天基跨域群智系統發展分析和技術展望

陳占勝

（上海衛星工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著航天技術及應用的發展，單個航天器的復雜度和規模不斷攀升，不可避免地面臨發射困難、研制周期長、研制成本高，以及某些特定空間任務（如超長基線合成孔徑、多尺度探測等）無法由單一航天器完成等問題。小衛星具有體積小、質量輕、成本相對低廉、研制周期短等優勢，同時對運載工具與地面設施的要求變通性大，已成為空間系統研究和建設的熱點。另一方面，航空航天技術的不斷融合與空天應用需求的不斷擴展，由多個智能小衛星、空中無人傳感器等組成的群體通過共享信息和任務，基于某些內在機制呈現效能提升的整體，已獲得越來越多的關注。本文首先探討天基跨域系統概念研究，歸納出天基跨域群體智能系統（簡稱群智系統）的主要特點，并對天基跨域群智系統的技術發展進行研判，提出群智感知、集群控制、協同計算和高效傳輸4 個技術難點，最后提出建議。

1 天基跨域群智系統概念研究

超大規模巨型星座已成為未來彈性太空體系建設的主要方向，對抗環境下空間系統整體的安全性、抗毀性是任務有效完成的基礎保障，單個高性能衛星節點極易受到攻擊，一旦發生故障，將直接喪失能力。天基群智系統具有分布式、網絡化、扁平化、自適應、自協同等特點，通過星間分布式自主協同，即衛星根據自身獲取信息和星間交互信息自主形成對環境、個體、群體狀態的一致認知，通過群體交互優化任務分配，涌現群體智能行為，高效地進行行為控制與任務協同，逐步擺脫依賴地面管控的任務上注與規劃，實現對動態的任務環境變化做出實時響應與動態調整。

跨域能力則在天基群智的基礎上，支持與陸、海、空多區域節點的信息交換，拓展單天域系統的探測維度，破解探測視角不全面的問題。整個天基跨域群智系統利用個體間的有限局部交互信息，激發自主協同與任務共享，實現從“單體弱智能”到“群體強智能”的提升，具備“一點采集、大家共享”、“一有情況、群起而攻之”等涌現效應。

與傳統的星群或者星座系統、分布式集群系統等相比，天基跨域群智系統在空間跨度范圍、系統智能化軟硬件應用和智能化網聯化等方面具有顯著的差別，如表1 所示。

表1 典型集群系統差異性對比分析

天基跨域群智系統具有空間跨度范圍大和智能化協同強等突出的特點，還具有以下較為明顯的特征：

1）組織靈活。天基跨域群智系統由各類型小衛星組成空間部分，同時支持與陸海空節點的交互協同，可根據任務需求實現多種類節點、載荷的快速調度或換裝，進行不同的任務分工，協同實現空間自組織管理運行，從而在整體上實現特定應用能力。同時，靈活的重組和應用模式組配，增加了對方識別和決策反制的難度，提高魯棒性。

2）協同決策和感知。利用多節點間實時數據交互，天基跨域群智系統可基于分布式態勢感知與數據融合對周邊環境信息進行感知評估，并根據系統當前狀態做出反應并形成決策。

3）快速響應。未來的空間任務對時效性提出了很高的要求。在實現層面，跨域群智系統需要衛星、飛機或地面傳感器等進行輕型化、小型化、批量化、多樣化的設計，支持快速組裝和快速部署。在能力生成層面，跨域群智系統具有快速組隊、快速運行與系統自主運行等能力。

2 天基跨域群智系統發展研判

2.1 組網規模不斷擴大，智能化、網絡化成為未來空間系統基本特征

巨型星座已成為未來彈性太空體系建設的主要方向，利用多顆衛星分別配置不同的任務載荷，通過天基信息網絡互聯形成協同增效的能力。美國大規模感知系統通過綜合化、協同化和網絡化設計，支持多型節點間的信息協同和任務協同，為應用平臺提供綜合化數據服務。星鏈等商業低軌通信星座探索天基智能化、網聯化技術，構建全球范圍內高彈性、高可用性、高帶寬、低延時的通信設施，支持各類典型業務應用。總體上看，基于“物理分散、信息聚合、智能協同”的指導思想，開發低成本和短周期的衛星星座，通過節點間高度互聯與自治，提供強大的綜合傳感、通信等功能，已經成為明顯趨勢。

