编 | 搜狐科技 宋婉心
“智研所”直播系列第6期——航天进入智能控制新纪元
主办：中国科普研究所科学媒介中心
协办：搜狐科技“智研所”、北京控制工程研究所
要点提炼：
1. 北斗导航系统是由静止轨道卫星+倾斜同步轨道卫星+中轨倾斜轨道卫星等30颗以上的长寿命卫星组合而成。
2. 我们可以通过空间自主导航的手段，如星间测距、地心测量、恒星观测等，解决给导航卫星导航的问题，让导航卫星的运行较少依赖地面支持。
3.北斗一号是一个典型的区域导航卫星，因为只有两颗卫星，所以导航的区域就是在咱们国土附近，整个精度其实并不是很高，是百米级的，但是从那时候开始咱们国家真正有了自己的导航社会系统，不再受制于人。
4.整个北斗导航控制系统是从相对弱到强的过程，并且也是智能化的发展过程，这个过程里我们认为智能自主的发展是必由之路。
近年，中国通过“天宫”实验室和“神舟”号载人飞船、“天舟”号货运飞船相继验证了航天器在轨自动、手动和快速自主交会对接技术；通过“嫦娥三号”和“嫦娥四号”验证了地外天体软着陆技术和月面自主巡视技术；通过“北斗”导航系统的建设，验证了我们的高精度姿态与轨道控制技术和卫星的自主导航技术。
2019年中国更是实现了人类首次月球背面的软着陆和巡视探测。系列技术突破的背后无不显示着空间控制技术正在朝着越来越智能的方向发展。
诚然，在人工智能进入了彭勃发展的新时期，作为一个典型领域，空间智能控制技术也必将成为建设航天强国的技术支撑。
本期智研所直播邀请到北京控制工程研究所专家郭建新带来主题演讲 《“睿智”的新一代北斗导航卫星控制系统》。
郭建新：今天非常高兴能够跟大家一起来交流我所从事，、我自己称之为事业的事情，从大概2010年开始从事北斗导航卫星控制系统研发工作，大家也知道去年年底北斗导航卫星应该算是北斗三号宣布了基本系统的组成，这是一个非常重要的标志。
到底能给我们带来什么，以及我们控制系统能够为他做些什么，这是我们今天要跟大家交流的内容，其实就是这四个方面，另外我们想跟大家交流一下我们在控制系统设计，尤其智能这方面我们到底做了什么，以后往哪一方面发展。
首先介绍一下北斗的系列发展，从北斗一号是很早的时候，2000年就发射了两颗卫星，当时应该算是探索，当时叫做北斗导航的实验卫星，一直到2007年，我们一共发了四颗卫星，北斗二号是2006年首发了实验卫星，那时候的实验卫星应该是具有非常重大的工程意义，了解北斗的人知道那时候第一发星对于整个北斗导航的频率的占用至关重要，那是时跟当时欧洲有一定竞争关系。
从2006年一直到今年，北斗二号的最后一颗星发射成功，整个北斗二号发射了20颗星，算是中等偏上规模的星座了。到了北斗三号从2015年开始建设的，当时那一年我们一共发了三颗实验卫星，到现在为止已经发射了20多颗了，一直到明年2020年，整个全网建成应该是要超过30颗卫星，这是我们整个导航的三代发展。
从整个北斗导航来说特点跟大家息息相关的无非就是导航的区域、精度和固有的特色，北斗一号是一个典型的区域导航卫星，因为只有两颗卫星，所以导航的区域就是在咱们国土附近，整个精度其实并不是很高，是百米级的，但是从那时候开始咱们国家真正有了自己的导航社会系统，不再受制于人，局限性在于用户是要注册的，不是像现在一样拿着手机就可以导航，现在的用户已经上百万。
北斗二号从原来的注册状态变成了一个不用注册了，我们直接接收北斗卫星的定位，这是2012年北斗二号组网成功的时候的状况，精度明显比原来高了十米，但是整个范围仍然是在亚太地区。
