专家系统在卫星测控管理中的应用技术研究

随着航天事业的发展，在轨卫星数量不断增多，卫星在轨测控管理工作日益繁重。测控管理的主要任务是：卫星轨道、姿态测量及控制；星上仪器管理；卫星工况监视及故障处理；卫星数据收集与汇总等。这些任务具有工作时间长、技术难度大、故障检测与排除实时性要求高、知识分散等特点。采用人工管理方式消耗大量人力，且难以满足测控需要。构建卫星测控管理专家系统，可以提高管理的可靠性，降低劳动强度，使一些实时性较强的故障能够得到及时发现与排除。

1 专家系统分析

专家系统是一种以知识为基础的具有专家解决问题能力的软件系统，主要由知识和推理方法两大部分组成，其工作过程更接近于人类习惯的方式和要求。他除了运用一些通用的推理规则和逻辑思维外，更重要的是灵活运用专家们在特定领域内的专门知识和特殊法则，能够像领域专家一样工作，运用专家多年积累的工作经验与专门知识，在很短时间内对问题得出高水平的解答，其实质上是“一个在某领域具有专家水平解题能力的程序系统”。按推理机制，专家系统可分为基于规则推理和基于模型推理的专家系统；按运行速度和工作方式可分为实时专家系统和非实时专家系统；按结构形式可分为集中式专家系统和分布式或功能分布式专家系统。一般而言，典型的专家系统主要由知识获取模块、知识库、推理机和人机接口等4部分组成(图1)。

2 专家系统在卫星测控领域的应用现状

测控系统担负着控制和监视在轨卫星运行的任务，目标飞行速度快、情况复杂、影响面广，专家系统应用于测控领域会使测控系统自动化程度和效率大大提高，一些实时性较强的卫星故障能得到及时的发现与排除，测控能力明显增强。目前，专家系统在航天测控领域的主要应用有：故障诊断、测控计划安排、测控总体设计与咨询以及航天器在轨寿命预测、靶场安全决策、事后分析报告生成和仿真模拟等。

(1) 分析识别与诊断

可用于航天器故障诊断，地面设备的故障诊断和遥感图像识别与分析，可取代大量人工操作。

(2) 复杂任务咨询

卫星总体设计咨询，对卫星组件的管理和运输提出忠告，处理系统内的不协调，设计提示与设计图纸审查，热模型优化，用户要求的确定和系统评价等。

(3) 系统总体设计

完成航天器推进系统管道敷设，卫星通信系统设计、天线系统设计，自动化软件系统开发和测控通信系统总体设计等。

(4) 规划调度与安排

卫星部件制造过程的规划与安排，卫星操作调度安排，星上仪器的工作调度与规划安排，航天计划的规划与费用估算和地面测控网设备调度与安排等。

(5) 监视管理与实时控制

星上电源管理，发射场危险操作的控制与管理，卫星空间位置和姿态的监视与控制，温控系统的管理，任务操作中心软件工作状态的监视以及测控管理和性能分析等。

3 卫星测控管理专家系统需求分析

卫星工程是一个复杂的系统工程，经过项目立项、方案论证、可行性研究、初样试制、正样试制、单元测试、星地对接、总装测试、系统演练、发射升空、轨道与姿态的捕获、在轨测试、长期管理等诸多环节，在此过程中积累了丰富的经验和知识，特别是故障判别、定位、处理等关键知识。因此，可以利用人工智能领域中专家系统的理念和方法，将卫星研制专家和总体技术人员的专业知识、经验及处理故障的方法和思路继承下来，构建卫星测控管理专家系统，以专家知识辅助，提高卫星管理的可靠性，降低风险和工作强度，提高测控管理的负载能力。

(1) 故障对策

卫星测控管理期间，针对星上可能出现的故障，及时、准确地提供故障对策，确保卫星运行安全。

(2) 测控系统故障查寻

卫星长管期间，测控系统应正常运行。但是，由于测控系统涉及软、硬件的环节较多，给实时检查、故障分析带来较大困难，因此需要提供及时、准确的地面测控系统故障查寻、定位手段。

(3) 在轨卫星变化趋势预测

卫星测控管理期间，能够针对卫星当前状态，结合历史数据，提供今后一段时期内卫星变化趋势的预测手段(特别是关系到卫星安全的关键参数的变化趋势)，供测控管理人员参考分析，力争做到防患于未然。

4 卫星测控管理专家系统的设计与实现

卫星测控管理专家系统的开发可分为确定专家系统领域，收集领域知识、开发表示知识的词汇、建立知识库和测试知识库等4个步骤。

首先进行的工作是确定专家经验知识的领域。这一过程包括分割应用领域、确定推理流程、合成人机对话和确定性能指标，这一阶段是问题的定义和描述阶段。在知识的表示中主要对第一阶段建立的问题与子问题确定属性，定义属性的值，并编写检验词汇的规则。在建立知识库时要形成书面形式的规则库。最后一个阶段是测试知识库，这包括准备一套能包含所有规则的测试用例，对知识库以及推理过程进行测试。

