航天器智能能力的構(gòu)建*

呂良慶，吳 迪，安軍社

(1. 中國科學(xué)院 國家空間科學(xué)中心 復(fù)雜航天系統(tǒng)電子信息技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100190；2. 中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

隨著航天領(lǐng)域的發(fā)展，航天器上的數(shù)據(jù)系統(tǒng)面臨著內(nèi)外兩方面的挑戰(zhàn)。外部挑戰(zhàn)是指日益復(fù)雜的用戶需求，表現(xiàn)為未知、多變、復(fù)雜、高性能的有效載荷日益增長的要求，系統(tǒng)集成化、小型化的發(fā)展趨勢，以及集群、編隊(duì)、星座、空間組網(wǎng)和天地一體化的設(shè)計(jì)需要。內(nèi)部挑戰(zhàn)是指接口設(shè)計(jì)多樣化，各項(xiàng)目應(yīng)用過程中協(xié)議不統(tǒng)一[1]，難以重用。工程項(xiàng)目還面臨著“好、快、省”的競爭壓力。這些問題的解決都需要引入智能技術(shù)，需要一個(gè)能夠支持智能能力持續(xù)構(gòu)建的系統(tǒng)架構(gòu)和平臺。

1 航天器智能能力等級

航天器智能自主控制是在航天器中引入人工智能與智能控制技術(shù)，使航天器在不確定環(huán)境中以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化時(shí)，能夠不依靠人的幫助和地面支持，完全依靠航天器上軟硬件設(shè)備自身的能力實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定度、強(qiáng)適應(yīng)性和長壽命的正常運(yùn)行[2-3]。為指導(dǎo)航天器上智能能力的構(gòu)建，可以采用分級的方法。

文獻(xiàn)[2-3]給出了初級、中級和高級智能自主控制的定性劃分，其實(shí)質(zhì)是智能能力從地面向航天器技術(shù)轉(zhuǎn)移和部署的過程。而智能自主運(yùn)行體系結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)[4]。

2005—2006年，美國航空航天學(xué)會(American Institute of Aeronautics and Astronautics，AIAA)的空間操作和支持技術(shù)委員會(Space Operations and Support Technical Committee，SOSTC)進(jìn)行了一項(xiàng)飛行器系統(tǒng)使用自動控制技術(shù)的情況調(diào)研，共調(diào)研了12個(gè)組織的88個(gè)項(xiàng)目。為了進(jìn)行這項(xiàng)調(diào)研，調(diào)研組事先按照5個(gè)維度對項(xiàng)目進(jìn)行了分類，即自動程度、任務(wù)類型、載荷目標(biāo)、自動系統(tǒng)配置和系統(tǒng)應(yīng)用情況。在自動程度方面，制定了1個(gè)6級的智能推理能力等級，分別是：人工控制(1級)、自動通知(2級)、地面人工控制的智能推理(3級)、地面自動的智能推理(4級)、星載智能推理(5級)、自動思考航天器(6級)[5]。此次調(diào)研給出了如下一些分析結(jié)論：

1)大部分智能能力部署在地面，少部分在航天器上。智能能力首先在地面上研發(fā)實(shí)現(xiàn)，再以漸進(jìn)發(fā)展的形式轉(zhuǎn)移部署在航天器上。

2)低軌道航天器對智能能力的需求普遍較低；有高精度、復(fù)雜需求的航天器，高軌衛(wèi)星以及深空探測器對智能能力的需求高，但數(shù)量少。

3)需要智能能力的領(lǐng)域主要集中在任務(wù)規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、導(dǎo)航和軌道控制、有效載荷操作、飛行器控制等方面。相對而言，任務(wù)規(guī)劃和飛行器控制采用智能技術(shù)的收益高，因?yàn)檫@兩方面的常規(guī)操作主要是在地面人工完成的，如果能夠轉(zhuǎn)移到天上，將會明顯減輕地面的運(yùn)行成本，提高航天器完成任務(wù)的控制精度。

考察時(shí)間跨度上的航天器智能技術(shù)應(yīng)用情況[6-7]，可以看到有復(fù)雜化、系統(tǒng)化、高層化的趨勢，但其硬件基礎(chǔ)和需求配置又是根據(jù)特定任務(wù)背景而定的，針對性很強(qiáng)，通用性弱。很多航天器上采用的智能技術(shù)具有局部性(某個(gè)飛行階段、任務(wù)方面或組成部分)和試驗(yàn)性，以及特定的應(yīng)用(如狀態(tài)監(jiān)視和故障診斷、任務(wù)規(guī)劃和調(diào)度、目標(biāo)識別和姿態(tài)指向控制、導(dǎo)航和軌道機(jī)動等[3])。采用的智能技術(shù)主要包括專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)推理、模糊控制等[8]。不同層次的智能能力采用的智能技術(shù)在復(fù)雜程度和高級程度上沒有必然的對應(yīng)關(guān)系。

