人工智能在航天领域的应用探究

潘昱达

摘 要：人工智能作为一项新兴技术，在无人驾驶、飞行控制、人脸识别、医学诊断等领域得到了广泛应用，成为近几年的研究热点。而在航天领域，人工智能也拥有巨大的应用前景，航天测控、卫星遥感、空间机器人等都离不开人工智能技术的支持。本文总结了人工智能在航天领域的应用现状，分析了人工智能在航天领域应用中存在的问题，并对其发展前景进行了展望。

关键词：人工智能；航空航天；机器人；问题分析

中图分类号：V419 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）22-0032-02

1 引言

人工智能，即研究如何使用计算机来模拟人类智能的技术、方法，其概念由来已久，早在上世紀中叶，神经网络等许多方法就已经被提出。2016年，围棋世界冠军李世石与谷歌公司围棋软件“阿尔法狗”的“人机大战”再次使人工智能成为世界的焦点，掀起了一阵人工智能研究的热潮。目前，得益于计算机计算能力的飞速发展，以深度学习、强化学习为代表的人工智能方法得以实现，在围棋等人类曾经自以为傲的领域，人类已经完全不是人工智能的对手！而在无人驾驶、人脸识别、自然语言处理、语音识别等领域，人工智能技术也得到了实际应用。

航空航天，是集电子、通信、能源、材料、机械、力学等为一体的综合性行业，为人工智能技术的应用提供了广阔平台。在航天领域，随着任务复杂程度的增加，以及对精确性、效率的要求提高，常规的技术和方法已经无法满足任务需要，必须研究人工智能等新技术在航天领域应用的可能性。目前，智能控制、机器视觉、智能机器人、专家系统等人工智能技术和方法在航天领域的应用得到了广泛关注和研究，并取得了一定进展，但真正实现航天领域的技术自动化智能化还需解决一系列问题。

2 人工智能的应用领域

2.1 航天测控技术

航天测控，即通过对卫星等航天器的位置、姿态测量，实现对航天器的控制，随着航天器执行的任务日益复杂，对航天器进行精确控制就显得非常重要。传统的控制方法通过精确编程实现，当面对复杂任务或未知任务时就无能为力。人工智能技术能自动感知，并根据飞行任务制定控制方法，因而能显著提高控制的时效性和精确性，同时减少了人为控制造成的失误。随着相关技术的进一步发展，人工智能将可能实现航天器自动处理故障、自动进行飞行规划和路线设计等，具有巨大的军事和民用潜力。

2.2 卫星遥感

传统的对地遥感模式对目标的针对性不强，对突发事件的响应能力弱，且地面解释和信息提取的时间较长，信息时效性差，因此有必要研究智能化的卫星遥感系统技术，这是机器视觉技术在航天领域应用的最直接体现。通过人工智能技术实现在轨决策处理，从而提高时效性，减少地面设备和人员的开销，并能保证精确度。目前，与此相关的图像识别技术在精确性上已经远远超过人类。

国外相关机构很早就对此开展了研究，如NASA的“地球观测一号”搭载了自主科学飞船试验系统，能使航天器自主开展科学试验，美国的快速响应“战术星”TacSat-3能够自动搜集和处理图像并向地面传递，而国内对此的研究相对较少。

2.3 智能机器人

由于太空环境的特殊性，许多宇航员无法执行的任务必需由空间机器人替代或协助。相比于地面机器人，空间机器人的工作环境更恶劣，工作任务往往更复杂多变。按照用途的不同，空间机器人又可分为在轨服务机器人和星球探测机器人。其中在轨服务机器人是安装在空间站或在空间站附近的机器人系统，可以协助宇航员完成复杂的任务。星球探测机器人是能对外星球表面进行探测的智能无人系统，可以完成自主着陆、自主执行科学探测、收集样品等任务。

空间机器人将是未来太空探索的关键助力，而人工智能是其核心技术。国内外对相关技术的研究较多，但大多处于技术实验验证阶段，如中国的玉兔号月球车、美国的Robonaut2机器人，后者是第一个进入太空的人形机器人。

