国防科大团队打造智能星座新架构，为全球空间治理提供新方案

当下，以 SpaceX 的星链（Starlink）计划为代表的全球低轨卫星，正处于迅速发展的阶段。但一场太空即将被“挤爆”的危机正在悄然来临：目前，全球各国向国际电信联盟申请计划发射的卫星数量已经突破 100 万颗。到 2030 年，低地球轨道卫星数量可能会超过 10 万颗。

需要了解的是，近地空间并不是可无限扩增的，而是有明确的容量限制——卫星之间的安全距离是 50 千米，因此低轨道空间最多只能容纳的卫星数量是 17.5 万颗。如果按照目前的情况持续发展，卫星数量将突破近地空间的安全容量极限，空间环境面临重大危机。与此同时，其对地面天文观测方面也会造成严重干扰。

近年来，Nature 和 Science 等国际权威期刊已陆续发布相关成果，对空间可持续性发展问题发出预警。并且，已有科学家向国际电信联盟提出，暂停包括星链在内的大规模卫星发射计划的建议。然而，目前领域内尚未形成一种受到广泛认可的空间治理方案。

为解决上述问题，国防科技大学杨俊教授团队在近期的一项研究中，提出了一种开放共享的可持续巨型星座方案：通过“传感器+网络+智能计算”的智能卫星架构以及智能天基系统的设计，显著提高了资源利用效率和空间服务能力。

值得关注的是，基于该方案，仅需 4.8 万颗卫星就能实现传统 100 万颗卫星的服务效果，满足全球 80 亿人口的服务需求。

图丨杨俊教授与课题组成员讨论问题（来源：该团队）

如何治理即将被“挤爆”的太空？

为了应对太空可能被“挤爆”的现象，研究团队对卫星功能和能力进行了分析。研究人员扩展了多层多传感器协同理论，并利用这种范式来促进空间系统从本国的大规模部署向开放和共享的新范式转变。

开放共享的可持续巨型星座（OSSMC，Open and Shared Sustainable Mega-Constellation）方案旨在通过“传感器+网络+智能计算”（SNAI，Sensor+Network+AI）的智能卫星架构以及智能天基系统（ISS，Intelligent Space System）的设计，形成一种基础性的、通用化的平台。该方案主张将 ISS 建设为面向服务、 以任务为核心的航天系统。这些空间星座不仅能为地面终端提供服务，还可实现与低轨或高轨卫星的互联互通。

图丨开放共享的可持续巨型星座技术方案（来源：National Scienc）

其创新性主要体现在以下三方面：

第一，突破卫星的硬件架构。

现有的卫星大多数是功能分离、相对独立的。具体而言，有承担导航功能的卫星系统，例如北斗和 GPS 等；有具备通信系统功能的太空互联网星座，例如国网、千帆星座、星链等；还有实现遥感观测的星座，比如光学遥感、雷达遥感星座等。

承载导航、通信、遥感等不同功能的卫星，其硬件结构也各不相同。“我们发起了一场硬件革命，将传感资源覆盖度提升了 13 倍。相当于把卫星中的传感资源、网络资源和智能计算单元拆解为标准化的资源单元，然后形成一个新的架构，将整个卫星的结构进行资源统一化。”该论文共同作者、国防科技大学副研究员李献斌告诉 DeepTech。

图丨硬件架构与实验平台（来源：National Science Review）

研究团队通过全新的“硬件标准架构+软件”的方式，在同一架构上实现了包括控制、计算、导航、通信和遥感等不同的卫星功能。其开放性体现在卫星内部及卫星间资源可根据需求动态共享，支撑空间系统随机派发的任务。

这样，承载单一功能的卫星转变为多功能的“多面手”。这种设计一方面从硬件上大幅度降低了卫星的建设成本，另一方面还显著减少了资源闲置时间，提升了卫星资源利用率，从而能够服务更多用户。

图丨传统卫星架构与 SNAI 架构的比较（来源：National Science ）

第二，革新卫星服务范式。

互联网的“全球一张网”理念彻底改变了计算资源的利用方式和服务范式，研究团队受此启发，开启了卫星服务范式的变革。要理解这种范式的变革，我们可以从打车的模式变革中获得理解：传统出行的服务模式为用户申请的被动模式，即用户在路边招手等待用车；而现在打车的服务模式已经发展为通过网约车平台统一调度资源，并根据用户需求进行主动推送。