文獻(xiàn)[9]針對航天器上的處理能力從任務(wù)執(zhí)行、任務(wù)數(shù)據(jù)管理和故障管理3個(gè)方面對自動化程度進(jìn)行了分級。任務(wù)執(zhí)行分為4級，分別是地面控制任務(wù)加有限的安全措施(E1)、地面定義的事先計(jì)劃執(zhí)行(E2)、基于事件的自動操作(E3)、目標(biāo)導(dǎo)向的任務(wù)操作(E4)。數(shù)據(jù)管理分為2級，即可視弧段外、失效情況下的數(shù)據(jù)存儲(D1)和全任務(wù)數(shù)據(jù)存儲(D2)。故障管理分為2級，即失效情況下建立安全模式(F1)、失效情況下的正常任務(wù)操作重構(gòu)(F2)。

文獻(xiàn)[7、10]中，航天器智能可以定性為如下3個(gè)等級：

1)自動(automatic)：使用軟件或硬件按部就班地代替例行手工過程，而且依然包括人工參與。

2)自治(autonomous)：自我支配和自我導(dǎo)向,能夠模擬人的參與過程，而不是簡單代替。

3)自主(autonomic)：自我管理，做出確保任務(wù)成功所需決策的過程。

通俗地理解，自動過程是按照事先設(shè)計(jì)好的固定流程執(zhí)行，沒有條件判斷和思考過程；自治過程是對外在環(huán)境的條件式、反應(yīng)式動作執(zhí)行，支持對系統(tǒng)自身的管理、任務(wù)管理，類似于生物神經(jīng)系統(tǒng)；自主過程包含系統(tǒng)管理、任務(wù)管理以及出于主動意圖的思維過程，類似于大腦的思考，自主過程要依賴自治和自動過程來實(shí)施其思考的結(jié)果。

智能在工作層次上又可以劃分為任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)計(jì)劃和任務(wù)執(zhí)行[5]。任務(wù)執(zhí)行一定由航天器操作，因此可以說所有航天器都具有自動能力和部分自治能力。如果將任務(wù)規(guī)劃和計(jì)劃工作也交給航天器，航天器就具備了相應(yīng)的自主和自治能力，而地面需要與航天器智能能力進(jìn)行相適應(yīng)的調(diào)整。不同的航天器對自主和自治的理解和需要程度是不同的，它們可以是航天器的整體行為，也可以是局部行為，可以通過引入其他因素進(jìn)一步劃分等級。例如在無人機(jī)[11]、汽車等行業(yè)對智能自主控制等級的劃分，結(jié)合了各自的應(yīng)用領(lǐng)域面對的特定場景等因素。

智能能力的程度可以劃分為底層反應(yīng)、中層程序化和高層思考3個(gè)層次。反應(yīng)沒有學(xué)習(xí)過程，只是對從傳感器系統(tǒng)獲得的狀態(tài)信息進(jìn)行響應(yīng)；程序執(zhí)行大量的例行評估和計(jì)劃行為；思考是自我審視和決策的過程[7]。這3個(gè)層次可以對應(yīng)系統(tǒng)自我管理、任務(wù)自我管理和思考規(guī)劃3種應(yīng)用能力。

系統(tǒng)自我管理的目標(biāo)是維持系統(tǒng)的健康和正常運(yùn)行。任務(wù)自我管理的目標(biāo)是保證系統(tǒng)按照任務(wù)需求執(zhí)行。它們是通過人的綜合設(shè)計(jì)能力，在地面將規(guī)劃的“思考”能力具體化為軟件程序，事先駐留在航天器上，由其根據(jù)航天器資源條件進(jìn)行判斷和執(zhí)行，是對任務(wù)執(zhí)行過程的管控和情況應(yīng)對，是戰(zhàn)術(shù)層次的。思考規(guī)劃是將這種人的綜合設(shè)計(jì)能力部署在航天器上，由其進(jìn)行類似的“思考”，以完成后續(xù)相同或更為優(yōu)化的任務(wù)。這種思考是全局式的戰(zhàn)略決策過程，在引入智能技術(shù)時(shí)，有著開放的、廣闊的研究前景。高級能力是以低級能力為基礎(chǔ)的，低級能力偏向靜態(tài)，高級能力趨于動態(tài)變化，它們之間的界限是模糊的，銜接是“無縫”的。

