Space Intern a ti o nal国际太空•2021・4★宇航巡礼Space Overview
1引言
对于空间技术，人类目前对宇宙空间的认知不但受限于计算资源的约束，而且严重依赖于地面系统若 想实现智能控制，必须满足空间极端条件下的自主控制，还必须具备极高的可靠性，系统不能有错误。这是空间技术的特点和面临的挑战。 对于人工智能技术，它不但需要具有丰富的先验知识、足够的样本信息，还要具备分布式计算和云计算的高效计算环境，这样才能发挥出其巨大的优势。在智能控制方面，通过已知规则，可实现人在回路控制或者自主控制，并需要通过反复测试，实现迭代优化。
因此，融合了空间技术和人工智能技术的空间智能技术将成为最具发展潜力、最能大有作为的领域。空间智能技术就是将人工智能技术融入空间技术，以实现智能化的空间应用。所以在空间智能技术领域，还需要探索的工作包括研究如何实现无先验知识下的极端环境自主认知。首先，受限于航天器上有限的计算资源，需要实现轻量级的智能处理。其次，由于空间环境恶劣，不确定因素多，需要支持空间超长时段的自主诊断、自主控制，以及自主修正。另外，由于可用样本数量有限，需要通过小样本学习，实现高可靠性智能推理。
2人工智能及军事智能化的发展特征
人工智能的发展特征
从国家战略层面来说，人工智能的研究具有着深远的意义。目前，各国都已经加大了在人工智能领域
的投资和政策倾斜力度。人工智能技术的发展水平俨然成为了一个国家能否主导世界的关键因素之一。人工智能的发展趋势呈现出五大特征：①向深度学习、大数据，以及自我博弈技术相融合的方向发展；②向体智能方向发展；③向人机融合智能方向发展；④向跨媒体智能方向发展；⑤向自主无人智能方向发展。
空间领域本身就是一个数字化、信息化程度相当高的领域，更是一个人迹罕至的地方，具备发展人工智能得天独厚的优势，也需要更大地依赖自主无人智能，以发挥出人工智能自主学习、自主控制和自主决策的先进性。
军事智能化发展的特征
军事智能化是以军事需求为牵引，通过对以人工智能为核心的智能科技的研究与应用，全面提升智能化条件下军队作战能力的过程［1］。军事智能化发展的特征表现在3个方面：首先，各国都在强化其军事智能化发展的战略研究。美国国防部将军事智能化技术作为建立新技术优势、维持其全球军事大国地位的关键所在。其次，美国也在不断创新军事智能化科技发展模式，全力打造智能制造生态系统，推动智能技术在武器装备设计、生产、维护等全流程的泛在化应用，带动美国军工研制生产模式的变革。最后，美国更加重视智能技术深度嵌入作战应用，启动了大量研究项目和赛事激励利用人工智能技术进行目标识别、情报分析挖掘的研究。
当前，军事智能化正成为推动新一轮军事变革的强大动力，将深刻改变未来战争形态、制胜机理、作战方式和交战规则。
3空间智能技术的发展及趋势
下文将主要分析空间智能技术在空间智能导航与控制、空间智能感知、空间智能防御、深空智能探测等领域的发展情况，包括其所面临的挑战和所表现出的智能特征等。
空间智能导航与控制
空间智能导航与控制的研究具有巨大的发展前景，需要在高速飞行条件下，自主智能选择不同的星座组合，实现观测角的高精度导航解算。同时，自主
远程代理系统能够实现任务自主分解，在轨规划、自主控制和诊断恢复。
早在1998年，NASA就发射了深空—1(Deep Space-1)探测器［2］，成为了第一个在深空中使用自主导航的空间飞行器。2004年，欧洲航天局(ESA)发射的“罗塞塔”(Rosetta)探测器［3］，破纪录地在沉睡飞行957天后于2014年被唤醒，开始自主登陆彗星，实现极端环境下的自主导航与控制，成为了2014年十大科学事件之首。
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由此可见，空间导航所面临的挑战是，在进行空间导航时都是要提供超远距离、超长时段的导航服务，并且环境不确定性强，导航的微小误差对空间飞行影响极大，地面支撑手段也十分有限，需要寻求其他空间物理手段的支持。另外，探测信号由于距离远，导致了时延长、信号弱、精度低等问题，急需实现空间导航与控制的智能化，提高空间飞行器的自主运行、自主管理、自主导航，以及在轨生存能力。
