把万颗卫星管得明明白白！西电这项技术到底有多牛？

从2019年开始，随着我国卫星发射数量呈指数级增长，西安电子科技大学智能宽带无线通信网络科研团队在国家自然科学基金企业创新发展联合基金项目“面向跨域系统的递阶动态资源调度理论和方法”（以下简称企业创新发展联合基金项目）的支持下，历经从时变图、压缩图到超图的理论探索，最终实现了对万颗卫星网络资源的全局表征和智能调控。

不久前，该项目以优异成绩通过验收。

“必须对标国家最前沿的发展需求，不仅要实现卫星网络互联，更要精准解析其区别于地面网络的空间资源特性，明确能力边界，实现资源最大化利用。”企业创新发展联合基金项目负责人、西安电子科技大学教授盛敏表示。

作为典型的跨域系统，企业创新发展联合基金项目取得的科研成果是支撑未来大规模卫星网络基础设施的核心技术，也是全球科技竞争的核心领域。

“我们的技术精髓，在于通过特定轨道特征就能精准识别卫星资源属性、出现时机和运行状态。”盛敏向记者解释道。团队还研发了独特的仿真验证系统，可提前诊断卫星问题并生成解决方案。

盛敏（右三）与学生进行技术交流

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战略布局 顺利立项

盛敏团队自2010年便开启空间网络信息研究，是国内乃至国际的先行者。

回顾十余年发展，团队始终聚焦空间信息网络，特别是在多层卫星网络领域，从网络容量测算到异构资源管理，逐步深化至多域协同层面。

“看到发布的企业创新发展联合基金项目指南时，感觉这与我们的研究方向高度契合。”2019年，团队成功申请立项，专注攻克跨域系统资源调度难题，旨在实现不同功能星座的资源优化与区域协同。

在企业创新发展联合基金项目初期，盛敏和团队做了清晰的规划，重点解决三个科学问题：一是空间信息网络容量大小，能承载多少信息量、能力边界在哪里；二是资源有效管理问题，如何将这些资源高效调度起来，逼近边界；三是不同资源、不同类型的异构卫星系统之间的资源管控问题，即跨域资源调度算法研发。

盛敏进一步举例：如果一个人具备1分钟背10个单词的能力，但由于记忆方式不科学，导致1分钟只能背2个，而在不断强化记忆下，他觉得能记住4个就很好了。但是，如果他知道了自己的能力边界及影响记忆效率的关键因素，就可以用科学的方法不断优化自己的学习方式，从而逼近10个。“我们的技术就是要让系统资源利用率不断逼近理论极限。”盛敏解释道。

面对成像卫星资源闲置与传输资源短缺并存的现象，团队开创的跨域管理技术可实现不同物理域资源的智能协调，最大化发挥卫星的整体价值。

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攻坚克难 突破技术壁垒

然而，企业创新发展联合基金项目在进行过程中面临种种困难。“整个技术攻关过程就像是黑暗中的探索，无先例可循，全靠持续学习、深度思考和顽强拼搏。”盛敏如此形容研发历程。

对此，西安电子科技大学教授周笛深有感触。“在立项的时候，我们觉得技术方案写得很清晰，按照理论逻辑是完全能够实现的。”周笛介绍，团队当时使用了时间扩展图去刻画网络资源，用表征的方式将卫星的资源状态清楚罗列。“申请完企业创新发展联合基金项目就发现，按照60颗卫星的解决思路，已经不能满足前沿技术发展了。”周笛坦言，在将理论成果落实到大规模部署场景时，随着卫星互联数量的增长，遇到了存储效率瓶颈。

尝试、失败，再尝试、再失败……

大半年时间过去了，在尝试了多种方法无果的情况下，周笛偶然在一篇跨学科的文章中找到思路。

按照卫星轨道周期性变化运动，如果有100颗卫星，星间链路连接关系矩阵的空间是100×100，那么就需要存储这么大的矩阵来表征星间链路状态信息。如果网络的规模再增大，比如有上万颗星，那么所需要的存储空间势必会呈指数级增长，而卫星的存储资源有限，主要是用来存储有效数据的。周笛利用压缩感知的理论突破技术瓶颈，发现在2000颗卫星的规模下，存储空间占用相较于传统的时变图的方法压缩千倍以上。

“简单点说，就是利用卫星间的连接关系矩阵在频域上的稀疏性以及在空间上的旋转封闭性，设计出高效的跨域资源稀疏表征模型及算法，实现了低空间复杂度对大规模星座的资源精准表征。”周笛介绍。