地面向航天器發(fā)送的遙控?cái)?shù)據(jù)注入指令的內(nèi)容也可以分為3級，即命令級、計(jì)劃級和任務(wù)級[12]。命令級是航天器直接可執(zhí)行的指令；計(jì)劃級帶有時(shí)間、位置等限定條件，對其的“思考”是在地面完成的；而任務(wù)級需要航天器進(jìn)行“思考”后分解為計(jì)劃級和命令級，才能付諸執(zhí)行。

上述對智能能力的討論對照分析見表1。

表1 航天器智能等級

雖然航天器上的數(shù)據(jù)處理能力在不斷提升，但是與地面相比，在網(wǎng)絡(luò)、存儲和處理器等方面的能力依然存在差距。而用戶對數(shù)據(jù)處理的需求和期望比星上數(shù)據(jù)處理能力增長得快。因此，是否有必要將各個(gè)等級的智能能力全部放在航天器上，是每一個(gè)項(xiàng)目需要考慮的問題。

2 智能能力構(gòu)建的途徑

表1中的各級智能能力可以通過圖1的5階模型，自底向上漸進(jìn)地構(gòu)建，逐步實(shí)現(xiàn)各級智能能力的平臺化和通用建設(shè)。圖1中的各階能力說明如下。

2.1 第1階：數(shù)據(jù)注入接收能力

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)注入接收過程的自動分析和處理能力，解決數(shù)據(jù)注入的接收、識別和拼接問題，以適應(yīng)數(shù)據(jù)注入星地傳輸?shù)闹貜?fù)、斷續(xù)(延遲)、無序、容錯(cuò)等情況，實(shí)現(xiàn)地面注入操作的實(shí)時(shí)性、并發(fā)性和任意性，表現(xiàn)出對用戶的友好。

本能力需要基于開放系統(tǒng)互連(Open System Interconnect, OSI)的7層通信協(xié)議、空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(Consultative Committee for Space Data System，CCSDS)的空間鏈路業(yè)務(wù)(Space Link Services，SLS)協(xié)議棧[13]和航天器接口業(yè)務(wù)(Spacecraft Onboard Interface Service，SOIS)架構(gòu)[14]等關(guān)系構(gòu)成的下層通信管理。本能力是在CCSDS空間包協(xié)議[15]和SOIS包業(yè)務(wù)[16]基礎(chǔ)之上進(jìn)行的應(yīng)用層處理。

2.2 第2階：任務(wù)執(zhí)行能力

有實(shí)時(shí)和延時(shí)兩種執(zhí)行方式，實(shí)現(xiàn)注入指令執(zhí)行的準(zhǔn)確性、正確性和容錯(cuò)性，確保執(zhí)行的可靠性和安全性，實(shí)現(xiàn)自動和初級自治能力。

2.3 第3階：自學(xué)習(xí)能力

宏指令是事先將內(nèi)容固定或數(shù)據(jù)量比較大的數(shù)據(jù)、文件、程序、執(zhí)行序列事先裝配或在執(zhí)行前加載到航天器中，然后通過簡短的編號形式進(jìn)行調(diào)用，選擇進(jìn)行釋放的一種指令執(zhí)行方式。

借助非易失性存儲、可改寫的特性，支持系統(tǒng)自學(xué)習(xí)能力，從而提供了靈活的地面和星上指令調(diào)度和生成機(jī)制。

補(bǔ)充初級自治能力，是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我管理和任務(wù)自我管理的基礎(chǔ)。

2.4 第4階：系統(tǒng)自我管理能力

即在線監(jiān)控能力，解決在線異常和故障的實(shí)時(shí)自動識別、隔離、處理、報(bào)警等問題，是故障預(yù)案的事后措施。

解決對任務(wù)執(zhí)行過程的監(jiān)控，保障任務(wù)順利執(zhí)行或至少保持一個(gè)安全狀態(tài)。

圖1 航天器智能自主能力的構(gòu)建過程Fig.1 Construction stages of intelligent autonomic capability on spacecrafts

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自我管理能力，并保障任務(wù)自我管理能力。

2.5 第5階：任務(wù)自我管理和思考能力

進(jìn)行任務(wù)級別的事先規(guī)劃和調(diào)度，自動生成事件表和宏指令，實(shí)現(xiàn)自我學(xué)習(xí)和智能能力的增長。

實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)思考能力，將地面的科學(xué)規(guī)劃、任務(wù)規(guī)劃、計(jì)劃制定和指令編制的能力移植到航天器上。