北斗三号星座明显变大了，30多颗了，精度是更高，提高了一倍，整个覆盖范围已经是全球导航星座，应该算是一个巨大的跨越，也为国家所有的战略实施提供了很多保障，就是北斗三号。
大家可能也了解北斗有一个独步天下的短报文功能，大家也可以发信息通过他传到你想发的地方去，这个短报文的服务，感受最深的应该是在汶川地震那一次，当时所有的汶川地震通讯是中断的，是后来救援队伍进入山区之后用短报文的功能把灾区的情况传过去。
从北斗一号的范围来看，基本上就是沿着我们的国土周边来建设的，整个范围是在北半球附近，但是到北斗二号的时候，范围已经可以扩展到南半球，这就是以后有一颗ICGSO卫星，可以连接到南半球。导航的时候只需要四颗卫星就可以同时对我们的任何一个地方定位。北斗三号整个覆盖范围，这个图只是画出来重点区域，但是全球导航已经全部具备，现在的能力如果就全球能力来说，类似于美国的GPS。因为我们在国土上空有一些卫星，所以自身具有的短报文的功能，一些重点区域的能力增强是有一些特点的。
北斗导航卫星的控制系统在里面发挥着什么样的作用，对于北斗一号来说，当时只是GEO卫星，精度要求没有那么高，同时测量方式也是星地测量，有这么一套流程，所以中间是要花时间去通讯，导航精度也比较低，相应地来说对于卫星的能力要求相对比较低。在2000年的时候，2000年发射，1999年的时候开始研制，那时候卫星的能力比较弱，这是北斗一号的状态。
北斗二号要求我们具有无源导航方式，并且卫星数量也在增量，已经有三种卫星，精度也提高了，同时星载计算能力明显增强，这是两代卫星的计算能力有明显的区别。对于北斗二号来说卫星控制系统的能力有一个比较大的跨越。
北斗三号，目前我们正在建设的这套系统，要求全球的导航精度非常高，承诺的已经不再是国土周边的能力，而是指向全球的精度，对于卫星的可靠性要求非常高，这是在自主性方面，我们目前普通的卫星要求算是比较高了，我们目前卫星在轨的常规动作可以先让自己完成，同时卫星自己出了问题自己能诊治，诊断、能处理，因为卫星还有一些特色的服务，像一些搜救的服务，一个典型例子就是马航MH375370的事件，如果那个时候有我们的北斗三号是可以定位出来的。
整个北斗导航控制系统是从相对弱到强的过程，并且也是智能化的发展过程，这个过程里我们认为智能自主的发展是必由之路，之所以这么说，杨嘉墀院士1995年提出空间自主控制倡议时所提到的必要性完全一致，杨先生提出五条必要性，第一条是指卫星的性能要再提升，因为我觉得这一条对所有的航天器都适用，另外四条对于导航卫星来说非常贴切，首先第一个是卫星寿命的延长，不仅仅需要自身可靠性，不能坏，也需要地面的测控网络包括人员不能出问题，其实是一个非常庞大的网络，所以要求非常高。另外一个就是自身的高可靠，不能中断，导航卫星的中断带来的后果是非常严重的，可能平时感受不出来，但真正要用的时候，发现没有他是非常难受的，所以说从用户的角度来讲，我们是要提高连续不断的导航服务。另外就是怎么去管理，所需要的运维资源太大了，当时整个智能化自主解决这个问题是很重要的，如果卫星不需要地面的支持就能实现是不是能省好多事情。另外就是北斗星座是属于国家的重大基础设施，责任非常重大。
控制系统设计目标来看，主要就是自主的姿态控制，另外就是轨道控制，我们实现卫星的自主获取轨道信息，保证卫星处在合适的位置，另外就是刚才提到的健康管理，卫星的可靠性怎么保证，就靠健康管理来保证。这几个方面都是体现自主的基本特征，就是从自主感知，自主决策到自主行为，这是一些智能体的基本特征。
