編 | 搜狐科技 宋婉心
“智研所”直播系列第6期——航天進入智能控制新紀元
主辦：中國科普研究所科學媒介中心
協辦：搜狐科技“智研所”、北京控制工程研究所
要點提煉：
1. 北斗導航系統是由靜止軌道衛星+傾斜同步軌道衛星+中軌傾斜軌道衛星等30顆以上的長壽命衛星組合而成。
2. 我們可以通過空間自主導航的手段，如星間測距、地心測量、恆星觀測等，解決給導航衛星導航的問題，讓導航衛星的運行較少依賴地面支持。
3.北斗一號是一個典型的區域導航衛星，因為只有兩顆衛星，所以導航的區域就是在咱們國土附近，整個精度其實並不是很高，是百米級的，但是從那時候開始咱們國家真正有了自己的導航社會系統，不再受制於人。
4.整個北斗導航控制系統是從相對弱到強的過程，並且也是智能化的發展過程，這個過程裡我們認為智能自主的發展是必由之路。
近年，中國通過“天宮”實驗室和“神舟”號載人飛船、“天舟”號貨運飛船相繼驗證了航天器在軌自動、手動和快速自主交會對接技術；通過“嫦娥三號”和“嫦娥四號”驗證了地外天體軟著陸技術和月面自主巡視技術；通過“北斗”導航系統的建設，驗證了我們的高精度姿態與軌道控制技術和衛星的自主導航技術。
2019年中國更是實現了人類首次月球背面的軟著陸和巡視探測。系列技術突破的背後無不顯示著空間控制技術正在朝著越來越智能的方向發展。
誠然，在人工智能進入了彭勃發展的新時期，作為一個典型領域，空間智能控制技術也必將成為建設航天強國的技術支撐。
本期智研所直播邀請到北京控制工程研究所專家郭建新帶來主題演講 《“睿智”的新一代北斗導航衛星控制系統》。
郭建新：今天非常高興能夠跟大家一起來交流我所從事，、我自己稱之為事業的事情，從大概2010年開始從事北斗導航衛星控制系統研發工作，大家也知道去年年底北斗導航衛星應該算是北斗三號宣佈了基本系統的組成，這是一個非常重要的標誌。
到底能給我們帶來什麼，以及我們控制系統能夠為他做些什麼，這是我們今天要跟大家交流的內容，其實就是這四個方面，另外我們想跟大家交流一下我們在控制系統設計，尤其智能這方面我們到底做了什麼，以後往哪一方面發展。
首先介紹一下北斗的系列發展，從北斗一號是很早的時候，2000年就發射了兩顆衛星，當時應該算是探索，當時叫做北斗導航的實驗衛星，一直到2007年，我們一共發了四顆衛星，北斗二號是2006年首發了實驗衛星，那時候的實驗衛星應該是具有非常重大的工程意義，瞭解北斗的人知道那時候第一發星對於整個北斗導航的頻率的佔用至關重要，那是時跟當時歐洲有一定競爭關係。
從2006年一直到今年，北斗二號的最後一顆星發射成功，整個北斗二號發射了20顆星，算是中等偏上規模的星座了。到了北斗三號從2015年開始建設的，當時那一年我們一共發了三顆實驗衛星，到現在為止已經發射了20多顆了，一直到明年2020年，整個全網建成應該是要超過30顆衛星，這是我們整個導航的三代發展。
從整個北斗導航來說特點跟大家息息相關的無非就是導航的區域、精度和固有的特色，北斗一號是一個典型的區域導航衛星，因為只有兩顆衛星，所以導航的區域就是在咱們國土附近，整個精度其實並不是很高，是百米級的，但是從那時候開始咱們國家真正有了自己的導航社會系統，不再受制於人，侷限性在於用戶是要註冊的，不是像現在一樣拿著手機就可以導航，現在的用戶已經上百萬。
北斗二號從原來的註冊狀態變成了一個不用註冊了，我們直接接收北斗衛星的定位，這是2012年北斗二號組網成功的時候的狀況，精度明顯比原來高了十米，但是整個範圍仍然是在亞太地區。