团队设计出了创新框架，其核心是让这些异构的星座通过地面中转以及星间链路互联互通，用最小的链路“成本”，实现星座的高效互联。

仿真平台研发同样波折重重。“我们开始想用一台计算机做模拟，但后来发现根本达不到1万颗卫星实时模拟的要求，即便是简化了也不行，最多只能到2000颗。”西安电子科技大学副教授白卫岗表示，尽管他们很快想到了多机级联，但随后发现虽然解决了规模性问题，仿真时长又成了大问题。

他举例说，改写代码里一句话，代价就是重新做一次仿真，但一次仿真就需要3至5天。“这不仅仅是科研问题，对未来整个卫星互联网测试、运维也是极大的挑战。仿真时间效率会导致整个系统看着是好的，但实际并不好用。”

查找文献、向同行请教、找商业公司……在做了大量调研后，团队发现，目前国内没有人能解决这个问题。“下定决心，靠自己做！”盛敏说。

基于仿真效率问题的深入分析，团队从两个关键方向另辟蹊径：首先，团队通过虚拟分组转移机制，每个传输分组分配一个标签，无论是卫星节点内的数据传递还是卫星间的分组交互，都可以在标签传递的同时模拟数据传输过程，让仿真硬件处理能力集中于仿真过程，而不是数据搬移过程。其次，团队利用层次化仿真资源循环技术，高效支持时钟级别的仿真资源并发操作，有效解决大规模网络仿真中业务突发强、并发事件多导致的处理速度问题。解决了关键核心问题后，团队很快设计出“面向跨域系统的大规模卫星网络仿真测试系统”。

原来一台机器只能做100多颗卫星的模拟，现在模拟能力提升两三千倍。“只有把仿真系统的资源利用率提升，才能保证规模化实施。”白卫岗说。

盛敏团队合影

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手机连接卫星 即将照进现实

如何知道卫星网络的路由协议在空中好不好用？“大规模卫星网络仿真测试系统”可以完成这项任务。

“只要把协议放在仿真系统中，就能测出吞吐量、时延、故障、恢复时间等。”白卫岗介绍，通过该系统做验证，可以运用到卫星的前期设计中，也可以在发射前进行，再也不用等到迭代的时候去修正。

以往，这种验证大多使用国外的软件，但在仿真测试的过程中，需要更替语言系统。“国产化后，仿真测试系统的语言跟实物语言体系一致，用起来更方便。”目前，这套系统已在卫星开发机构中得到验证。

“仿真效率的提高可以节省几个月的时间，不需要花费更多时间成本再去迭代。”白卫岗补充道，这套系统同时支持数字孪生应用，通过地面复现在轨卫星状态，实现故障提前预警。其核心在于通过算法预判系统未来状态，与服务边界比对后持续优化。

“科研攻坚时期虽困难重重，但团队展现出强大战斗力，成果超出预期。”盛敏表示，目前团队已形成从基础研究到平台实施的全链条创新能力。

尽管该项目主要面向卫星建设和发展，但普通用户仍然可以期待。

随着空间网络发展，未来手机直接接入卫星资源终端。“我们的系统能精确测算手机指令传输时长和服务响应时间。”白卫岗表示，尽管现在说起来有点前沿，但相信很快就能变为现实。

周笛补充说，果农可以通过遥感卫星资源看到卫星拍摄的大片果园图片，实现远程监管；救灾人员在地面基站受影响后协调遥感卫星拍摄灾后情况，协同通信卫星提供实时灾害数据回传，背后都离不开团队的技术支撑。

为了进一步提升大规模卫星网络的仿真验证及评估效率，团队目前已经开展第二代仿真系统的研发工作。团队期望在保障仿真系统实时性的同时，进一步降低仿真系统对算力的需求，用较少的算力实现管理万颗以上的跨域卫星资源。

《中国科学报》：企业创新发展联合基金项目历经多年科研攻关，团队最大收获是什么？

盛敏：不要把时间花在太多的犹豫上。既然决定做这件事情，就静下心去做。困难总是有的，但是我们总有办法去克服困难。

没有困难的事情不需要我们去做，我们做的事情一定都是很有挑战性的，这样才需要不断地去突破。不光是这个项目，所有的项目都应该是这样。

《中国科学报》：面对没有先例、没有指导的前沿技术探索，你们攻坚克难取得了成功。面对青年科研人员，你有什么建议？

盛敏：如果你思考过，那么你就去行动，并继续思考。

每一件事情能够做成功是由很多要素决定的，要去学习别人的优点，将这些优点汲取到自己身上，再去消化，就会不断进步。

同时，年轻人要看得长远，专注每天进步的0.01，累积起来可能就是很大的一个数。

来源 / 中国科学报

编辑 / 王冠玉

责编 / 王 格

出品 / 党委宣传部（融媒体中心）