图丨基于“云池端”的 ISS 架构（来源：National Science Revie）

与之类似地，卫星的服务范式变革在于：传统模式需要提前向运行管理部门申请，经过任务规划后才能调用卫星资源；该研究中的方案是，把卫星资源统一形成全球共享的资源池，通过对整个卫星系统进行任务规划和设计，将服务模式变得高效便捷。

第三，以智能计算实现理论突破。

理论突破包括三个方面：一是卫星资源的实体抽象，把传感资源、计算资源和网络资源统一进行池化；二是需求与资源的动态映射，通过多目标优化的方式满足各种需求；三是计算框架的优化，使星座的效能和参数达到最优化。

在以上三方面的创新作用下，卫星资源的调度更加便捷，不再需要个性化地调用某个单一的功能，而是把它们统一作为可利用的资源来处理。这样既防止了太空资源私有化，又能够确保可持续、以和平为目标的资源利用。

有望成为满足多样化、个性化服务需求的空间基础设施

国防科技大学杨俊教授团队聚焦航天领域的研究，主要研究方向包括卫星测控、星间链路和天基智能。早在 2016 年，研究团队就提出了“天基智能”的概念。

当时，互联网特别是手机已经开始进入智能化时代。而那时对于卫星领域来说，还处于模拟化和数字化时代的交叠时期。新的卫星产品，无论是硬件性能，还是处理软件，都远远落后于互联网产品。该团队意识到，卫星领域未来也必将朝着智能化方向发展。

从 2020 年开始，随着大规模星座的建设逐渐兴起，特别是马斯克 2019 年开始大规模部署星链，国内也开始提出中国的建设方案——成立了国家层面的卫星互联网公司。随着太空拥挤的问题愈发凸显，该团队从那时起就开始筹划在天基智能领域为空间可持续发展问题提出解决方案——从基础理论，到硬件架构，再到整体的服务范式

最近两年，随着领域内学者们提出越来越多的方案，该团队在分析问题时也越来越聚焦和清晰，自身的研究也推进得越来越深入。他们分析了当前空间领域的主流方案和数据，特别是 Nature 和 Science 上的相关研究，形成了这篇论文。

（来源：National Science Review）

在本次研究中，研究人员在持续性增益、服务能力、系统成本和任务效率方面对基于 CPT 架构的 ISS 进行了系统评估。结果显示，ISS 的空间体积碰撞率与组合系统相比降低了 28.7%，ISS 的轨道碰撞评分（衡量轨道物体碰撞风险的量化指标）降低了 53.15%。系统性能与成本评估表明，相较于独立功能域和组合式空间系统，ISS 可使成本降低 19.15%，同时仍能提升星座覆盖范围及全球几何精度因子。据团队评估，以非洲撒哈拉以南地区为例，采用这种新方案，该地区的网络覆盖率可从目前的 12% 提高到 85%。

在任务有效性方面，与传统功能空间系统相比，CPT 范式将通导遥任务成功率从 26.21% 提升至 45.73%，把因资源缺乏导致失效的故障率从 51.45% 降至 1.64%。对能源和网络利用率的分析也表明，考虑到卫星的太阳能充电能力，CPT 范式具有成本效益。对于随机派发的任务, 任务成功率可以提高到 97%，并且任务响应时间可以大幅缩短。

最终，相关论文以《开放共享可持续的巨型星座》（Open and Shared Sustainable Mega-Constellation）为题发表在 National Science Review[1]。国防科技大学杨俊教授是第一作者兼共同通讯作者，助理研究员覃俊祥是共同第一作者，郭熙业研究员担任共同通讯作者。

图丨相关论文（来源：National Science Review）

审稿人对该研究评价称：“这项研究提出了开放共享可持续巨型星座的概念。作者们探讨的主题是及时的，所提出的框架和分析非常有价值，特别是涉及卫星通信和非地面网络的研究领域。”

图丨用于 ISS 的跨域融合星座设计流程（来源：National Science）

该方案有可能引发空间发展模式的变革。通过开放共享的范式，结合多层多传感器轨道协同理论，有望将大规模部署的低地球轨道卫星转变为满足多样化、个性化服务需求的空间基础设施。

据研究团队评估，以该方案为基准，到 2030 年全球空间系统的卫星数量可以减少 70%，为太空提供新的可持续增长空间，建立起全球共享的空间秩序。他们认为未来该方案如果被广泛应用，有望像冯·诺依曼改变计算机范式那样，对卫星的设计理念和航天系统服务模式起到变革性的作用。

参考资料：

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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