首先介绍一下北斗三号卫星的组成结构，这边有很多导航的载荷，我们在的控制系统会涉及到非常多的固件硬件，有一些执行的机构。对于自主姿态控制，首先是自主感知，我觉得比较形象的比喻就是卫星需要一双非常锐利的眼睛，能够看准方向，我们导航卫星用到的敏感器期首先是看恒星的敏感器以及看太阳的敏感器，主要使用的是星敏感器。
我们需要一个内在测量就是陀螺，陀螺的测量给出的是星体的角速度，能够测出整个卫星的翻转相对原来的翻转量，目前我们主攻的是这两个非常重要的部件，我们认为信息是很多的，我们需要取长补短，需要把这些资源，这些信息融合起来，来提高整体的精度和抗干扰能力，我指的抗干扰能力是一个典型的。目前大家在做姿态控制的时候非常重要的，、最典型的是如果我们看恒星的时候被干扰了怎么办，有没有办法把干扰信息剔除掉，不能因为他出问题导致我整个控制系统出问题。
另外就是自主决策，自主决策里面得有个大脑，我们导航系统现在也用了综合电子系统，这是一个非常重要的，也是一个相对于北斗二号大的跨越。自主决策里，首先我们需要知道我们控制的目标是什么，控制的目标对于导航卫星来说无非就是像姿态和太阳能翻板帆板，还有导航天线始终向地面为大家服务，另外是轨道控制和发动机点火，我们要保持姿态的稳定。
通过大脑之后产生的是什么，产生的是控制计算的结果，另外就是任务的规划也在这里进行结算，可以理解为我要做什么事情，按哪个步骤来做。还有一个是我们要想一下故障安全的需求，如果我们出了故障应该怎么办，不能盲目地控制，这也是要做的事情。
自主行为，我专门把几个行为提出来跟大家交流，第一个就是姿态的规划，这里面是让我们的卫星太阳帆板始终处于，太阳照射的面上，始终在卫星的面上，始终不会到另外一个面上去，一个是为了能源，另外一个也是为了卫星的热控，热控可能和我们的关系不是很大，但是保证我们卫星的安全，如果不把这个热导走会在内部积累把自己烧坏的，我们必须有一个地方能把热排出来，太阳照射的地方是非常热的，我们一直在调姿。另外是翻帆板，多建了太阳能翻帆板始终对着太阳，还有一个是自主角动量磁的卸载，我们不能用喷气，只能用磁，目前导航卫星所处的轨道，轨道的磁场非常弱，是低轨的磁场强度的1/100，是非常弱的，但我们得用好，是非常重要的资源。另外就是刚才提到的敏感器保护的问题，这些都属于姿态控制的行为，但是这些行为我们都希望是他它自己完成的。
另外一个很重要的方面，轨道控制轨道控制上感知是什。我们导航卫星是为大家定位的，现在谁来给导航卫星定位？我们如果是靠目前地面的测绘来做，这个可以吗？的确是可以的，目前北斗卫星的状态基本上也是这么一个状态。前不久，7月份伽利略卫星系统出了问题，给我们很大启示，整个系统的地面断了，站出了问题以后所有的卫星导航定位无法更新，说白了就是导航定位终止了，给我们一个启示，完全靠地面靠不住，尤其是短期内，另外能不能像手机导航接受其他的导航信号呢？也不行，因为我们的导航卫星所发出的导航信号在周边非常强，如果接收对面的导航信号到我这里已经几万公里了，根本检索不出来。
现在一种情况是靠地面定位，另外一个是自己知道自己在哪儿，目前我们都靠单星导航，这种导航是完全靠自己，不用靠别人，但是精度不足以支持导航卫星的精度，但可以保证我们的控制系统是好的。还有一个非常重要的是相对导航，一个网络下大家都在测，短期内能够把一个卫星的精度控制到非常高，但是这个星座长期慢慢就会分割，所以需要一些其他的设备定住，所以我们现在有一些技术在发展，能够让我们的整个导航卫星的精度不仅能定的准，还能够定的稳，我们整个定住的结果能支撑导航。