2.2 單星和星簇功能密度提高，群智協同對在軌計算能力需求極大提升

按照“一星多用、動態重構”理念，基于孔徑綜合、射頻綜合、基帶綜合的思路，通過射頻通道化、信號/數據處理數字化、功能軟件化，實現載荷功能自主按需重構，天基跨域群智系統的載荷范圍甚至可以從遙感領域延拓到通信、導航等領域，對在軌信息處理能力需求激增。充分利用地面信創產業的軟硬件成果，構建云邊協同的計算服務體系，推動星上信息處理技術由傳統處理方式逐步向智能化處理過渡，以高性能AI 芯片、高效率智能化算法等賦能提升在軌算力，已經成為空間節點智能自治和綜合服務主要手段。

2.3 著力加強基于網聯的協同調度、系統智能化運行和單星長期自主運行等能力

引入人工智能、分布式計算、星上智能任務調度與管理等多種地面先進技術，推動基于天地大回路的衛星管控模式向以衛星為中心的任務規劃與決策模式轉型，提升信息時效性、緊急任務響應能力、多星協同調度能力。充分依托星地協同的自主任務規劃能力，使無論衛星數量如何增長，應用單位仍然是任務需求的提出方，而衛星的協同調度、任務規劃和計算方面等工作全部由基于AI 的天地一體化協同規劃支撐系統完成，最大程度地釋放系統使用者的精力。單星層面，通過實時監控、自主響應的方式進行能源、熱控和綜電等方面的健康管理，在衛星系統規模日益擴大的情況下保證個體和整個星座系統的安全運行。

3 天基跨域群智系統關鍵技術分析

天基跨域群智系統在綜合探測感知、低時延任務響應和高性能數據服務等方面具有突出優勢，面向天基跨域群智系統的構建、運行和應用，需要在群智感知、集群控制、協同計算和高效傳輸等4 個方面開展技術攻關。

1）群智感知方面，研究大跨度大規模節點協同的感知能力涌現機制、多域態勢協同感知的一致性等問題，在有限且時變的網絡支撐下通過節點間交互與反饋、激勵與響應，根據群節點需求進行局部優化求解，使得整個系統涌現出整體行為并收斂到高效的運行狀態，實現天基群智能系統的能力涌現，使衛星星座轉向智能化，實現按需服務。

2）集群控制方面，研究基于多智能體的星群自主智能決策、星座智能調度自主任務規劃和面向衛星集群的應用和知識遷移等問題，實現跨域群智系統的任務高效響應和決策執行，提升陸海空天多域資源的一體化管理和調度，實現受控條件下能力的有序遷移和重構，支持任務環路低時延閉環。

3）協同計算方面，研究態勢驅動的星載任務智能推理、異構多載荷目標信息在軌快速智能關聯與融合和邊緣智能星群自組織協作計算等難題，彌補星載計算短板，以高性能邊緣處理硬件實現，提升群智系統的自治能力，實現跨域群智系統數據的高置信度融合和有效信息生成，支持多樣感知數據的快速處理。

4）高效傳輸方面，研究復雜環境分布式群智系統彈性網聯、復雜動態網絡拓撲中信息低時延交互等難題，以開放式的互聯架構，支持跨協議兼容、動態隨遇接入和高效分發，打造韌性網絡能力，閉環感知、控制和計算的網聯需求。

