未來智能化網絡化多功能衛星系統技術發展思考

陳占勝

（上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，以互聯網、信息技術等為代表的高科技發展日新月異，對傳統工業領域形成猛烈沖擊，形成新概念、新技術在不同領域交叉融合的新局面。在衛星領域，隨著人工智能、大數據和互聯網等多項前沿技術在“黑杰克”“星鏈”系統中的成功應用［1-4］，為未來先進衛星形態的形成以及高效應用奠定了技術基礎。本文對國外先進衛星進行深入研究，并基于應用需求和技術推動角度對我國衛星技術發展趨勢做出研判，闡述了“互聯網+”“人工智能+”“大數據+”及科研模式轉型對我國衛星轉型發展的具體影響，進一步提出后續發展舉措與建議，為建設我國具備網絡化、智能化多功能特點的先進衛星系統提供一定支撐。

1 國外先進衛星系統技術特點

1.1 發展現狀

1.1.1 美國國防高級研究計劃局“黑杰克”項目

2018 年4 月，美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）牽頭啟動了“黑杰克”衛星項目，旨在利用新興商業低軌星座發展的經驗成果，建立高度“彈性”、擁有自主運行能力、成本低廉的低軌衛星星座。項目遠期目標是構建60～200 顆規模的衛星星座，運行于500～1 300 km 的軌道高度，每顆衛星均裝載智能化協同任務管理系統“Pit boss”，可完成多類信息融合處理、網絡化傳輸和分發［1-2］。基于通用化平臺、模塊化載荷及標準化接口設計理念，實現衛星“即插即用”和批量化生產，滿足大規模星座“快速建設、組網運行、彈性維護”的緊迫需求。同時，利用大規模星座網絡化特征，可以實現星座關鍵功能的冗余備份和“去中心化”，確保在部分成員衛星損失的情況下，星座的功能依然可靠。項目計劃在2022 年完成20 星低軌演示驗證星座的部署。1.1.2 美國太空探索技術公司“星鏈”計劃

美國太空探索技術公司（SpaceX）于2015 年1 月正式提出“星鏈”計劃，旨在以部署大規模星座的方式，提供覆蓋全球的低成本高速互聯網服務［3-4］。計劃自2019 年5 月開始實施，截至2021 年2 月已完成1 145 顆衛星發射，由此拉開了大規模星座部署和衛星互聯網服務的先河。“星鏈”計劃采用分階段實施方式，計劃首先在2021 年底發射1 600 顆衛星，重點為美國本土及加拿大z 提供服務，初步具備全球化覆蓋能力，后續在2024 年、2027 年前分別完成4 425顆Ka/Ku 波段衛星和7 518 顆V 波段衛星的發射，預計最終組網衛星總數達11 943 顆［4-6］。2021 年1 月公布的測試結果表明，“星鏈”網絡下載速率190 Mbit/s，上傳速率28 Mbit/s，網絡延遲約為53 ms，具有進一步提升空間。

1.1.3 美國一網公司“一網”項目

美國聯邦通信委員會（Federal Communications Commision，FCC）于2017 年6 月22 日表決批準了“一網”（Oneweb）星座建設計劃。該星座擬在軌道高度1 200 km 的18 個軌道面上部署720 顆衛星，衛星與用戶終端之間采用Ku 頻段通信，衛星與地面站之間則采用Ka 頻段通信，旨在為用戶提供與光纖網速相當的互聯網接入服務。2020年8月27日，FCC批準“一網”增發1280顆運行在軌道高度為8500km的V波段衛星，預計最終組網衛星總數達2000顆。截至2020年3月，已成功部署74顆衛星［6-8］。“一網”衛星采用天星地網模式，衛星作為連接用戶終端與地面站的通道，借助分布全球的地面站實現全球網絡服務。“一網”衛星星上無需實現路由、交換等復雜處理功能，衛星之間不設星間鏈路，降低技術復雜度，同時也降低了衛星成本。

1.2 技術特點分析

1.2.1 彈性化

21 世紀以來，美國將空間彈性能力作為未來太空體系的重要發展方向，逐漸將“彈性”概念應用到實際項目中，并于2018年4月啟動“黑杰克”項目，2019年7月公布“下一代國防空間架構”［9-11］。“黑杰克”與“下一代國防空間架構”均通過部署大規模星座來有效降低系統風險，提升容錯備份能力。以“黑杰克”項目為例，該項目通過第1 期部署20 顆技術驗證星和第2 期部署90 顆技術驗證星的分步建設、邊建邊用、以用促建的方式，實現星座規模的彈性擴展。“黑杰克”通過對組網衛星進行快速迭代更新，以確保硬件可靠、技術領先。組網衛星任務載荷支持即插即用，具備多元能力，可實現星座功能的彈性擴展。

