蓄勢待發(fā)！人工智能參與太空探索“新賽道”

ChatGPT的出現(xiàn)，引爆了新一輪關(guān)于人工智能的討論。那么在需要處理大量數(shù)據(jù)、協(xié)同大量儀表設(shè)備的航天領(lǐng)域中，人工智能是如何應(yīng)用的呢？雖然目前人工智能還遠沒有達到科幻小說中描述的那種程度，但它是一種不斷發(fā)展的技術(shù)，可以在航天活動中發(fā)揮很大的作用。

人類和人工智能聯(lián)手探索太空的時代終將到來

預(yù)計人工智能將提高我們監(jiān)測地球軌道觀測衛(wèi)星和長途航行航天器的能力。通過將人工智能與機器人技術(shù)相結(jié)合，我們可能會看到能夠自行探索遙遠行星和衛(wèi)星的機器人。

在現(xiàn)代空間探索時代，人工智能（AI）已成為尋找知識的重要工具?？茖W(xué)家使用AI和機器學(xué)習(xí)（ML）模型來實現(xiàn)自動化航天器操作，分析大量數(shù)據(jù)，甚至可以挽救生命。根據(jù)國外研究人員的梳理，AI在太空探索中，大概有7種主要的用途。

機器人

人工智能控制的機器人可以在障礙物周圍自主導(dǎo)航。這種技術(shù)的出現(xiàn)已經(jīng)不是最近的事了。像勇氣號、機遇號和好奇號這樣的漫游車，已經(jīng)在火星表面進行了十多年的完全自主導(dǎo)航。

人工智能已經(jīng)在火星車上得到了應(yīng)用

漫游車用傳感器可以探測環(huán)境危害，比如巖石、隕石坑等，然后用Al分析數(shù)據(jù)，確定最佳前進路徑。這確保了漫游車可以安全通過，不發(fā)生碰撞風(fēng)險。比如在毅力號漫游車上使用的AEGIS，就是一種基于計算機視覺的探測系統(tǒng)，不但能避障，還能發(fā)現(xiàn)有趣的巖石進行采樣。這個系統(tǒng)的應(yīng)用，為完全自主的太空探索漫游車鋪平了道路。

除了漫游車之外，飛行的探測器同樣可以用上人工智能。目前，探測器需要與地球通信來完成任務(wù)，但采用人工智能的自主航天器，將有效降低探索太陽系的風(fēng)險，降低任務(wù)成本。這個領(lǐng)域的主要內(nèi)容包括自主導(dǎo)航、自動遙測分析和軟件升級。

1998年，美國宇航局發(fā)射了深空1號（DS1）技術(shù)演示航天器。其主要任務(wù)是測試12項先進的高風(fēng)險技術(shù)，包括自動導(dǎo)航。該任務(wù)延長了兩次后，于2001年結(jié)束。在飛行期間，“深空1號”的飛行實驗由人工智能“遠程代理”控制，創(chuàng)造了歷史。人工智能的表現(xiàn)超出了所有人的預(yù)期。它可以檢測、診斷和修復(fù)任務(wù)中遇到的問題，使任務(wù)順利運行。

歐空局的赫拉行星防御任務(wù)將利用人工智能，融合來自不同傳感器的數(shù)據(jù)，建立其周圍環(huán)境的模型，并由星上計算機自主做出決定，在太空中引導(dǎo)自己飛向小行星，方法類似于自動駕駛汽車。

衛(wèi)星運營

傳統(tǒng)上，衛(wèi)星的運營都是人工直接干預(yù)的,但隨著星座規(guī)模的擴大，這樣的方式已經(jīng)無法持續(xù)下去了。特別是超大規(guī)模星座出現(xiàn)后，總不能用幾千甚至上萬人，日夜不停地操縱一個星座吧。人工智能正在革新衛(wèi)星的運行方式，為管理衛(wèi)星運行提供更高效、更智能、更快速的解決方案。

分布式衛(wèi)星星座可以靠人工智能提升性能

在這個問題上，星鏈系統(tǒng)的運營商太空探索技術(shù)公司需求最強烈。他們的星座要是靠人力來運營，簡直是不可能的事情。因此，這家公司使用人工智能驅(qū)動的算法幫助其導(dǎo)航衛(wèi)星避免與軌道上的其他衛(wèi)星發(fā)生碰撞；用衛(wèi)星傳感器的數(shù)據(jù)組合，包括其位置和速度，以識別潛在的危險機動，計算機控制并調(diào)整衛(wèi)星的速度和方向，以避免即將發(fā)生的碰撞。

2021年，歐空局和德國人工智能研究中心（DFKI）還成立了一個聯(lián)合技術(shù)轉(zhuǎn)移實驗室，致力于人工智能系統(tǒng)的衛(wèi)星自主性、防撞能力等。