4.1 系统软件总体结构

卫星测控管理专家系统的总体结构包括用户界面、知识库和数据库、推理执行机构、知识规则生成器、动态事件生成和调度模块(图2)。系统的核心部分是知识库和推理机。

系统建立时，首先获取各个型号专家和总体技术人员的知识和经验，形成大量的事实类和规则类知识。通过知识规则编辑器对收集的知识进行编辑，形成专家系统知识的内部结构，供系统运行时调用。系统实时运行时，获取遥、外测原始数据，经过测控中心卫星应用软件处理系统，产生相应卫星遥、外测处理结果电文和有关轨道、姿态、预报等计算结果。遥测数据处理滤波软件将该结果进行数据滤波、压缩及预处理结果、计算结果及相应的人工干预控制信息、根据不同卫星和不同决策功能产生相应的动态事件，作为决策、推理、控制的依据。根据不同卫星和不同的决策要求，进行规则加载、系统初始化、动态事件加入等控制，并调用推理、决策子系统，完成相应推理过程。最后将推理、决策结果存入数据库，并提供给输入／输出控制软件。输入／输出控制软件完成推理结果的显示、报警、处理、确认、执行及解释干预等过程，最终完成专家决策及结果的保存工作。

4.2 系统主要软件的基本功能及实现

4.2.1 知识库的建立

知识库是专家知识、测控领域知识和经验、常识等知识的存贮器，包括作为推理基础的规则和作为推理依据的事实。知识获取是建立本系统的重点，他包括事实性知识的获取和规则性知识的获取。事实性知识主要是测控网的组成与布局状态、测控系统与设备名称、测量元素、性能和功能等；规则性知识主要是测控管理设计过程中的基本推理方法和策略，规则性知识又称元知识，大部分来自于资深测控专家的经验和诀窍。这些知识可以有效协调卫星测控管理设计的各个步骤，调度各设计步骤涉及的事实和方法，缩小推理空间，提高推理速度。知识库的建立包括知识库(文件)的创建、删除、分解、合并等。

4.2.2 推理机的建立

在专家系统中推理方式主要有：正向推理、反向推理和正反向混合推理。在日常测控管理中，由于综合数据库中所用的原始数据主要是从故障信息中采集，知识库中的知识也相应具体化，所以适宜采用数据驱动策略来实现正向推理。具体实现步骤如下：

(1) 首先由程序收集故障信息中的原始数据，作为事实存放到数据库中；

(2) 推理机用这些事实与知识库中规则的前提事实进行匹配。首先应能将知识库中的一条规则的前提事实取出来，而后，看这些前提事实是否在数据库中，若不全在，则进行下一条规则匹配，若全在，则匹配成功；

(3) 把匹配成功的规则结论部分的事实作为新的事实加到数据库中；

(4) 用更新后的数据库中的所有事实，重复上述(2)，(3)步，反复进行，直到得出结论或不再有新的事实加到数据库中为止。

4.2.3 调度软件

调度软件根据不同卫星和卫星的不同管理要求按时序自动调度卫星的各种应用软件和专家系统的所有软件。调度软件则受命令输入窗口的控制。

4.2.4 输入／输出软件

输入／输出软件根据用户选择的不同功能及不同卫星名称完成相应推理结果的输出、推理干预、推理解释以及结果管理．并对系统进行控制。

4.2.5 遥测数据压缩处理软件

该软件主要对卫星遥测参数进行压缩，提取有关测试点的遥测信息特征并进行预处理，以保证推理所用数据的可信度，使系统推理诊断决策更加可靠。卫星遥测参数处理描述文件给出参数结构、特征提取标记、参数处理方法标记、处理结果存放描述等。根据描述文件对遥测参数进行正确性检验、主副帧处理及压缩和预处理。

4.2.6 动态事件生成

动态生成软件汇集卫星各分系统遥测参数、卫星轨道参数、卫星姿态、卫星跟踪预报、卫星设备故障历史资料等信息，进行动态事件生成。当推理过程需人工干预时，通过命令加入人工干预动态事件，让其与其他动态事件一起参加推理。

4.2.7 决策推理控制

决策推理控制主要负责推理机控制及推理结果的管理。具体过程如下：

(1) 检测事件与决策功能是否相符；

(2) 清除推理机事件；

(3) 加载事实类和规则类知识；

(4) 加载动态事件；

(5) 抹去记事册中所有被激活的规则和事实表中所有的事件，然后将定义事件组语句中所有事件输入到事件表中；

(6) 执行规则推理，直到对所有规则的推理完成后才算完成一次规则推理；

(7) 当决策推理有结果时，调用标准输出接口进行结果输出整理；

(8) 推理结果送输出功能并存储到数据库或知识库。

4.2.8 知识和知识规则编辑器

针对航天测控领域知识多和任务多的特征，专门设计了知识表达语言。以知识原子为知识表达的基本单位，将知识的规则表达和框架表示有机结合在一起；知识描述适应于事件、对象(包括计算公式)并将科学计算与推理结合起来。推理机的主要控制策略采用数据驱动策略，用规则知识原子(规则)表示故障处理方法，每次故障处理后的经验等。知识规则编辑器软件对外部知识进行语法检测、知识压缩，并转换成推理机所需的内部格式。此外，还对知识的存取权限、知识维护进行管理。

5 结 语

专家系统在导弹航天领域的应用取得了明显效果，应用于卫星管理系统，能够及时检测和诊断故障，完成卫星的高效可靠管理，维持其正常运行和应用，能够提高航天器管理的自动化程度，起到提高工作效率的作用。