隨著航天事業(yè)的發(fā)展，在軌衛(wèi)星數(shù)量不斷增多，衛(wèi)星在軌測(cè)控管理工作日益繁重。測(cè)控管理的主要任務(wù)是：衛(wèi)星軌道、姿態(tài)測(cè)量及控制；星上儀器管理；衛(wèi)星工況監(jiān)視及故障處理；衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集與匯總等。這些任務(wù)具有工作時(shí)間長(zhǎng)、技術(shù)難度大、故障檢測(cè)與排除實(shí)時(shí)性要求高、知識(shí)分散等特點(diǎn)。采用人工管理方式消耗大量人力，且難以滿足測(cè)控需要。構(gòu)建衛(wèi)星測(cè)控管理專家系統(tǒng)，可以提高管理的可靠性，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使一些實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的故障能夠得到及時(shí)發(fā)現(xiàn)與排除。

1 專家系統(tǒng)分析

    　專家系統(tǒng)是一種以知識(shí)為基礎(chǔ)的具有專家解決問(wèn)題能力的軟件系統(tǒng)，主要由知識(shí)和推理方法兩大部分組成，其工作過(guò)程更接近于人類習(xí)慣的方式和要求。他除了運(yùn)用一些通用的推理規(guī)則和邏輯思維外，更重要的是靈活運(yùn)用專家們?cè)谔囟I(lǐng)域內(nèi)的專門(mén)知識(shí)和特殊法則，能夠像領(lǐng)域?qū)＜乙粯庸ぷ鳎\(yùn)用專家多年積累的工作經(jīng)驗(yàn)與專門(mén)知識(shí)，在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)問(wèn)題得出高水平的解答，其實(shí)質(zhì)上是“一個(gè)在某領(lǐng)域具有專家水平解題能力的程序系統(tǒng)”。按推理機(jī)制，專家系統(tǒng)可分為基于規(guī)則推理和基于模型推理的專家系統(tǒng)；按運(yùn)行速度和工作方式

2 專家系統(tǒng)在衛(wèi)星測(cè)控領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

   　 測(cè)控系統(tǒng)擔(dān)負(fù)著控制和監(jiān)視在軌衛(wèi)星運(yùn)行的任務(wù)，目標(biāo)飛行速度快、情況復(fù)雜、影響面廣，專家系統(tǒng)應(yīng)用于測(cè)控領(lǐng)域會(huì)使測(cè)控系統(tǒng)自動(dòng)化程度和效率大大提高，一些實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的衛(wèi)星故障能得到及時(shí)的發(fā)現(xiàn)與排除，測(cè)控能力明顯增強(qiáng)。目前，專家系統(tǒng)在航天測(cè)控領(lǐng)域的主要應(yīng)用有：故障診斷、測(cè)控計(jì)劃安排、測(cè)控總體設(shè)計(jì)與咨詢以及航天器在軌壽命預(yù)測(cè)、靶場(chǎng)安全決策、事后分析報(bào)告生成和仿真模擬等。

（1） 分析識(shí)別與診斷

　　可用于航天器故障診斷，地面設(shè)備的故障診斷和遙感圖像識(shí)別與分析，可取代大量人工操作。

（2） 復(fù)雜任務(wù)咨詢

　　衛(wèi)星總體設(shè)計(jì)咨詢，對(duì)衛(wèi)星組件的管理和運(yùn)輸提出忠告，處理系統(tǒng)內(nèi)的不協(xié)調(diào)，設(shè)計(jì)提示與設(shè)計(jì)圖紙審查，熱模型優(yōu)化，用戶要求的確定和系統(tǒng)評(píng)價(jià)等。

（3） 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　完成航天器推進(jìn)系統(tǒng)管道敷設(shè)，衛(wèi)星通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)，自動(dòng)化軟件系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和測(cè)控通信系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)等。

（4） 規(guī)劃調(diào)度與安排

　　衛(wèi)星部件制造過(guò)程的規(guī)劃與安排，衛(wèi)星操作調(diào)度安排，星上儀器的工作調(diào)度與規(guī)劃安排，航天計(jì)劃的規(guī)劃與費(fèi)用估算和地面測(cè)控網(wǎng)設(shè)備調(diào)度與安排等。

（5） 監(jiān)視管理與實(shí)時(shí)控制

　　星上電源管理，發(fā)射場(chǎng)危險(xiǎn)操作的控制與管理，衛(wèi)星空間位置和姿態(tài)的監(jiān)視與控制，溫控系統(tǒng)的管理，任務(wù)操作中心軟件工作狀態(tài)的監(jiān)視以及測(cè)控管理和性能分析等。