人工智能還可以優(yōu)化將衛(wèi)星操縱到正確軌道的過程，減少所需的燃料和達到所需軌道位置需要的時間。特別是當(dāng)今軌道上的垃圾越來越多，人工智能可以自動執(zhí)行碎片規(guī)避機動，為空間碎片問題提供部分解決方案。

不過一些專家對此有些擔(dān)心，這樣的技術(shù)應(yīng)用，需要衛(wèi)星業(yè)主之間共享數(shù)據(jù)，這可能帶來商業(yè)機密的泄露。即使如此，還是有不少衛(wèi)星企業(yè)、行業(yè)機構(gòu)在研究相關(guān)技術(shù)。另外，人工智能的廣泛使用增加了人們對黑客的擔(dān)憂。黑客可能會操縱軟件，導(dǎo)致信號阻斷，接管和破壞衛(wèi)星。不過運營商可以反其道而行之，優(yōu)先利用人工智能支持網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用，領(lǐng)先惡意行為者一步。

數(shù)據(jù)分析

人工智能可以提供更準(zhǔn)確有效的分析空間任務(wù)數(shù)據(jù)的方法。機器學(xué)習(xí)算法可以幫助識別來自衛(wèi)星、探測器和其他空間探索工具的數(shù)據(jù)，為人類指示出潛在的重大發(fā)現(xiàn)和風(fēng)險、異常。

人工智能可以從遙感圖像中識別船只

地球觀測-1衛(wèi)星是美國宇航局和美國地質(zhì)調(diào)查局開發(fā)的一項衛(wèi)星成像任務(wù)。該衛(wèi)星于2000年11月發(fā)射，旨在展示新的地球觀測技術(shù)，并提供監(jiān)測陸地表面動態(tài)的先進能力。該任務(wù)結(jié)合了3個高分辨率傳感器，用于研究各種主題，包括生態(tài)過程、自然災(zāi)害、土地利用變化、城市規(guī)劃和全球氣候變化。星上配備了一個名為“自主科學(xué)代理”的軟件，使其能自主探測并響應(yīng)地球上發(fā)生的事件。該軟件包由科學(xué)數(shù)據(jù)分析、審慎規(guī)劃和運行時穩(wěn)健執(zhí)行系統(tǒng)組成。

人工智能還可以幫助識別數(shù)據(jù)趨勢，并通過預(yù)測分析，提供比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析方法更詳細的見解，而無需理會大量不必要的數(shù)據(jù)。歐空局通過使用人工智能挖掘大量數(shù)據(jù)，提取了不少有意義的信息，并且投入了應(yīng)用，包括用遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)控購物中心的汽車數(shù)量、預(yù)測零售商的財務(wù)表現(xiàn)、監(jiān)控氣候變化以及支持警方抓捕肇事者等。

歐空局目前正致力于打造地球數(shù)字孿生，這是一個不斷提供地球觀測數(shù)據(jù)和人工智能的地球復(fù)制品，以幫助可視化和預(yù)測地球上的自然和人類活動。而“快速行動地球觀測”項目，可以用來監(jiān)測經(jīng)濟指標(biāo)。商業(yè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)和人工智能的組合，已經(jīng)在監(jiān)測德國一家汽車制造商的生產(chǎn)變化和巴塞羅那機場的空中交通。2020年9月發(fā)射的FSSCat衛(wèi)星是歐洲第一個搭載人工智能的地球觀測任務(wù)，星上搭載了衛(wèi)星-1人工智能芯片，正在提高向地球發(fā)回大量數(shù)據(jù)的效率。

火箭著陸

獵鷹9火箭和“星艦”的自動著陸，為人們開辟了火箭重復(fù)使用的新時代。這項成績的取得，與人工智能的應(yīng)用是分不開的。太空探索技術(shù)公司一直在用人工智能監(jiān)控和分析來自火箭傳感器和遙測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，從而更好地做出決策，更精確地控制火箭的軌跡和速度。這家公司還使用人工智能自動化火箭著陸程序的某些方面，例如控制發(fā)動機和起落架，確?；鸺幱谧罴阎懳恢谩?/p>

預(yù)測性維護

人工智能可幫助實施衛(wèi)星操作和火箭著陸，還可以使用相同的數(shù)據(jù)，來確定預(yù)防性維護的潛在領(lǐng)域。機器學(xué)習(xí)模型可以預(yù)測未來的故障或性能問題，并提出減少風(fēng)險的行動計劃。這可以大大降低維護成本，幫助挽救航天員的生命。這對于未來的太空旅游甚至太空移民，都是至關(guān)重要的。