1.2.2 模塊化

部署大規模星座需要在短時間內完成大量衛星的設計、生產、測試和發射，衛星采用“模塊化”研制模式，可提高多星并行研制效率［7］。“一網”星座借鑒汽車制造理念，將整星拆分為4 個可獨立并行測試組裝的模塊，縮短整星裝配時間，僅在關鍵生產點通過檢查設備測試模塊性能。“黑杰克”采用“通用平臺+多元載荷”的設計理念顛覆了傳統的“專用平臺+專用載荷”設計模式，采用通用化商業衛星平臺和可更換的模塊化載荷，實現衛星功能“即插即用”，大幅縮短衛星研制周期。

1.2.3 低成本

大規模星座的部署以大幅降低單星成本為前提。如“黑杰克”使用工業化元器件代替宇航級產品，單星制造成本不超過200 萬美元。“一網”公司利用衛星批量化生產技術降低研發成本，已經完成了衛星生產線的建設，具備日產衛星2 顆、單星制造成本不超過100 萬美元的能力。SpaceX 公司則通過集衛星設計、制造、裝配、測試、發射和運營于一身來解決成本問題，已經實現了日產衛星7 顆、單星制造成本約50 萬美元的能力。此外，SpaceX 公司通過火箭可回收技術、一箭60 星發射技術等，可使單位質量發射成本降低至競爭對手的1/3～1/2，單星發射成本降低至約60 萬美元。

2 我國衛星技術發展趨勢研判

我國衛星領域歷經60 多年發展，實現了從無到有、從小到大的偉大轉變。長期以來，我國衛星領域科研生產采取對標歐美發達國家的“跟隨式”發展思路，集中力量解決裝備有無以及單星性能提升問題，迅速拉近了與美俄等世界航天強國之間的技術差距，使我國躋身于世界航天大國之列。

近年來，隨著防災減災、資源勘測、天氣預報等業務應用需求的不斷提升，要求衛星系統數據多源化、信息實時化、服務大眾化，同時人工智能、大數據、云計算等新技術迅猛發展，為未來衛星系統的智能化、網絡化發展提供了良好的基礎。在國家戰略需求牽引和技術發展推動下，以網絡化、智能化、多功能、低成本、可批量生產和快速部署為重要特征的大規模衛星星座將成為發展的必然趨勢。

2.1 具備網絡化互聯互通能力

互聯互通是大規模星座實現彈性組網、自主協同的基礎。然而，過去部署的星座僅僅是傳統意義上的區域覆蓋星座。星座拓撲固定，衛星之間的協同仍然依靠軌道設計與事先設定的配合模式，信息傳輸鏈路單一，無拓展功能，新入軌的衛星難以無縫鏈接進入星座之中。未來大規模星座將呈現網絡化趨勢，體系互聯、自主協同，以星為主、星地互補，實現“天-地-終端”的“連接一切”的多節點貫通能力，用戶節點可按需接入，解決全域要素的信息共享時效性問題，最終形成“信息觸手可及、服務隨信而至”的泛在服務能力。

2.2 具備高置信度的智能化水平

搶險救災和應急觀測等應用對衛星數據具有極高的時效性要求，信息獲取、處理和傳輸都盡可能減少對地面的依賴。大規模星座任務多樣、各成員節點間相互約束多，因此，智能協同是星座發揮集群化效能的核心。未來大規模星座將擁有高度自主性，是具備強大的在軌數據處理、任務組織管理、數據實時傳輸能力的“智慧星座”，可以靈活組配功能子系統，實現對多重任務的靈活高效響應，實現從接收任務、智能規劃、任務執行和完成效果評估的全閉環。可以融合處理多源數據信息，提升在軌衛星數據利用率，如通過星上數據處理，對疑似火災區域進行判別，并對其他衛星進行任務調度、加密觀測等。

2.3 具備極高的體系健壯性和功能可塑性

傳統的衛星研制和應用重視單星或單個衛星體系的性能提升。單星規模較大，且造價昂貴，面臨單星失效則任務停止的風險；而大規模星座將更加注重體系性能提升，將傳統大衛星高精尖技術以及多功能分散到多顆子節點星上，降低衛星研制成本與技術難度，也降低大衛星失效帶來的系統降效風險。另外，大規模星座由載荷手段齊備、軌道部署優化、性能搭配合理的各類衛星組成，可按需聚合成執行特定任務的臨時子系統，大幅提升系統的功能可塑性。