圖1 天基跨域群智系統關鍵技術群

3.1 天基跨域群智系統感知技術

1）大跨度大規模節點協同的感知能力涌現機制

跨域群智能系統的整體效能取決于系統全要素的集體行為，在衛星群體協同運行中需要進行協作調配。從單次任務閉環過程來看，從任務發起到數據落地，整個過程衛星系統、地面管控中心、地面站不斷進行交互，并且相互影響，各自承擔著不同角色，單個衛星行為通過局部交互可以影響整個系統行為。面向上千顆星的巨型衛星星座控制，研究群智系統涌現機制，對跨域群智能系統進行架構設計，實現傳感器、控制器、物理實體的緊耦合，采用集群智能方法對運行方案進行優化求解，可以擺脫全局指揮和集中控制弊端。

2）分布式異構天基系統態勢感知一致性技術

集群協同態勢感知一致性是實現智能涌現的前提，也是支撐分布式異構天基系統協同決策的關鍵環節。研究強對抗條件下的多域集群態勢一致性感知、多域分布式信息和數據的統一表征、多域集群多尺度多層級智能匹配等子技術，實現高動態大范圍復雜環境下態勢信息和目標狀態的全面掌握，為群智控制和決策提供高可用的數據支持。

3.2 面向群智系統的集群控制技術

1）基于多智能體的星群自主智能決策技術

傳統對于多星在軌的任務協同問題，往往采用集中式任務規劃方法，且多依賴地面實現，存在計算實時性較差、方案修改不易、擴展靈活性不足、任務決策鏈條冗長等缺點。進行任務規劃時必須等到任務約束和資源全部確定后才能進行，當計算出規劃結果后，一旦有新任務到達或參與規劃的衛星或資源發生變化，已經規劃好的方案不再適用，只能在現有任務和資源條件下重新調用集中式規劃算法進行計算，耗費時間長，難以滿足當前星群在軌任務規劃的動態要求。面對大跨度群智系統，需要建立高效率、智能化、實時性高的集群任務規劃與智能決策方法。

2）星座智能調度自主任務規劃技術

傳統的“天地大回路”任務管控模式，衛星自主化程度低，星上處理能力弱，從任務獲取到數據采集、數據產品生成時間鏈條長，已經不能滿足大規模多體制衛星星座應用需求。群智系統應具備天地一體化智能調度能力，實時接收用戶終端提出的對地觀測任務，對任務執行所需觀測資源、傳輸資源動態組織調度，具備多任務并行處理、實時在線任務分解執行的能力，觀測數據及在線處理結果快速落地，實現衛星資源組織面向任務的快速應變處理。

3）面向衛星集群的知識遷移技術

生物群體的智能不僅體現在協作完成特定任務，也體現在單個個體或群體的能力處在不斷進化中、迭代進化發展。受元器件壽命的約束，集群化衛星系統中的單顆衛星壽命始終有限，但是通過持續補充，群智系統硬件承載始終存在。新入軌系統由于數據、模型和知識經驗等同步不及時，在面對新個體、新任務、新場景時存在冷啟動或小樣本問題，可采用跨實體、跨任務的群智能體知識遷移方法，將多個“富經驗”衛星或地面先驗知識基于推送或知識遷移傳遞給新入域節點，減少新衛星成員的學習時間成本，實現智能體持續學習演化，提高任務執行效率。

3.3 天基高性能協同計算技術

1）異構多載荷目標信息在軌快速智能關聯與融合技術

面向高置信度多維圖像或信息服務需求，在適應多種載荷（包括異源同構、異源異構）數據的智能融合處理框架結構下，電磁監測類載荷監測范圍廣、目標截獲概率高、受天氣影像較小，但定位精度低，識別結果不直觀；而成像類載荷定位精度高、識別目標較為直觀，但一般受天氣等影響較大。鑒于異構載荷提供的目標特征耦合程度低，對目標進行分類判決的證據信息相對獨立，研究基于決策層融合的識別手段，建立各種載荷數據對目標的截獲概率模型和信息的不確定模型，對各載荷提供的證據信息進行合理配比，實現衛星目標圖像傳感器信息、位置信息、屬性信息及目標間結構拓撲信息的綜合關聯，達到多載荷綜合配置效益的優化。