恒星和星系測繪

由于基于AI的算法可以檢測、分類和識別恒星和星系數(shù)據(jù)中的模式，使天文學(xué)家能夠準(zhǔn)確識別太空中的恒星和星系，甚至了解它們的物理特征（如質(zhì)量和年齡）。而且，通過利用人工智能預(yù)測恒星和星系隨時間的變化，天文學(xué)家現(xiàn)在可以非常詳細地繪制星圖，用于未來的測繪和探索工作。

美國宇航局與谷歌合作，訓(xùn)練人工智能算法，用以有效地篩選“開普勒”任務(wù)的數(shù)據(jù)。開普勒空間望遠鏡的主要任務(wù)，是尋找位于其主恒星適居帶內(nèi)的地球大小的行星。通過9年的數(shù)據(jù)收集，“開普勒”已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2600多顆行星，其中包括太陽系外宜居帶中第一顆經(jīng)過驗證的地球大小的行星。預(yù)計科學(xué)家將在不久的將來發(fā)現(xiàn)更多的系外行星。

通過人工智能的分析，美國宇航局的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了開普勒90系列小行星

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡最引人矚目的地方當(dāng)然是6.5米口徑的主鏡。其實，這個鏡頭要想充分發(fā)揮作用，所依賴的是在機器學(xué)習(xí)模型“孟菲斯”幫助下生成的大量數(shù)據(jù)?！懊戏扑埂庇脕硖綔y并分類深空星系，幫助繪制宇宙中最早的結(jié)構(gòu)。而“孟菲斯”的前身在哈勃空間望遠鏡上進行過訓(xùn)練，有一定的成熟度。

行星地質(zhì)學(xué)（天體地質(zhì)學(xué)）

利用人工智能，科學(xué)家現(xiàn)在可以檢測和分類行星和衛(wèi)星上的地質(zhì)特征，如火山口、火山和其他表面特征。這項技術(shù)還可以用于生成行星表面的詳細3D模型，這可以幫助科學(xué)家更好地了解行星或月球的環(huán)境和歷史。

更多應(yīng)用前景

除了上述七大應(yīng)用之外，人工智能在太空中還有更多的應(yīng)用前景。

美國宇航局成立了一個人工智能小組，開展基礎(chǔ)研究，支持科學(xué)分析、航天器操作、任務(wù)分析、深空網(wǎng)絡(luò)操作和空間運輸系統(tǒng)。他們研究了如何使用認知無線電，讓通信網(wǎng)絡(luò)更加高效和可靠。認知無線電可以識別通信頻帶中的“白噪聲”區(qū)域，并將其用于傳輸數(shù)據(jù)，這大大提高了有限通信頻率資源的使用效率，并使延遲時間最小化。美國宇航局最近還應(yīng)用人工智能校準(zhǔn)太陽圖像，改善了科學(xué)家用于太陽研究的數(shù)據(jù)。對于深空探索，美國宇航局還考慮設(shè)計更多的自主航天器和著陸器，以便在現(xiàn)場做出決定，消除了通信中繼時間造成的延遲。

2018年，德國航空航天中心推出了一款人工智能助手——乘員交互式移動伴侶（CIMON和CIMON-2）。CIMON是一種自由漂浮的球形設(shè)備，具備語音識別、面部識別、物體識別和自然語言處理功能。它可以幫助航天員完成組裝設(shè)備或提供指令等任務(wù)。第一代CIMON在飛行14個月后已經(jīng)返回地球，CIMON-2在2019年12月抵達國際空間站進行替換。德國航空航天中心還于2021成立了人工智能安全研究所，繼續(xù)探索有關(guān)的技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用。

CIMON和航天員互動

日本宇宙航空研究開發(fā)機構(gòu)開發(fā)了一種智能系統(tǒng)IntBall，為國際空間站日本艙“筑波”拍照。它的開發(fā)是為了促進空間站內(nèi)外實驗的自主性，同時尋求獲得未來探索任務(wù)所需的機器人技術(shù)。

法國航天局CNES正在與法國公司Clemensy合作，開發(fā)一種使用人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的流體系統(tǒng)模擬器。英國航天局資助了一個項目，使用人工智能在衛(wèi)星圖像中探測埋藏的考古遺跡，意大利航天局甚至聯(lián)合創(chuàng)立了一家專注于人工智能的公司。

人工智能可以顯著改善衛(wèi)星制造工藝，特別是在需要進行精密工程來組裝多個部件的情況下。新開發(fā)的人工智能技術(shù)可以執(zhí)行繁瑣、耗時但必要的任務(wù)，例如清潔衛(wèi)星部件。它可以自動收集測量結(jié)果，并與工程師共享核心組件的健康狀態(tài)更新。人工智能的這種應(yīng)用不僅會產(chǎn)生利潤，還會減少生產(chǎn)時間，提高發(fā)射頻率。