5階模型中，前3階的設(shè)計(jì)應(yīng)該是歸一化的平臺，支持上層的智能能力。第4、第5階的智能能力具有應(yīng)用背景的特殊性和專業(yè)性，因此需要按照問題域和技術(shù)域的客觀規(guī)律建立針對性的問題模型和專業(yè)解決方案。并且這種模型和解決方案也會成為專業(yè)問題域的通用解決平臺，從而引導(dǎo)專業(yè)技術(shù)的應(yīng)用和通用化，并支持重用。

3 航天器智能軟件體系架構(gòu)

空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)在航天器上的部分是統(tǒng)一的信息系統(tǒng)，同時(shí)也是與地面互聯(lián)的天基信息網(wǎng)[17]。CCSDS SOIS領(lǐng)域的研究內(nèi)容是其中不可或缺的組成部分。SOIS基于數(shù)據(jù)，主要包括管理信息庫(Management Information Base，MIB)、電子數(shù)據(jù)單(Electronic Data Sheet，EDS)等概念。

MIB是一個(gè)系統(tǒng)的核心信息單元，在SOIS中主要用于集中保存系統(tǒng)所需的網(wǎng)絡(luò)管理方面的信息[14]，以適應(yīng)或統(tǒng)一協(xié)議和訪問的虛擬化、端口化。MIB概念在應(yīng)用中，可以起到隔離實(shí)際參數(shù)和虛擬參數(shù)，并建立中間映射的作用，從而達(dá)到數(shù)據(jù)和程序分離的目的[18]。

EDS是連接到某個(gè)系統(tǒng)中的一個(gè)部件(可抽象為設(shè)備、業(yè)務(wù)、應(yīng)用)所必須具有的信息單元，內(nèi)容是這個(gè)部件可供外部相連系統(tǒng)使用的自描述信息，目的是提供機(jī)器可讀的信息，以代替手工編輯的接口控制文件(Interface Control Document，ICD)[14]，支持即插即用。EDS可使用可擴(kuò)展標(biāo)示語言(eXtensive Markup Language，XML)[19]進(jìn)行描述，具備方便人工閱讀和機(jī)器可讀的雙重能力，因此在地面互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。在引入航天領(lǐng)域后，其典型應(yīng)用實(shí)例是美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Laboratory，AFRL)的空間即插即用架構(gòu)(Space Plug-and-play Architecture，SPA)[20-22]中的可擴(kuò)展變換器電子數(shù)據(jù)單(extensible Transducer EDS， xTEDS)。

推而廣之，將MIB用于整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)層次，作為信息的載體，可以保存系統(tǒng)的所有管理信息，隔離系統(tǒng)的組成部分，并靈活配置系統(tǒng)。MIB可以是數(shù)據(jù)庫、文件系統(tǒng)或小到一個(gè)配置表，其存儲的位置可以是分布的或集中的，以方便使用為原則。在系統(tǒng)組成(可抽象為系統(tǒng)、設(shè)備和業(yè)務(wù))中，MIB之間以及各層級之間通過交換EDS實(shí)現(xiàn)部件(可抽象為設(shè)備、業(yè)務(wù)、應(yīng)用)的即插即用，從而為系統(tǒng)組成的數(shù)據(jù)化定義和靈活配置提供了可能。

為了實(shí)現(xiàn)上述不同等級的智能能力，參考CCSDS SOIS架構(gòu)進(jìn)行航天器數(shù)據(jù)系統(tǒng)軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用研究，提出了人字架構(gòu)模型(如圖2所示)，有助于在航天器上部署和發(fā)展智能能力。

1)該架構(gòu)按照智能能力的需要選擇SOIS相應(yīng)業(yè)務(wù)(設(shè)備發(fā)現(xiàn)業(yè)務(wù)(Device Discovery Service，DDS)[23]、設(shè)備枚舉業(yè)務(wù)(Device Enumeration Service，DES)[24]、設(shè)備訪問業(yè)務(wù)(Device Access Service，DAS)[25]、設(shè)備虛擬業(yè)務(wù)(Device Virtualization Service，DVS)[26]、包業(yè)務(wù)(Packet Service，PS)[16]，存儲訪問業(yè)務(wù)(Memory Access Service，MAS)[27])。SOIS中與本文內(nèi)容相對關(guān)系不大的業(yè)務(wù)未在圖中給出，但不表示不需要。

圖2 航天器智能軟件體系架構(gòu)(人字架構(gòu))Fig.2 Intelligent software architecture on spacecraft (human-body shape architecture)