3 衛(wèi)星測(cè)控管理專家系統(tǒng)需求分析

    　衛(wèi)星工程是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，經(jīng)過(guò)項(xiàng)目立項(xiàng)、方案論證、可行性研究、初樣試制、正樣試制、單元測(cè)試、星地對(duì)接、總裝測(cè)試、系統(tǒng)演練、發(fā)射升空、軌道與姿態(tài)的捕獲、在軌測(cè)試、長(zhǎng)期管理等諸多環(huán)節(jié)，在此過(guò)程中積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，特別是故障判別、定位、處理等關(guān)鍵知識(shí)。因此，可以利用人工智能領(lǐng)域中專家系統(tǒng)的理念和方法，將衛(wèi)星研制專家和總體技術(shù)人員的專業(yè)知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)及處理故障的方法和思路繼承下來(lái)，構(gòu)建衛(wèi)星測(cè)控管理專家系統(tǒng)，以專家知識(shí)輔助，提高衛(wèi)星管理的可靠性，降低風(fēng)險(xiǎn)和工作強(qiáng)度，提高測(cè)控管理的負(fù)載能力。

（1） 故障對(duì)策

　　衛(wèi)星測(cè)控管理期間，針對(duì)星上可能出現(xiàn)的故障，及時(shí)、準(zhǔn)確地提供故障對(duì)策，確保衛(wèi)星運(yùn)行安全。

（2） 測(cè)控系統(tǒng)故障查尋

　　衛(wèi)星長(zhǎng)管期間，測(cè)控系統(tǒng)應(yīng)正常運(yùn)行。但是，由于測(cè)控系統(tǒng)涉及軟、硬件的環(huán)節(jié)較多，給實(shí)時(shí)檢查、故障分析帶來(lái)較大困難，因此需要提供及時(shí)、準(zhǔn)確的地面測(cè)控系統(tǒng)故障查尋、定位手段。

（3） 在軌衛(wèi)星變化趨勢(shì)預(yù)測(cè)

　　衛(wèi)星測(cè)控管理期間，能夠針對(duì)衛(wèi)星當(dāng)前狀態(tài)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，提供今后一段時(shí)期內(nèi)衛(wèi)星變化趨勢(shì)的預(yù)測(cè)手段（特別是關(guān)系到衛(wèi)星安全的關(guān)鍵參數(shù)的變化趨勢(shì)），供測(cè)控管理人員參考分析，力爭(zhēng)做到防患于未然。

4 衛(wèi)星測(cè)控管理專家系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

    　衛(wèi)星測(cè)控管理專家系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可分為確定專家系統(tǒng)領(lǐng)域，收集領(lǐng)域知識(shí)、開(kāi)發(fā)表示知識(shí)的詞匯、建立知識(shí)庫(kù)和測(cè)試知識(shí)庫(kù)等4個(gè)步驟。

    　首*行的工作是確定專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)的領(lǐng)域。這一過(guò)程包括分割應(yīng)用領(lǐng)域、確定推理流程、合成人機(jī)對(duì)話和確定性能指標(biāo)，這一階段是問(wèn)題的定義和描述階段。在知識(shí)的表示中主要對(duì)*階段建立的問(wèn)題與子問(wèn)題確定屬性，定義屬性的值，并編寫(xiě)檢驗(yàn)詞匯的規(guī)則。在建立知識(shí)庫(kù)時(shí)要形成書(shū)面形式的規(guī)則庫(kù)。zui后一個(gè)階段是測(cè)試知識(shí)庫(kù)，這包括準(zhǔn)備一套能包含所有規(guī)則的測(cè)試用例，對(duì)知識(shí)庫(kù)以及推理過(guò)程進(jìn)行測(cè)試。

4.1 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

　　衛(wèi)星測(cè)控管理專家系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)包括用戶界面、知識(shí)庫(kù)和數(shù)據(jù)庫(kù)、推理執(zhí)行機(jī)構(gòu)、知識(shí)規(guī)則生成器、動(dòng)態(tài)事件生成和調(diào)度模塊（圖2）。系統(tǒng)的核心部分是知識(shí)庫(kù)和推理機(jī)。

