天领域的结合有其特殊优势,空间环境广袤单纯、航天任
务流程标准化程度高、航天器在轨自主性需求高、航天控制系统自动化基础较好,特别是近年来
航天大发展积累的大量的、多维的、完备的基础大数据和知识库等,为人工智能技术在航天领域
的应用提供了良好的基础,智能感知(学习)、主动认知、自动控制、自主管理、复杂处理、互联
互通、重构升级等已成为未来航天系统的基础能力。
本文在分析航天领域智能化发展历程的基础上,研究了航天领域人工智能分级标准,提出智能航
天体系概念内涵,设计了多层次智能航天体系框架,提出了航天领域人工智能应用的基础能力需
求和重点方向,以推动智能航天系统发展,实现航天活动能力质的飞跃。
1 、 航天领域人工智能发展历程
航天任务是一个典型的知识处理过程,人工智能在解决航天任务的复杂逻辑推理和众多约束条件
时具有天然优势,航天领域的人工智能应用研究始于20 世纪70 年代末,1977 年,美国国家航空航
天局(NASA)机器智能与机器人学的研究小组受命研究人工智能对整个航天领域的影响[5],此后,
航天领域的人工智能研究大致经历了诞生、萌芽、兴起、重视到深化几个阶段,如图 1所示,可
以看到,人工智能在航天领域应用的广度和深度都进一步拓展,人工智能已经渗透到航天设计、
研制、发射以及运行各个阶段。
图1 航天领域人工智能技术发展
Fig.1 Development of artificial intelligence technology in space field
人工智能在航天领域应用主要集中在星上数据处理与解译、自主任务规划、自主故障检测、多
星协同以及空间机器人等方向,其中以美国的研究最具代表性,开展了一系列智能航天系统试验
和计划:①战术卫星-3(TacSat-3)的运载管理试验中对自动推理系统的行为问题进行了研究,自动
推理系统主要用于故障检测和诊断[6]; 2006②年发射的技术卫星-21(TechSat-21)用于演示编队飞
行及在轨自主技术,以提高快速响应能力和改进操作效率,其自动科学与航天器(ASE)软件被安装
在卫星上用于实现在轨任务规划、调度与执行,以及在轨观测规划分配[7];③美国天基监视系统
具有全天时持续工作能力,可以快速扫描、发现、识别、跟踪低轨至高轨目标,支持卫星在轨性
能升级,如探测更小的目标、自动跟踪感兴趣目标以及提高系统使用效率等[8]; NASA④的深空
探测计划中[9,10],深空1号(DS-1)验证了部分自主技术,包括自主导航技术、自主远程代理技
术、自主软件测试技术和自动代码生成技术,实现了一定程度的自主规划、诊断和恢复能
力;2017 年,NASA “ ”宣布用开普勒探测器发现了第二个太阳系,采用了 Google 提供的 AI 模型对
探测器拍摄的天文图像进行分析; “全新一代火星漫游车 火星2020”,能够自主避障,自主选择兴趣
目标、探测条件和最佳探测方案。NASA 未来的深空无人探测器,欧罗巴快帆计划和彗星漫游项
目等都将全面具备AI 能力。
经过近 40 年的发展,国外航天领域的智能化具备了初步自主任务规划能力、一定水平的自主识
“ ”别分类能力以及空间机器人初步具备了 弱智能。我国在航天器故障分析、任务设计和规划、
自主决策、智能机器人、集群智能等领域积累了一定的研究基础[11,12,13,14,15,16],总的来说,
人工智能技术应用还非常有限,研究方向较为零散,对人工智能在航天领域的应用还缺乏整体认
识与系统规划。
2 、航天领域人工智能分级标准及定义
目前,学术界和产业界均未对航天领域人工智能应用提出相应的划分标准。本文从体系、系统、
分系统等层次提出了初步的分级标准,如表 1所示,主要划分为 4个等级,分别为无人工智能、分
系统程控化、单星系统智能化和体系智能化,具体定义如下:
(1)无人工智能。
按照任务目标,设计、研发和构建卫星系统,由人工按照既定清单和任务指令完成系统任务。
(2)分系统程控化。
按照任务目标,设计、研发和构建卫星系统,在部分模块、产品、分系统层面使用程控化、自动
化等技术,完成一些规律性、重复性的工作,减少人工参与造成的失误。
(3)单星系统智能化。
单星系统能够根据需要对卫星系统的功能、性能进行有条件的调整和优化,地面实现全程无人参
与,天地自主协同。
(4)体系智能化。
航天体系具备从任务给定到结果输出全程无人参与,能够实现天地智能协同、天基资源智能调
配,适应突发情形自主判断、决策,最终达到优于人工参与或不亚于人工参与的能力。
表1 航天领域人工智能应用分级标准
3 、 智能航天体系概念内涵
3.1 、 概念
以功能、性能的弹性可重构的思路完成航天器的设计、研发,按照空间组网、功能齐备、统筹优
化方式完成空间航天体系建设,具备智能感知、主动认知、自动控制、自主管理、互联互通和重
构升级等一系列智能化基础能力,实现在给定任务目标后,能够适应未曾预料情形,在无人参与条
件下,自主调配天地系统软硬件资源,自主完成使命任务,包括任务解析、联合任务规划、评估、
摘要：
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智能航天体系的内涵与架构设想 摘 要：在系统分析和总结人工智能航天领域应用研究现状的基础上,开展了智能航天体系顶层设计,从分系统、单星、体系等多维度研究了航天领域人工智能应用分级标准,提出了智能航天体系概念内涵,基于安全性、可用性、可扩展性等约束,提出包含底层基础设施、智能算法层、体系层、应用层等多层次的智能航天体系架构,给出了各层次的主要构成、支撑技术、相互关系以及交互模式,可为加速推进新一代人工智能技术在航天领域的应用提供参考。 关键词：人工智能;航天体系;架构设想; Abstract：Basedonthesystematicanalysisandsummaryoftheap...
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作者：闻远设计
分类：社科文学类资料
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时间：2024-03-29
