國防科大團隊打造智能星座新架構，為全球空間治理提供新方案

當下，以 SpaceX 的星鏈（Starlink）計劃為代表的全球低軌衛星，正處于迅速發展的階段。但一場太空即將被“擠爆”的危機正在悄然來臨：目前，全球各國向國際電信聯盟申請計劃發射的衛星數量已經突破 100 萬顆。到 2030 年，低地球軌道衛星數量可能會超過 10 萬顆。

需要了解的是，近地空間并不是可無限擴增的，而是有明確的容量限制——衛星之間的安全距離是 50 千米，因此低軌道空間最多只能容納的衛星數量是 17.5 萬顆。如果按照目前的情況持續發展，衛星數量將突破近地空間的安全容量極限，空間環境面臨重大危機。與此同時，其對地面天文觀測方面也會造成嚴重干擾。

近年來，Nature 和 Science 等國際權威期刊已陸續發布相關成果，對空間可持續性發展問題發出預警。并且，已有科學家向國際電信聯盟提出，暫停包括星鏈在內的大規模衛星發射計劃的建議。然而，目前領域內尚未形成一種受到廣泛認可的空間治理方案。

為解決上述問題，國防科技大學楊俊教授團隊在近期的一項研究中，提出了一種開放共享的可持續巨型星座方案：通過“傳感器+網絡+智能計算”的智能衛星架構以及智能天基系統的設計，顯著提高了資源利用效率和空間服務能力。

值得關注的是，基于該方案，僅需 4.8 萬顆衛星就能實現傳統 100 萬顆衛星的服務效果，滿足全球 80 億人口的服務需求。

圖丨楊俊教授與課題組成員討論問題（來源：該團隊）

如何治理即將被“擠爆”的太空？

為了應對太空可能被“擠爆”的現象，研究團隊對衛星功能和能力進行了分析。研究人員擴展了多層多傳感器協同理論，并利用這種范式來促進空間系統從本國的大規模部署向開放和共享的新范式轉變。

開放共享的可持續巨型星座（OSSMC，Open and Shared Sustainable Mega-Constellation）方案旨在通過“傳感器+網絡+智能計算”（SNAI，Sensor+Network+AI）的智能衛星架構以及智能天基系統（ISS，Intelligent Space System）的設計，形成一種基礎性的、通用化的平臺。該方案主張將 ISS 建設為面向服務、 以任務為核心的航天系統。這些空間星座不僅能為地面終端提供服務，還可實現與低軌或高軌衛星的互聯互通。

圖丨開放共享的可持續巨型星座技術方案（來源：National Scienc）

其創新性主要體現在以下三方面：

第一，突破衛星的硬件架構。

現有的衛星大多數是功能分離、相對獨立的。具體而言，有承擔導航功能的衛星系統，例如北斗和 GPS 等；有具備通信系統功能的太空互聯網星座，例如國網、千帆星座、星鏈等；還有實現遙感觀測的星座，比如光學遙感、雷達遙感星座等。

承載導航、通信、遙感等不同功能的衛星，其硬件結構也各不相同?！拔覀儼l起了一場硬件革命，將傳感資源覆蓋度提升了 13 倍。相當于把衛星中的傳感資源、網絡資源和智能計算單元拆解為標準化的資源單元，然后形成一個新的架構，將整個衛星的結構進行資源統一化?！痹撜撐墓餐髡?、國防科技大學副研究員李獻斌告訴 DeepTech。

圖丨硬件架構與實驗平臺（來源：National Science Review）

研究團隊通過全新的“硬件標準架構+軟件”的方式，在同一架構上實現了包括控制、計算、導航、通信和遙感等不同的衛星功能。其開放性體現在衛星內部及衛星間資源可根據需求動態共享，支撐空間系統隨機派發的任務。

這樣，承載單一功能的衛星轉變為多功能的“多面手”。這種設計一方面從硬件上大幅度降低了衛星的建設成本，另一方面還顯著減少了資源閑置時間，提升了衛星資源利用率，從而能夠服務更多用戶。

圖丨傳統衛星架構與 SNAI 架構的比較（來源：National Science ）

第二，革新衛星服務范式。

互聯網的“全球一張網”理念徹底改變了計算資源的利用方式和服務范式，研究團隊受此啟發，開啟了衛星服務范式的變革。要理解這種范式的變革，我們可以從打車的模式變革中獲得理解：傳統出行的服務模式為用戶申請的被動模式，即用戶在路邊招手等待用車；而現在打車的服務模式已經發展為通過網約車平臺統一調度資源，并根據用戶需求進行主動推送。

圖丨基于“云池端”的 ISS 架構（來源：National Science Revie）

與之類似地，衛星的服務范式變革在于：傳統模式需要提前向運行管理部門申請，經過任務規劃后才能調用衛星資源；該研究中的方案是，把衛星資源統一形成全球共享的資源池，通過對整個衛星系統進行任務規劃和設計，將服務模式變得高效便捷。