 
　　系統(tǒng)建立時(shí)，首先獲取各個(gè)型號(hào)專家和總體技術(shù)人員的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，形成大量的事實(shí)類和規(guī)則類知識(shí)。通過(guò)知識(shí)規(guī)則編輯器對(duì)收集的知識(shí)進(jìn)行編輯，形成專家系統(tǒng)知識(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，供系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)調(diào)用。系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)行時(shí)，獲取遙、外測(cè)原始數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)測(cè)控中心衛(wèi)星應(yīng)用軟件處理系統(tǒng)，產(chǎn)生相應(yīng)衛(wèi)星遙、外測(cè)處理結(jié)果電文和有關(guān)軌道、姿態(tài)、預(yù)報(bào)等計(jì)算結(jié)果。遙測(cè)數(shù)據(jù)處理濾波軟件將該結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)濾波、壓縮及預(yù)處理結(jié)果、計(jì)算結(jié)果及相應(yīng)的人工干預(yù)控制信息、根據(jù)不同衛(wèi)星和不同決策功能產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)態(tài)事件，作為決策、推理、控制的依據(jù)。根據(jù)不同衛(wèi)星和不同的決策要求，進(jìn)行規(guī)則加載、系統(tǒng)初始化、動(dòng)態(tài)事件加入等控制，并調(diào)用推理、決策子系統(tǒng)，完成相應(yīng)推理過(guò)程。zui后將推理、決策結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)， 并提供給輸入／輸出控制軟件。輸入／輸出控制軟件完成推理結(jié)果的顯示、報(bào)警、處理、確認(rèn)、執(zhí)行及解釋干預(yù)等過(guò)程，zui終完成專家決策及結(jié)果的保存工作。

4.2 系統(tǒng)主要軟件的基本功能及實(shí)現(xiàn)

4.2.1 知識(shí)庫(kù)的建立

　　知識(shí)庫(kù)是專家知識(shí)、測(cè)控領(lǐng)域知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)、常識(shí)等知識(shí)的存貯器，包括作為推理基礎(chǔ)的規(guī)則和作為推理依據(jù)的事實(shí)。知識(shí)獲取是建立本系統(tǒng)的重點(diǎn)，他包括事實(shí)性知識(shí)的獲取和規(guī)則性知識(shí)的獲取。事實(shí)性知識(shí)主要是測(cè)控網(wǎng)的組成與布局狀態(tài)、測(cè)控系統(tǒng)與設(shè)備名稱、測(cè)量元素、性能和功能等；規(guī)則性知識(shí)主要是測(cè)控管理設(shè)計(jì)過(guò)程中的基本推理方法和策略，規(guī)則性知識(shí)又稱元知識(shí)，大部分來(lái)自于測(cè)控專家的經(jīng)驗(yàn)和訣竅。這些知識(shí)可以有效協(xié)調(diào)衛(wèi)星測(cè)控管理設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟，調(diào)度各設(shè)計(jì)步驟涉及的事實(shí)和方法，縮小推理空間，提高推理速度。知識(shí)庫(kù)的建立包括知識(shí)庫(kù)（文件）的創(chuàng)建、刪除、分解、合并等。

4.2.2 推理機(jī)的建立

　　在專家系統(tǒng)中推理方式主要有：正向推理、反向推理和正反向混合推理。在日常測(cè)控管理中，由于綜合數(shù)據(jù)庫(kù)中所用的原始數(shù)據(jù)主要是從故障信息中采集，知識(shí)庫(kù)中的知識(shí)也相應(yīng)具體化，所以適宜采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略來(lái)實(shí)現(xiàn)正向推理。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1） 首先由程序收集故障信息中的原始數(shù)據(jù)，作為事實(shí)存放到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（2） 推理機(jī)用這些事實(shí)與知識(shí)庫(kù)中規(guī)則的前提事實(shí)進(jìn)行匹配。首先應(yīng)能將知識(shí)庫(kù)中的一條規(guī)則的前提事實(shí)取出來(lái)，而后，看這些前提事實(shí)是否在數(shù)據(jù)庫(kù)中，若不全在，則進(jìn)行下一條規(guī)則匹配，若全在，則匹配成功；

（3） 把匹配成功的規(guī)則結(jié)論部分的事實(shí)作為新的事實(shí)加到數(shù)據(jù)庫(kù)中；

（4） 用更新后的數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有事實(shí)，重復(fù)上述（2），（3）步，反復(fù)進(jìn)行，直到得出結(jié)論或不再有新的事實(shí)加到數(shù)據(jù)庫(kù)中為止。