空间智能感知
空间感知就是利用空间探测手段，如：可见光、红外、高光谱、微波等，以上帝视角获取空间或地面目标的信息，并进行识别、评估、威胁预测等处理。例如，夜光遥感卫星数据可用于分析人类活动，以及有关人口密度、城镇化、经济的发展水平。美国的空间态势感知能力可以实现对空间多种目标进行高精度的感知，掌握所有在轨卫星的行踪，例如，对于低轨目标的分辨率可以达到5cm，甚至能跟踪直径数厘米的空间碎片⑷。
1998年，美国提出了技术卫星-21 (TechSat-21)计划［5］，2002年各分系统研制全面铺开，用于演示卫星的自主编队以及感知能力。由多颗卫星在轨进行任务规划，形成不同的天基雷达阵列，依据不同任务要求(精度、覆盖范围、响应速度等需求)实现对地感知，可以自动重置目标，以及智能改变观测基线。另外，基于深度学习的图像理解与识别技术也属于空间智能感知领域，亟需发展动目标、小目标、多尺度目标的在轨识别与处理技术。
空间智能感知的传统方式还是星上采集、星下处理。而其发展方向必然是：针对空间环境的变化进行智能感知；利用空间传感系统进行在轨智能规划，实现多星协同感知；基于有限的星载计算资源进行大容量、实时/近实时多源异构数据的在轨智能处理，形成有效的感知产品，再下传给地面站。可以预见，空间智能感知的未来趋势将是实现多星自主感知规划和全自主的星上处理。
空间智能防御
在进行空间防御时，涉及到感知、攻击和防御的技术。首先，只有感知到所遭受的威胁，才能对威胁进行防御。另外，进行防御的手段包括了主动攻击和及时规避，所以在空间智能防御领域，本文讨论智能感知、智能攻击和智能规避所表现出的智能特征。
(1)智能感知
输电线路覆冰进行空间防御，首先要感知所遭受的威胁。空间威胁的智能感知是针对环境辐射、空间碎片、人为干扰，甚至武器攻击等潜在威胁。探测、跟踪、识别和评估，是空间智能防御的基础。
空间感知的智能特征是针对体积小、超高速、广域分布、无先验信息的威胁目标，在复杂空间环境下快速智能识别威胁。美国的“天基空间监视系统”处于高度为630km的太阳同步轨道(SSO)上，可以快速扫描、发现、识别、跟踪低轨至高轨的目标，特别是地球静止轨道的目标，例如：航天器、空间碎片等。智能会议系统 ABCDMIX
(2)智能攻击
在进行空间攻击时，如果仅仅依赖地基、海基手段，攻击能力将受到极大的限制。在智能技术的推动下，又丰富了天基攻击手段。空间机器人的在轨操
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控技术也将极大服务于空间智能攻击，实现对空间目标的自主抓捕、移除等操作。
2017年，俄罗斯发射的宇宙-2519 (Kosmos-2519，又称“套娃”)卫星同展示出了罕见的侦察、机动、攻击能力。该卫星首先是母卫星发射子卫星，子卫星再发射微小卫星，由微小卫星靠近目标卫星，随后微小卫星再实施智能返回。美国国防高级研究计划局(DARPA)的“轨道快车”(Orbital Express)项目［7］，已经于2007年验证了空间机器人的在轨搜寻、在轨捕获、在轨更换技术，但这些技术仅适用于合作目标。而未来的在轨操控技术更多要验证非合作目标的智能防御和攻击技术、以及智能捕获与操控技术。目前，英国萨瑞航天中心(Surrey Space Centre)联合空客防务与航天公司(ADS)等多家欧洲研究机构开展的“空间碎片移除”(RemoveDebris)项目试验取得成功［8］，其用于捕获太空垃圾的“飞网”和“鱼叉”设备已分别于2018年9月和2019年3月验证成功，它们都是针对非合作目标开展的空间在轨智能操控技术。
可以预见，对于未来的空间智能攻击，航天器将能够实现自主在轨发射、智能控制、智能变轨、智能返回的全流程。智能攻击所表现出的更高的智能特征，需要针对周围环境以及所需要攻击的目标，实施自主任务/路径规划、自主决策、自主控制、自主发射/打击任务。
(3)智能规避
智能规避是针对环境辐射、空间碎片、人为干扰甚至武器攻击等潜在威胁，基于威胁程度，自主设计规避方案和飞行控制，避开威胁。而传统规避手段主要是依赖地基探测手段、地面方案生成、远程指控。