第三，以智能計算實現理論突破。

理論突破包括三個方面：一是衛星資源的實體抽象，把傳感資源、計算資源和網絡資源統一進行池化；二是需求與資源的動態映射，通過多目標優化的方式滿足各種需求；三是計算框架的優化，使星座的效能和參數達到最優化。

在以上三方面的創新作用下，衛星資源的調度更加便捷，不再需要個性化地調用某個單一的功能，而是把它們統一作為可利用的資源來處理。這樣既防止了太空資源私有化，又能夠確保可持續、以和平為目標的資源利用。

有望成為滿足多樣化、個性化服務需求的空間基礎設施

國防科技大學楊俊教授團隊聚焦航天領域的研究，主要研究方向包括衛星測控、星間鏈路和天基智能。早在 2016 年，研究團隊就提出了“天基智能”的概念。

當時，互聯網特別是手機已經開始進入智能化時代。而那時對于衛星領域來說，還處于模擬化和數字化時代的交疊時期。新的衛星產品，無論是硬件性能，還是處理軟件，都遠遠落后于互聯網產品。該團隊意識到，衛星領域未來也必將朝著智能化方向發展。

從 2020 年開始，隨著大規模星座的建設逐漸興起，特別是馬斯克 2019 年開始大規模部署星鏈，國內也開始提出中國的建設方案——成立了國家層面的衛星互聯網公司。隨著太空擁擠的問題愈發凸顯，該團隊從那時起就開始籌劃在天基智能領域為空間可持續發展問題提出解決方案——從基礎理論，到硬件架構，再到整體的服務范式

最近兩年，隨著領域內學者們提出越來越多的方案，該團隊在分析問題時也越來越聚焦和清晰，自身的研究也推進得越來越深入。他們分析了當前空間領域的主流方案和數據，特別是 Nature 和 Science 上的相關研究，形成了這篇論文。

（來源：National Science Review）

在本次研究中，研究人員在持續性增益、服務能力、系統成本和任務效率方面對基于 CPT 架構的 ISS 進行了系統評估。結果顯示，ISS 的空間體積碰撞率與組合系統相比降低了 28.7%，ISS 的軌道碰撞評分（衡量軌道物體碰撞風險的量化指標）降低了 53.15%。系統性能與成本評估表明，相較于獨立功能域和組合式空間系統，ISS 可使成本降低 19.15%，同時仍能提升星座覆蓋范圍及全球幾何精度因子。據團隊評估，以非洲撒哈拉以南地區為例，采用這種新方案，該地區的網絡覆蓋率可從目前的 12% 提高到 85%。

在任務有效性方面，與傳統功能空間系統相比，CPT 范式將通導遙任務成功率從 26.21% 提升至 45.73%，把因資源缺乏導致失效的故障率從 51.45% 降至 1.64%。對能源和網絡利用率的分析也表明，考慮到衛星的太陽能充電能力，CPT 范式具有成本效益。對于隨機派發的任務, 任務成功率可以提高到 97%，并且任務響應時間可以大幅縮短。

最終，相關論文以《開放共享可持續的巨型星座》（Open and Shared Sustainable Mega-Constellation）為題發表在 National Science Review[1]。國防科技大學楊俊教授是第一作者兼共同通訊作者，助理研究員覃俊祥是共同第一作者，郭熙業研究員擔任共同通訊作者。

圖丨相關論文（來源：National Science Review）

審稿人對該研究評價稱：“這項研究提出了開放共享可持續巨型星座的概念。作者們探討的主題是及時的，所提出的框架和分析非常有價值，特別是涉及衛星通信和非地面網絡的研究領域?！?/p>

圖丨用于 ISS 的跨域融合星座設計流程（來源：National Science）

該方案有可能引發空間發展模式的變革。通過開放共享的范式，結合多層多傳感器軌道協同理論，有望將大規模部署的低地球軌道衛星轉變為滿足多樣化、個性化服務需求的空間基礎設施。

據研究團隊評估，以該方案為基準，到 2030 年全球空間系統的衛星數量可以減少 70%，為太空提供新的可持續增長空間，建立起全球共享的空間秩序。他們認為未來該方案如果被廣泛應用，有望像馮·諾依曼改變計算機范式那樣，對衛星的設計理念和航天系統服務模式起到變革性的作用。

參考資料：

1.Jun Yang, Junxiang Qin, Xiye Guo, Zhixi Yang, Ganhua Ye, Xuan Li, Xiaotian Ma, Suyang Liu, Sili Liu, Xianbin Li, Zhijun Meng, Chao Zhou, Zhi Qu, Mei Hu, Jianyun Chen, Open and Shared Sustainable Mega-Constellation, National Science Review, 2025, nwaf344, https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf344

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