4.2.3 調(diào)度軟件

　　調(diào)度軟件根據(jù)不同衛(wèi)星和衛(wèi)星的不同管理要求按時(shí)序自動(dòng)調(diào)度衛(wèi)星的各種應(yīng)用軟件和專家系統(tǒng)的所有軟件。調(diào)度軟件則受命令輸入窗口的控制。

4.2.4 輸入／輸出軟件

　　輸入／輸出軟件根據(jù)用戶選擇的不同功能及不同衛(wèi)星名稱完成相應(yīng)推理結(jié)果的輸出、推理干預(yù)、推理解釋以及結(jié)果管理．并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行控制。

4.2.5 遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮處理軟件

　　該軟件主要對(duì)衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行壓縮，提取有關(guān)測(cè)試點(diǎn)的遙測(cè)信息特征并進(jìn)行預(yù)處理，以保證推理所用數(shù)據(jù)的可信度，使系統(tǒng)推理診斷決策更加可靠。衛(wèi)星遙測(cè)參數(shù)處理描述文件給出參數(shù)結(jié)構(gòu)、特征提取標(biāo)記、參數(shù)處理方法標(biāo)記、處理結(jié)果存放描述等。根據(jù)描述文件對(duì)遙測(cè)參數(shù)進(jìn)行正確性檢驗(yàn)、主副幀處理及壓縮和預(yù)處理。

4.2.6 動(dòng)態(tài)事件生成

　　動(dòng)態(tài)生成軟件匯集衛(wèi)星各分系統(tǒng)遙測(cè)參數(shù)、衛(wèi)星軌道參數(shù)、衛(wèi)星姿態(tài)、衛(wèi)星跟蹤預(yù)報(bào)、衛(wèi)星設(shè)備故障歷史資料等信息，進(jìn)行動(dòng)態(tài)事件生成。當(dāng)推理過(guò)程需人工干預(yù)時(shí)，通過(guò)命令加入人工干預(yù)動(dòng)態(tài)事件，讓其與其他動(dòng)態(tài)事件一起參加推理。

　4.2.7 決策推理控制

決策推理控制主要負(fù)責(zé)推理機(jī)控制及推理結(jié)果的管理。具體過(guò)程如下：

（1） 檢測(cè)事件與決策功能是否相符；
（2） 清除推理機(jī)事件；
（3） 加載事實(shí)類和規(guī)則類知識(shí)；
（4） 加載動(dòng)態(tài)事件；
（5） 抹去記事冊(cè)中所有被激活的規(guī)則和事實(shí)表中所有的事件，然后將定義事件組語(yǔ)句中所有事件輸入到事件表中；
（6） 執(zhí)行規(guī)則推理，直到對(duì)所有規(guī)則的推理完成后才算完成一次規(guī)則推理；
（7） 當(dāng)決策推理有結(jié)果時(shí)，調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)輸出接口進(jìn)行結(jié)果輸出整理；
（8） 推理結(jié)果送輸出功能并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)或知識(shí)庫(kù)。

4.2.8 知識(shí)和知識(shí)規(guī)則編輯器

　　針對(duì)航天測(cè)控領(lǐng)域知識(shí)多和任務(wù)多的特征，專門(mén)設(shè)計(jì)了知識(shí)表達(dá)語(yǔ)言。以知識(shí)原子為知識(shí)表達(dá)的基本單位，將知識(shí)的規(guī)則表達(dá)和框架表示有機(jī)結(jié)合在一起；知識(shí)描述適應(yīng)于事件、對(duì)象（包括計(jì)算公式）并將科學(xué)計(jì)算與推理結(jié)合起來(lái)。推理機(jī)的主要控制策略采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)策略，用規(guī)則知識(shí)原子（規(guī)則）表示故障處理方法，每次故障處理后的經(jīng)驗(yàn)等。知識(shí)規(guī)則編輯器軟件對(duì)外部知識(shí)進(jìn)行語(yǔ)法檢測(cè)、知識(shí)壓縮，并轉(zhuǎn)換成推理機(jī)所需的內(nèi)部格式。此外，還對(duì)知識(shí)的存取權(quán)限、知識(shí)維護(hù)進(jìn)行管理。

5 結(jié) 語(yǔ)

    　專家系統(tǒng)在導(dǎo)彈航天領(lǐng)域的應(yīng)用取得了明顯效果，應(yīng)用于衛(wèi)星管理系統(tǒng)，能夠及時(shí)檢測(cè)和診斷故障，完成衛(wèi)星的可靠管理，維持其正常運(yùn)行和應(yīng)用，能夠提高航天器管理的自動(dòng)化程度，起到提高工作效率的作用。