2）態勢驅動的星載邊緣任務智能推理技術

常規模式下，天基跨域群智系統可有效完成地面指控的各類任務，在引入星載態勢驅動后，具備拓展支持實時新發現目標在線任務生成、基于態勢理解預測信息的任務生成和新任務臨機重規劃等能力，提高任務的執行效率、執行效能和綜合效益。首先需要設計有效的任務觸發機制，使得多源態勢可以準確地驅動任務的生成。其次，需要研究衛星自主對生成的任務體量與需求的判斷，自主判斷該任務是使命級任務或簡單任務，并自主決定任務需要再籌劃、分發還是自主執行，并觸發局部的多星協同配合。

3）邊緣智能星群自組織協作計算技術

面對群智系統任務的多樣性、異構衛星節點能力的差異性以及智能星群體連接拓撲的時變性等難題，研究邊緣智能星群自組織協作高效計算模式，根據性能需求（如時延、精度、感知范圍、靈敏度等）和運行環境（如網絡傳輸、能耗等），將原始任務進行自動“切分”并優選和調度合適的邊緣星群協同完成感知計算任務。同時，依托巨型系統邊緣智能化能力，基于泛在網絡將星群資源“池化”共享，按需組織感知、存儲和計算等各能力要素以適應動態的環境及應用場景，極大提高協作效率和任務保障質量。

3.4 異構系統高效網絡傳輸技術

1）復雜環境分布式群智系統彈性網聯技術

與一般的星簇系統不同，跨域群智系統拓撲變化無周期性、空間尺度變化較大。同時，接入技術、組網協議和終端設備能力等方面的異構性問題突出。針對群智系統網絡化應用所提出的大規模衛星集群異構互聯和復雜環境高效傳輸需求，需要攻克動態組網網聯技術，基于各載荷設備所提供的計算、網絡和存儲資源，實現數據高效緩存、路由智能計算、資源智慧調度等功能，提供數據智能緩存和容遲容斷傳送分發能力，支持數據按需訂閱分發模式和情景感知的主動推送模式。

2）復雜動態網絡拓撲中信息低時延交互技術

天基跨域群智系統具有環境感知和目標探測等傳感器多樣化、感知態勢共享困難等特征，同時面臨著終端互聯鏈路差異性大、軟件系統和應用接口不統一等問題。能力涌現、多任務協同和指控等應用模式對低時延信息交互提出迫切需求，需要推動構建開放式兼容性協議規范，基于數據分發服務等標準規范，利用中間件或插件等構建信息交互空間，保障天基信息網絡建立、演化、重構等過程中的穩健性、安全和低時延等服務質量（QoS）。

4 發展展望及建議

天基跨域群智系統作為極具潛力的未來彈性體系之一，從軍民等應用需求出發，面向能力落地，仍需從感知、控制、計算和傳輸等方面開展進一步的探索。

1）把握智能化、網絡化、規模化和集群化等趨勢，采取大/中/小微相結合、有人與無人相結合、陸海空天多域相結合等方式，組建能夠同時在多維空間協同的小型聯合功能體，推動產生群體主動協同的應用能力。

2）以跨域多系統應急處理突發搶險救災、光電和雷達等多手段感知環境等任務為著手點，持續深挖軍民應用需求和場景，優化群智系統應用模式，為天基跨域群智系統的發展勾勒場景和提出指標需求。

3）在“感知、控制、計算、傳輸”等方面持續開展“產學研”聯合攻關，就支撐技術、算法和單機等軟硬件產品開展研發，成熟一批、搭載試驗一批，快速迭代。

4）充分借鑒地面系統的先進構建經驗，利用成熟應用的體系架構、軟硬件等產業成果，大力推動天基群智系統的技術實踐。如在組網和信息交互方面，借鑒開放式的數據發布服務（DDS）標準，實現以數據為中心的高效數據交互。在計算方面，可借鑒“云邊一體”的設計思想，整合各類星地異構資源：在地面構建功能強大的云底座以支持復雜任務推演、全局任務規劃和多域用戶的服務提供；在天基則構建智能化邊緣云，支持低時延的局部星上任務規劃、高效率智能化推理計算和態勢驅動的任務遷移重構等服務。■