自主决策是什么呢？可能大家看一些视频，包括一些演示动画，所有卫星轨道运行大家看是一个光滑的轨迹，很平滑，但实际上从我们的角度来看，卫星在运行过程中总是在那儿波动的，这些波动是由一些其他的摄动，包括日月对他的牵扯，引力上的牵扯，以及我们的光压对他的辐射，导致他所有的卫星轨道并不是我们所想象的那么稳，在我们这些外在对他的影响情况下，我们怎么去消除他，这是我们轨道控制要做的事情。
无非就是一个轨道获取之后的实施、监督和故障健康的判断，这些内容其实都是轨道控制的一些内容，我们还有一些发展的方向，第一个卫星从火箭发射上天之后，从发射一直到最后定点，整个过程是地面来操纵的，任务的抉择不是由卫星自己来完成，我们以后是不是可以做到卫星发射后就不管了，可以自动完成这些工作。第二个就是我们能不能在轨对于导航星座的性能进行评估，所谓性能评估就是卫星如果真的产生了相对的运动偏离了，对于地面导航性能的覆盖是下降的，这种情况下我们现在靠地面的人去算，一大波人在做这件事情，星上能不能做，如果知道自己性能下降有欠缺，他能不能调整，能不能把这个性能弥补回来，这也是以后我们想做的。行为落实到最后一点就是整个发动机的点火，我们要把一个卫星控制好，我们只有通过发动机的点火才能产生一个运动中位移的变化，只能是通过发动机来做，如果卫星入轨需要大能量，需要490牛顿牛方的发动机。我们所有的控制都是弄到一个小的范围之内，不能飘走，如果飘走了之后，如果飘走会撞到其他的卫星，影响别人的业务，所以所有的东西都要你的范围内进行保持。
最后一个是健康管理，我们觉得健康管理的目的就是构建一套故障诊断、隔离和重构的机制，我形容为一个全科医生，既能够进行局部的诊断又能够进行卫星全方位状况的监视，他首先需要一些资源，他的信息就是各个地方测量的信息，包括各个部件的信息，包括系统的信息，也包括轨道信息，以及其他外界的，包括我刚才说的热的信息，所有的信息都在里面，我们在综合电子体系下，我们在这种体系下信息的获得是比较方便的，这是北斗三号相对二号有优势的点，信息资源的获取非常方便。
决策和行为我认为是密不可分的状态，从导航卫星入轨开始整个健康管理要伴随着卫星运行，我们在不同阶段的时候这种策略是不一样的，现在我们的卫星已经十几颗卫星了，目前运行的比较稳定，这套系统也发挥了它的作用。
我们简单把功能进行一个描述，包括单机的功能，单机的功能形象描述为“头痛医头，脚头医脚”的问题，异常情况下可能会切除用另外一个备份，也可以用其他的信息，这样的话可以把这一块的单机隔离。另外是一个系统性的故障，这个有点像中医，就看你舌头的颜色，通过这些方式就知道你可能在哪些方面有问题，可能吃一服汤药就能恢复健康，更多是系统性的故障。如果前期这些方面都解决不了问题的情况下，我们就需要保命，这种情况下任务是没办法做维持的。还有一个是漏诊、误诊的问题，我们认为每一个健康管理都离不开这个问题，漏诊的问题在很多地方都会碰到，还有一类问题可能真的没办法处理，今年4月份美国有一个通讯公司是贮箱漏了，卫星旋转悬起来，核心的执行机构已经完全失去了能力，最后通过旋转之后把卫星解体，这种情况下在我能理解的故障诊断的情况下和处理的情况下没办法解决，但是一般的问题我觉得卫星都能够进行很好的诊断和处理。
简单说一下我们自己对北斗导航卫星控制系统未来的发展和展望，首先肯定还是沿着自主化的方向前进，但是我们认为整个智能化水平有待提高，当时吴院士有一本专著对整个智能化水平进行了划分，我进行了对比，我觉得我们现在的水平大概只能在他所划分的初期智能化的水平，再往后走要考虑到我们真的是能够把一些重大的任务，进行一些自学习的更新，再往下走才是我们前进的方向。
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