北斗三號星座明顯變大了，30多顆了，精度是更高，提高了一倍，整個覆蓋範圍已經是全球導航星座，應該算是一個巨大的跨越，也為國家所有的戰略實施提供了很多保障，就是北斗三號。
大家可能也瞭解北斗有一個獨步天下的短報文功能，大家也可以發信息通過他傳到你想發的地方去，這個短報文的服務，感受最深的應該是在汶川地震那一次，當時所有的汶川地震通訊是中斷的，是後來救援隊伍進入山區之後用短報文的功能把災區的情況傳過去。
從北斗一號的範圍來看，基本上就是沿著我們的國土周邊來建設的，整個範圍是在北半球附近，但是到北斗二號的時候，範圍已經可以擴展到南半球，這就是以後有一顆ICGSO衛星，可以連接到南半球。導航的時候只需要四顆衛星就可以同時對我們的任何一個地方定位。北斗三號整個覆蓋範圍，這個圖只是畫出來重點區域，但是全球導航已經全部具備，現在的能力如果就全球能力來說，類似於美國的GPS。因為我們在國土上空有一些衛星，所以自身具有的短報文的功能，一些重點區域的能力增強是有一些特點的。
北斗導航衛星的控制系統在裡面發揮著什麼樣的作用，對於北斗一號來說，當時只是GEO衛星，精度要求沒有那麼高，同時測量方式也是星地測量，有這麼一套流程，所以中間是要花時間去通訊，導航精度也比較低，相應地來說對於衛星的能力要求相對比較低。在2000年的時候，2000年發射，1999年的時候開始研製，那時候衛星的能力比較弱，這是北斗一號的狀態。
北斗二號要求我們具有無源導航方式，並且衛星數量也在增量，已經有三種衛星，精度也提高了，同時星載計算能力明顯增強，這是兩代衛星的計算能力有明顯的區別。對於北斗二號來說衛星控制系統的能力有一個比較大的跨越。
北斗三號，目前我們正在建設的這套系統，要求全球的導航精度非常高，承諾的已經不再是國土周邊的能力，而是指向全球的精度，對於衛星的可靠性要求非常高，這是在自主性方面，我們目前普通的衛星要求算是比較高了，我們目前衛星在軌的常規動作可以先讓自己完成，同時衛星自己出了問題自己能診治，診斷、能處理，因為衛星還有一些特色的服務，像一些搜救的服務，一個典型例子就是馬航MH375370的事件，如果那個時候有我們的北斗三號是可以定位出來的。
整個北斗導航控制系統是從相對弱到強的過程，並且也是智能化的發展過程，這個過程裡我們認為智能自主的發展是必由之路，之所以這麼說，楊嘉墀院士1995年提出空間自主控制倡議時所提到的必要性完全一致，楊先生提出五條必要性，第一條是指衛星的性能要再提升，因為我覺得這一條對所有的航天器都適用，另外四條對於導航衛星來說非常貼切，首先第一個是衛星壽命的延長，不僅僅需要自身可靠性，不能壞，也需要地面的測控網絡包括人員不能出問題，其實是一個非常龐大的網絡，所以要求非常高。另外一個就是自身的高可靠，不能中斷，導航衛星的中斷帶來的後果是非常嚴重的，可能平時感受不出來，但真正要用的時候，發現沒有他是非常難受的，所以說從用戶的角度來講，我們是要提高連續不斷的導航服務。另外就是怎麼去管理，所需要的運維資源太大了，當時整個智能化自主解決這個問題是很重要的，如果衛星不需要地面的支持就能實現是不是能省好多事情。另外就是北斗星座是屬於國家的重大基礎設施，責任非常重大。
控制系統設計目標來看，主要就是自主的姿態控制，另外就是軌道控制，我們實現衛星的自主獲取軌道信息，保證衛星處在合適的位置，另外就是剛才提到的健康管理，衛星的可靠性怎麼保證，就靠健康管理來保證。這幾個方面都是體現自主的基本特徵，就是從自主感知，自主決策到自主行為，這是一些智能體的基本特徵。