2.4 具備快速、低成本、批量化研產能力

大規模星座的快速構建與長期穩定應用，需要在短時間內完成大量衛星研產和發射，對批量化制造能力提出了極高需求。新技術快速發展，帶動衛星技術快速迭代更新，衛星系統的換代周期必將大幅縮短，研制周期也需相應縮短，才能始終保持技術的先進性。同時，隨著空間碎片數量的大幅增長，衛星系統面臨越來越復雜的空間環境，對快速補充能力的需求也愈加迫切。因此，縮短研制周期、批量化生產、降低成本造價等將倒逼傳統科研生產模式轉型。

3 我國衛星轉型發展影響分析

我國衛星轉型發展需要綜合多方面影響因素，既受國外衛星技術發展趨勢的影響，也有我國現實國情與產業升級的內在驅動，表現在三個方面：1）在功能性能方面，互聯網、人工智能、大數據等前沿技術加速與衛星領域交叉融合，提升單星、星座的智能化、網絡化和信息化水平，并從體系綜合應用角度構建分布式、彈性化星座系統，提升衛星星座的健壯性；2）在產能方面，持續推動科研生產模式轉型，探索低成本、批量化衛星研產方法，有效支撐未來我國大規模星座快速部署及商業衛星競爭；3）在自主可控方面，大力推動我國衛星平臺、單機和部組件的自主可控力度，確保我國衛星獨立、可持續發展，打造我國自主可控、優勢明顯的衛星全產業鏈及產業生態系統。

3.1 “互聯網+航天”重塑未來以信息為核心的衛星體系新架構

“互聯網+”模式具備“連接一切、開放生態、重塑結構、創新驅動”4 大特征，與衛星領域的深度融合可有效提升衛星系統信息化能力。1）“連接一切”的多節點貫通能力，快速、高效實現全域要素的信息共享，塑造信息高速交互、裝備高效協同、行動高度統一的衛星體系新模態；2）基于身份驗證、防火墻、拓撲重構等安全防護手段和理念，實現權限控制與網絡穩定，維護天基信息網絡安全；3）以構建多級根節點的方式搭建全鏈路系統總體架構，降低對個別根節點小系統的依賴，逐步完善體系內多級、分層互聯能力；4）結合人工智能、大數據、云處理等領域研究成果，實現智能天基網絡優化重組、智能節點裝備和智能任務規劃重組等能力。

3.2 “人工智能+航天”提升衛星在軌資源與任務管控能力

“人工智能+”是加速我國衛星裝備智能化進程的有效方法，在衛星智能任務規劃、管控及數據處理等環節應用效益明顯：1）提升單星和星座任務規劃自主程度，通過引入多智能體、深度神經網絡等理論，可使在軌衛星在不依賴地面運控干預的條件下，即可實現任務自主閉合；2）為在軌資源管控提供最優選擇，通過深度強化學習及相關資源管控策略，針對單星可支持熱控、能源及計算資源的精準管控與高效分配，也可支持多星網絡實現虛擬資源池、云資源等智能管理；3）為在軌衛星健康運行提供可靠保障，通過深度學習建立并維護專家知識庫，單星具備重啟復位與備份切換功能，星座網絡具備故障節點發現、節點隔離等功能；4）在數據處理方面，開發星上超算力處理芯片，支撐衛星數據高效分級分類處理及深度處理融合。

3.3 “大數據+航天”拓展衛星信息服務的廣度和深度

“大數據+”在衛星海量數據快速處理、多源信息高效融合和服務信息深度挖掘等方面具有天然優勢，可大幅提升衛星數據的利用率。其應用優勢主要表現在：1）提高了數據分析處理的時效性，依托空間組網與鏈路互通，通過打造多星分布式深度處理模式，大幅提升對海量數據的處理速度；2）提高了多源數據的利用率，充分利用天基信息多源大數據的特點，通過信息融合的方式實現多源大數據優勢互補，整體可實現“1+1＞2”的效果；3）拓展對服務產品的認知與應用，通過對海量大數據信息進行深度挖掘分析，可透過信息表象清晰認知到關注對象的本質意圖，同時形成分級分類的情報專題產品，滿足用戶對便利化服務的需求。

3.4 科研模式轉型大幅提升批量研產與成本/周期管控能力

新時期衛星科研模式聚焦解決傳統定制化模式帶來的研制流程固化、量產能力不足和產品升級緩慢等問題。具體實施途徑如下：1）加強頂層思維和應用體系研究，深化對衛星裝備的認識，可量化評估衛星裝備與其他裝備的綜合應用效能，支撐衛星裝備技術方案及應用模式優化；2）提升衛星設計、裝測、試驗流程的信息化水平，以數字化模裝替代實物實裝，避免技術狀態反復造成的成本上升與周期延長；3）加強創新管理模式改革，以適用性為導向加大新技術投入力度，促進新技術的轉化應用，提升技術創新帶來的綜合效益；4）優化衛星研制流程，修訂完善各項規范和規章制度，加大數字化仿真驗證能力建設，實現面向全員、全要素、全過程和全數據的精細化管理。