2)圖中的子網(wǎng)層和應(yīng)用支持層是SOIS架構(gòu)的內(nèi)容，分為即插即用和數(shù)據(jù)傳送兩個(gè)部分。數(shù)據(jù)傳送部分主要包括地面到星上的注入指令和相應(yīng)的信息反饋，不是完整的消息和包服務(wù)。5階模型第1階數(shù)據(jù)注入接收能力由這部分支持。

3)應(yīng)用層解決注入指令的分析和執(zhí)行問題，包括兩部分業(yè)務(wù)：指令執(zhí)行(EXeCutive，EXC)和宏指令(MAcro Command，MAC)，對應(yīng)5階模型中的第2、第3階能力。它們支持了航天器上的其他業(yè)務(wù)，例如歐洲空間局(European Space Agency, ESA)的包應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)[28]。

4)應(yīng)用層上層應(yīng)具有系統(tǒng)自我管理能力，即在線監(jiān)控(on-board Monitoring and Control，M&C)(對應(yīng)5階模型的第4階能力)、任務(wù)自我管理(Mission Self Management，MSM)和智能自主思考(Intelligent Autonomic Thinking，IAT)能力(屬于第5階能力)。這些智能業(yè)務(wù)進(jìn)一步支撐用戶應(yīng)用。

各項(xiàng)業(yè)務(wù)以程序?yàn)榛A(chǔ)，圍繞MIB和EDS概念進(jìn)行數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)，是本架構(gòu)模型的主要思想。根據(jù)EDS表達(dá)的業(yè)務(wù)接口內(nèi)容，各層業(yè)務(wù)之間、部件之間可以自動識別，建立業(yè)務(wù)的即插即用能力，并與5階模型中的各階能力構(gòu)成自主控制平臺部分。這種即插即用技術(shù)與自主控制技術(shù)共同支撐上層智能能力的結(jié)構(gòu)以形成“人”字形狀，因此該架構(gòu)命名為人字架構(gòu)模型。

4 星地一體的運(yùn)行體系

航天器的智能能力是通過地面系統(tǒng)表現(xiàn)給人的，因此智能系統(tǒng)應(yīng)該是指星地完整系統(tǒng)。地面與航天器之間是服務(wù)的關(guān)系。航天器為地面提供任務(wù)執(zhí)行結(jié)果的服務(wù)，地面為航天器提供任務(wù)支持的服務(wù)。在任何時(shí)候都必須具有科學(xué)任務(wù)規(guī)劃、航天器任務(wù)規(guī)劃和任務(wù)執(zhí)行層次的能力，并且通過后臺的包裝，以服務(wù)的形式呈現(xiàn)給最終用戶。隨著航天器智能能力的提升，地面系統(tǒng)的部分能力會逐步轉(zhuǎn)移到航天器，任務(wù)重心和關(guān)注對象也隨之轉(zhuǎn)移，這種轉(zhuǎn)移關(guān)系見表2。

通過表2可知，隨著航天器智能能力的提升，地面工作從低端的指令生成到高端的任務(wù)規(guī)劃和下行數(shù)據(jù)的后續(xù)處理，都將得到進(jìn)一步增強(qiáng)，可表現(xiàn)的智能形式也會層出不窮。

5 結(jié)論

本文從討論部署在航天器上的智能能力的等級劃分開始，論述了支持各級能力實(shí)現(xiàn)的5階模型、智能能力增長的人字架構(gòu)模型以及星地一體的智能系統(tǒng)能力部署的相適應(yīng)問題。

人字架構(gòu)具有層次化、業(yè)務(wù)化和自底向上歸一化構(gòu)建的特點(diǎn)，支持上層智能能力和智能技術(shù)的引入，并具有開放性。通過使用模型化方法，解決架構(gòu)的平臺通用性和業(yè)務(wù)針對性的矛盾。模型化方法主要采用MIB和EDS技術(shù)的數(shù)據(jù)化設(shè)計(jì)方法，從而為軟件定義衛(wèi)星的裸衛(wèi)星、數(shù)字衛(wèi)星、軟件衛(wèi)星、虛擬服務(wù)等概念提供了可實(shí)施的途徑。

人字架構(gòu)的建立和可持續(xù)構(gòu)建需要在相關(guān)的軟件工程過程、工具環(huán)境、語言、人員組織等方面進(jìn)行改進(jìn)，既要滿足已有的航天工程要求，又要適應(yīng)新的需要，并通過重用提高研發(fā)效率。在應(yīng)用中有利于航天器在地面的快速集成和飛行過程中的維護(hù)維修、組網(wǎng)編隊(duì)，也適合于地面系統(tǒng)的服務(wù)化發(fā)展需要。

表2 地面系統(tǒng)對不同智能能力航天器的適應(yīng)