首先介紹一下北斗三號衛星的組成結構，這邊有很多導航的載荷，我們在的控制系統會涉及到非常多的固件硬件，有一些執行的機構。對於自主姿態控制，首先是自主感知，我覺得比較形象的比喻就是衛星需要一雙非常銳利的眼睛，能夠看準方向，我們導航衛星用到的敏感器期首先是看恆星的敏感器以及看太陽的敏感器，主要使用的是星敏感器。
我們需要一個內在測量就是陀螺，陀螺的測量給出的是星體的角速度，能夠測出整個衛星的翻轉相對原來的翻轉量，目前我們主攻的是這兩個非常重要的部件，我們認為信息是很多的，我們需要取長補短，需要把這些資源，這些信息融合起來，來提高整體的精度和抗干擾能力，我指的抗干擾能力是一個典型的。目前大家在做姿態控制的時候非常重要的，、最典型的是如果我們看恆星的時候被幹擾了怎麼辦，有沒有辦法把干擾信息剔除掉，不能因為他出問題導致我整個控制系統出問題。
另外就是自主決策，自主決策裡面得有個大腦，我們導航系統現在也用了綜合電子系統，這是一個非常重要的，也是一個相對於北斗二號大的跨越。自主決策裡，首先我們需要知道我們控制的目標是什麼，控制的目標對於導航衛星來說無非就是像姿態和太陽能翻板帆板，還有導航天線始終向地面為大家服務，另外是軌道控制和發動機點火，我們要保持姿態的穩定。
通過大腦之後產生的是什麼，產生的是控制計算的結果，另外就是任務的規劃也在這裡進行結算，可以理解為我要做什麼事情，按哪個步驟來做。還有一個是我們要想一下故障安全的需求，如果我們出了故障應該怎麼辦，不能盲目地控制，這也是要做的事情。
自主行為，我專門把幾個行為提出來跟大家交流，第一個就是姿態的規劃，這裡面是讓我們的衛星太陽帆板始終處於，太陽照射的面上，始終在衛星的面上，始終不會到另外一個面上去，一個是為了能源，另外一個也是為了衛星的熱控，熱控可能和我們的關係不是很大，但是保證我們衛星的安全，如果不把這個熱導走會在內部積累把自己燒壞的，我們必須有一個地方能把熱排出來，太陽照射的地方是非常熱的，我們一直在調姿。另外是翻帆板，多建了太陽能翻帆板始終對著太陽，還有一個是自主角動量磁的卸載，我們不能用噴氣，只能用磁，目前導航衛星所處的軌道，軌道的磁場非常弱，是低軌的磁場強度的1/100，是非常弱的，但我們得用好，是非常重要的資源。另外就是剛才提到的敏感器保護的問題，這些都屬於姿態控制的行為，但是這些行為我們都希望是他它自己完成的。
另外一個很重要的方面，軌道控制軌道控制上感知是什。我們導航衛星是為大家定位的，現在誰來給導航衛星定位？我們如果是靠目前地面的測繪來做，這個可以嗎？的確是可以的，目前北斗衛星的狀態基本上也是這麼一個狀態。前不久，7月份伽利略衛星系統出了問題，給我們很大啟示，整個系統的地面斷了，站出了問題以後所有的衛星導航定位無法更新，說白了就是導航定位終止了，給我們一個啟示，完全靠地面靠不住，尤其是短期內，另外能不能像手機導航接受其他的導航信號呢？也不行，因為我們的導航衛星所發出的導航信號在周邊非常強，如果接收對面的導航信號到我這裡已經幾萬公里了，根本檢索不出來。
現在一種情況是靠地面定位，另外一個是自己知道自己在哪兒，目前我們都靠單星導航，這種導航是完全靠自己，不用靠別人，但是精度不足以支持導航衛星的精度，但可以保證我們的控制系統是好的。還有一個非常重要的是相對導航，一個網絡下大家都在測，短期內能夠把一個衛星的精度控制到非常高，但是這個星座長期慢慢就會分割，所以需要一些其他的設備定住，所以我們現在有一些技術在發展，能夠讓我們的整個導航衛星的精度不僅能定的準，還能夠定的穩，我們整個定住的結果能支撐導航。