4 發展舉措與建議

4.1 加強籌劃，加速推動大規模星座體系建設

面向未來衛星系統綜合化、網絡化、智能化的新發展形態，建議加強頂層籌劃，深入研究論證未來衛星系統的頂層構架、系統組成、運行和應用模式等，打破當前衛星系統以單星觀測為主，體系交互通信、引導協同能力不足，綜合觀測能力尚未充分發揮的現狀，構建“要素完備、體系互聯、協同自主、應用便捷和融合包容”的大規模星座衛星系統。

通信廣播網、導航授時網作為大規模星座的“信息高速公路”，可實現對全網節點、全域用戶的準實時連續覆蓋，并集成導航增強、物聯網等功能，支持針對不同業務類型的分類、分流、分級等服務應用。對地遙感網作為大規模星座的“信息獲取端”，綜合各種遙感手段的技術優勢，由多個功能型星座組成。除常規任務外，可根據需求從各功能星座中抽取節點衛星，聚合成特定的任務系統，在通信廣播網、導航授時網的支持下，協同完成各類任務。

4.2 提前謀劃，逐步開展核心技術攻關和驗證

提升衛星裝備的信息化、智能化以及協同化水平將是大勢所趨。通過引入人工智能技術，形成任務智能規劃、資源智能管控、健康智能管理的全新應用模式，實現裝備自適應學習能力，提高裝備特殊環境應對能力；通過引入大數據分析技術，利用在軌多節點分布式計算、存儲資源，進行海量信息處理和多源信息融合，揭示信息表象背后的意圖與趨勢。

構建未來大規模衛星星座系統，需要加大新技術投入力度，特別是對大規模衛星網絡構建、自主任務智能調度協同、海量數據在軌存儲/處理/快速傳輸等相關技術提前布局，作好相關技術規劃和論證，強調技術的體系性和適用性，系統解決任務需求涉及的各項技術的協調統一，并有計劃、有步驟地開展攻關和在軌驗證。

4.3 系統思維，提升批量化低成本研產能力

大規模星座的建設，對衛星設計、制造和發射等提出了更高的要求。在衛星設計方面，采用“模塊化載荷+通用化平臺”的基本架構，打破傳統衛星平臺圍繞載荷設計的“訂制化”模式，實現業務去平臺化、載荷去平臺化、即插即用、縮短研制周期和降低研制成本。在衛星制造方面，推動工業化、標準化、自動化研制生產，以及批量化智能測試能力建設，適應大規模、批量化同構衛星的研試任務；加大數字化仿真驗證能力建設，提升高效試驗驗證及評估能力；大力提升基礎管理過程中信息化、數字化水平。在衛星發射方面，大力推動星箭一體化總體布局，研究適應一箭多星發射要求的布局構型、機電控制技術群落，大幅提升衛星部署規模并降低部署成本。

4.4 夯實基礎，提升產品自主可控能力

隨著西方對中國的封鎖壓制逐漸拓展到高科技領域，在我國衛星領域持續推動自主可控是必由之路。1）加大基礎投入，筑牢衛星工業基礎，以提升衛星產能為重要目標構建新型衛星產業鏈和產業生態系統；2）促進技術研究成果轉化應用，高度支持衛星工程產業化發展；3）加強知識專利重視程度，在未來空間資源、電磁頻譜競爭愈加激烈的大趨勢下，進一步加大對航天專利、技術的保護與應用，爭取成為未來國際航天領域技術的引領者和規則的制定者；4）探索低成本國產化代替新方法，國產化代替是實現自主可控的有效保障，在當前國際商業衛星迅猛發展的背景下，發展低成本衛星將極大地提升我國商業衛星效費比、增強商業市場競爭力。

5 結束語

本文分析了國外先進衛星技術特點，從需求牽引和技術推動的角度對我國衛星技術發展趨勢做出研判，明確了未來我國衛星將朝著網絡化、智能化、功能可塑、低成本和自主可控等方向發展。同時，重點論證了“互聯網+”“人工智能+”“大數據+”及科研模式轉型對我國衛星轉型發展的影響，并從體系建設、技術布局、研產能力和自主可控等多個維度提出發展舉措與建議，可有效指導新時期我國先進衛星系統建設。