智能规避所表现出的智能特征首先是自主发现卫星，再针对航天器受姿轨动力学、能源、响应时间等约束，自主生成规避防护方案并评估优化，并且实施高精度的轨道自主控制与规避。美军的最新一代受保护通信卫星使用了相控阵天线、波束成形网络等智能控制技术，具有抗干扰、低检测效率、低截获效率的特点。
深空智能探测
航天大国都在加紧深空探测。美国于2020年7月30日发射的毅力号(Perseverance)火星车已于2021年2月18日登陆火星，该火星车继承了好奇号(Curiosity)火星车的能力，并采用新型子系统用于自主收集和筛选火星岩石、土壤样本，实现了飞行器与火星车的自主协同任务规划。
2020年7月23日，我国也成功发射了天问一号火星探测器。天问一号探测器需要在地球和火星之间实施自主变轨，进入霍曼转移轨道才可与火星及时会合，成为火星的一颗卫星；随后要克服火星的稀薄大气实施安全平稳的着陆，更需要完全自主、智能的控制。截至目前，该探测器已经成功实施近火制动，进入火星停泊轨道。
2018年10月19日，欧洲航天局发射了“贝皮-科伦坡”(BepiColombo)水星探测器，将于2025年到达水星叫由于水星距离太阳太近，抵近水星的探测器极易被太阳吸走，所以探测器的飞行路线需要分别多次飞过地球、金星和水星，不断自主调整轨道，才可以到达这个距离地球不太遥远的邻居。
我国的嫦娥五号探测器也于2020年12月17日顺利完成了月球探测，完美完成“绕、落、回”，并携带回月球土壤样本。嫦娥五号除了要完成“绕”时的自主变轨、“落”时的自主控制、“回”时的自主探测，还要采集月球样本并在月球轨道转移月球样本，这都得益于智能控制、智能探测、自主交会对接技术的支持。
未来的深空探测系统将走向更远的深空环境，
具备自主学习进化能力和协同工作能力，实现更远距离、更全面、多方位的探测，帮助人类更好地开发和利用空间资源。眼部艾灸器
4结束语
当今，人工智能快速发展，取得了广泛应用。但是，目前的人工智能主要是用更高的效率解决人类已经解决的问题，而空间智能技术却将面对人类自身都不曾面对的问题。并且在太空中，人类可利用的智能技术减少，甚至不依赖于地面的支撑，需要更高效地完成环境感知、在轨健康管理、任务规划、体智能协作，甚至进行自我的恢复与更新。
据NASA喷气推进实验室(JPL)人工智能团队的顶级专家们预测，空间智能技术的终极目标是“时间”，也就是说，要在复杂恶劣的环境中独自存活几年甚至数十年，例如：走向深空、与地球失联，或者是在复杂恶劣的作战环境下进行全自主的探索、任务执行与自我完善。时间不仅代表着生存，同时也代表着创造，比如说自主创造新工具、探索新方法，解决人类不曾触及的未知任务，甚至达到自我进化、自我繁衍、协同进化，完成这些连人类自身都不能完成的任务。
参考文献
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2020-07/24/content_266783.htm.
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⑸Sedwick R J,Kong E M C,Miller D W.利用分布式卫星系统的轨道动力学和微推进技术实现的孔径合成一
TechSat21卫星的具体应用[J].潘科炎，译.控制工程,2001(1):54-60.
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www.sohu/a/338035755_120157484.
[7]彭灏.美国“轨道快车”系统及其军事应用[J].现代军事,2007(12):50-53.
[8]孙棕檀.欧洲“空间碎片移除”在轨试验任务简析[J].中国航天,2019(2):54-60.
[9]乔辉.一文读懂欧日首次发射水星探测器:2025年才能抵达[N/OL].(2018-10-20)[2020-11-10].tech.
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