自主決策是什麼呢？可能大家看一些視頻，包括一些演示動畫，所有衛星軌道運行大家看是一個光滑的軌跡，很平滑，但實際上從我們的角度來看，衛星在運行過程中總是在那兒波動的，這些波動是由一些其他的攝動，包括日月對他的牽扯，引力上的牽扯，以及我們的光壓對他的輻射，導致他所有的衛星軌道並不是我們所想象的那麼穩，在我們這些外在對他的影響情況下，我們怎麼去消除他，這是我們軌道控制要做的事情。
無非就是一個軌道獲取之後的實施、監督和故障健康的判斷，這些內容其實都是軌道控制的一些內容，我們還有一些發展的方向，第一個衛星從火箭發射上天之後，從發射一直到最後定點，整個過程是地面來操縱的，任務的抉擇不是由衛星自己來完成，我們以後是不是可以做到衛星發射後就不管了，可以自動完成這些工作。第二個就是我們能不能在軌對於導航星座的性能進行評估，所謂性能評估就是衛星如果真的產生了相對的運動偏離了，對於地面導航性能的覆蓋是下降的，這種情況下我們現在靠地面的人去算，一大波人在做這件事情，星上能不能做，如果知道自己性能下降有欠缺，他能不能調整，能不能把這個性能彌補回來，這也是以後我們想做的。行為落實到最後一點就是整個發動機的點火，我們要把一個衛星控制好，我們只有通過發動機的點火才能產生一個運動中位移的變化，只能是通過發動機來做，如果衛星入軌需要大能量，需要490牛頓牛方的發動機。我們所有的控制都是弄到一個小的範圍之內，不能飄走，如果飄走了之後，如果飄走會撞到其他的衛星，影響別人的業務，所以所有的東西都要你的範圍內進行保持。
最後一個是健康管理，我們覺得健康管理的目的就是構建一套故障診斷、隔離和重構的機制，我形容為一個全科醫生，既能夠進行局部的診斷又能夠進行衛星全方位狀況的監視，他首先需要一些資源，他的信息就是各個地方測量的信息，包括各個部件的信息，包括系統的信息，也包括軌道信息，以及其他外界的，包括我剛才說的熱的信息，所有的信息都在裡面，我們在綜合電子體系下，我們在這種體系下信息的獲得是比較方便的，這是北斗三號相對二號有優勢的點，信息資源的獲取非常方便。
決策和行為我認為是密不可分的狀態，從導航衛星入軌開始整個健康管理要伴隨著衛星運行，我們在不同階段的時候這種策略是不一樣的，現在我們的衛星已經十幾顆衛星了，目前運行的比較穩定，這套系統也發揮了它的作用。
我們簡單把功能進行一個描述，包括單機的功能，單機的功能形象描述為“頭痛醫頭，腳頭醫腳”的問題，異常情況下可能會切除用另外一個備份，也可以用其他的信息，這樣的話可以把這一塊的單機隔離。另外是一個系統性的故障，這個有點像中醫，就看你舌頭的顏色，通過這些方式就知道你可能在哪些方面有問題，可能吃一服湯藥就能恢復健康，更多是系統性的故障。如果前期這些方面都解決不了問題的情況下，我們就需要保命，這種情況下任務是沒辦法做維持的。還有一個是漏診、誤診的問題，我們認為每一個健康管理都離不開這個問題，漏診的問題在很多地方都會碰到，還有一類問題可能真的沒辦法處理，今年4月份美國有一個通訊公司是貯箱漏了，衛星旋轉懸起來，核心的執行機構已經完全失去了能力，最後通過旋轉之後把衛星解體，這種情況下在我能理解的故障診斷的情況下和處理的情況下沒辦法解決，但是一般的問題我覺得衛星都能夠進行很好的診斷和處理。
簡單說一下我們自己對北斗導航衛星控制系統未來的發展和展望，首先肯定還是沿著自主化的方向前進，但是我們認為整個智能化水平有待提高，當時吳院士有一本專著對整個智能化水平進行了劃分，我進行了對比，我覺得我們現在的水平大概只能在他所劃分的初期智能化的水平，再往後走要考慮到我們真的是能夠把一些重大的任務，進行一些自學習的更新，再往下走才是我們前進的方向。
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