2.4 空间站管理

考虑到宇航员的人数有限和空间站管理的复杂性，使用人工智能技术进行空间站等复杂系统的管理是很有必要的。智能化的空间站管理系统对整个空间站状态自动监测，对能源、电力等自动调度，并且具备预警和处理突发事故的能力。宇航员通过与人工智能管理系统的语音交流控制整个空间站，而无需关注技术细节，因此压力大大减小，并减少了突发情况人为误操作的概率。

除此之外，人工智能在发动机故障诊断、航天产品智能装配等方面的应用也得到了研究。

3 问题分析

人工智能技术能极大改善航天任务完成的质量和效率，节省大量人力和物力，在航天领域中拥有广阔的应用前景，但在现阶段，人工智能技术的应用和开发必须解决一系列问题。

3.1 应用环境不够完善

现阶段，人工智能技术最主要的研究方法是统计学习方法，其依托于对大量数据的分析，尤其近年取得较大进展的深度学习方法，需要对极大量的已标注的数据进行学习才能得到适用的模型。目前，航天领域对相关数据的整理不够完备，尤其国内各家研究单位的数据相对分散，未形成统一的数据库，阻碍了人工智能技术的进一步研究。

另外，对人工智能在航天领域的应用范围定位不够清晰。由于人工智能热潮，人工智能的研究和应用难免存在跟风和炒作的现象。未来，人工智能在航天领域的应用需要更多对相关系统的深入理解，如何在复杂系统中引入人工智能方法，如何界定人和人工智能在系统控制中的分工，以及人工智能在不同系统中应用的可行性，都需要更多的钻研和探索。

3.2 相关技术不够成熟

一方面，人工智能的相关理论还需进一步发展。当前已发挥巨大作用的深度学习方法，本质上来说还是一个“黑匣子”，无法合理解释内部学习的机理，也无法证明最终解就是最优解，对于复杂任务尤其如此。而且，现阶段的人工智能严格意义上说属于“弱人工智能”，距离拥有和人一样的情感思维活动还很远。在航天领域，人工智能方法的应用还不够成熟，大部分航天系统的控制方式仍为遥感型，缺乏自主性，且无法执行较复杂的任务，能自主决策、规划、完成任务的智能机器人也还无法实现。因此，相关理论和方法的成熟，将对人工智能技术的应用产生巨大的推动力。

另一方面，光电技术、材料技术、能源技术、信息技术等可能成为人工智能技术在航天领域发展的瓶颈。由于材料特性不足，当前空间机器人对低重力、高辐射、超低温的太空环境适应能力较差，制约了其在太空中执行复杂任务的能力。而无论是在轨服务，或是星际探测，都需要能源动力技术与高效信息传递技术的支持。

3.3 其他安全隐患

最后，人工智能技术的大规模运用可能带来一些人类从未经历过的困难和问题。第一，由于种种缺陷，再完善的人工智能技术也有出错的可能性，在将系统控制权交给人工智能后，如何设计紧急应对方案以防人工智能的误操作，这是应用人工智能技术必须考虑的问题；第二，未来人工智能系统可能面临黑客或者计算机病毒的入侵，导致核心机密的丢失或智能系统的失效，进而造成更严重的损失，研究人工智能技术应用的同时有必要加强信息安全系统的建设；第三，随着科技的进步，“强人工智能”的时代可能会来临，如何定义人和机器的区别，如何处理人和机器的关系，可能是未来人类面临的最大苦恼。

4 结语

人工智能作为一项新兴技术，在航天领域中的应用得到了广泛的研究和关注，尤其在航天测控技术、卫星遥感、空间机器人、空间站管理等方面人工智能技术能发挥巨大作用。但目前航天技術距离真正的智能化还有很长的一段路要走：一是支撑人工智能技术发展的数据储备可能不足；二是人工智能的相关理论、材料技术、能源技术、信息技术等不够成熟；三是人工智能技术的应用可能带来更多安全隐患，因此必须建立相应的应对方案和防护措施。

人工智能将是人类飞向太空的一项关键技术，将为人类探索太空、接触其他生命体提供更多可能性。随着相关技术的突破，航空航天领域将迎来根本性的变革，由此将给人类世界带来巨大影响。

参考文献

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