“星鏈”引發低軌衛星巨型星座競相發展。按現實增長模型預測，2036年全球在軌衛星數將飆升至27萬顆。屆時太空會被“擠爆”，導致嚴重“堵車”。
國防科技大學教授楊俊團隊提出面向天基智能發展需求的開放共享可持續性巨型星座（OSSMC）建設方案，僅靠約4.8萬顆衛星就可為全球80億用戶提供按需定制、即時響應的服務，其服務效能與百萬顆衛星相當。相關成果近日發表于《國家科學評論》。
OSSMC示意圖。受訪者 供圖近地空間擁堵增加碰撞風險
天基系統是以太空中的衛星、空間站等航天器為核心，輔以地面站、控制中心等地面配套設施，實現信息獲取、傳輸、處理與服務的綜合系統。它就像“太空版的基礎設施網絡”，把太空資源與地面需求連接起來。
“具有衛星發射能力的國家都擁有天基系統。”論文通訊作者、國防科技大學研究員郭熙業表示，在航天科技迅猛發展的當下，太空的戰略價值愈發凸顯，吸引著越來越多的國家投身其中。美國、日本、英國、印度等國家紛紛發布太空戰略文件，完善自身太空戰略布局。
近地軌道正成為新的“戰略要地”。美國空軍專業太空追蹤網站Space-Track數據顯示，目前全球在軌衛星數量已超1.5萬顆。
據統計，自“星鏈”掀起低軌星座競賽潮以來，全球已提交300多份星座計劃、預計部署超百萬顆衛星，太空正變得越來越“擠”。考慮衛星軌道運動安全距離，在同層與跨層星間最小安全距離均為50千米的情況下，300至2000公里低軌空間僅能容納17.5萬顆衛星。
“也就是說，在衛星最小安全距離下，低軌空間的衛星數上限為17.5萬顆，而2036年全球在軌衛星數預計將飆升至27萬顆，空間資源的有限性與需求的爆炸式增長形成尖銳矛盾。”郭熙業說，每新增一顆衛星，都會增加其撞擊地球軌道上其他運行物體的風險，太空垃圾正以每年5%的速度增長，帶來極為嚴重的安全問題。
團隊成員探討科學問題。王昊昊 攝不僅如此，隨著低空軌道的衛星越來越多，其對近地空間的影響也會越來越大。比如光污染，“星鏈”衛星上裝備了巨大的太陽能板，這些太陽能板反射光線，成為光污染的新來源。更重要的是，這些新增衛星會干擾人類對太空的天文觀測，對地面望遠鏡和空間望遠鏡造成潛在干擾。
該團隊成員、國防科技大學副研究員李獻斌表示，未來更多空間站的部署、外星體探測任務相關航天器的往返與駐留，將進一步擠占有限的軌道空間，若不加以科學規劃，可能導致近地軌道陷入擁堵甚至癱瘓，嚴重制約后續太空探索活動的開展。
一顆衛星不再只能干一件事
太空的衛星已經很多了，為什么各個國家還在不斷發射新衛星？
“關鍵原因是傳統的天基系統功能孤立、服務固化，資源閑置率超90%。”李獻斌表示，傳統衛星就像一個個“功能孤島”，有的衛星專門負責通信，有的只做導航，有的只能進行遙感觀測，每顆衛星只有單一功能，彼此之間幾乎沒有關聯。各國各自為戰的發展模式又導致衛星重復建設，太空衛星中有很多功能相同。
數據顯示，若維持現有格局，到2030年，全球空間系統成本將突破萬億美元，而服務效能卻因軌道擁堵不升反降。
“‘星鏈’引發了低軌衛星巨型星座競相發展，曾有百余名科學家‘上書’國際電信聯盟，建議叫停其后續衛星發射計劃。”論文共同第一作者、國防科技大學助理研究員覃俊祥介紹，盡管空間可持續性發展問題在《自然》《科學》等國際刊物上引起廣泛討論，但遺憾的是，一直沒有給出解決方案。
如何破題？研究團隊首先尋求理論突破。他們建立了開放共享可持續星座設計理論框架，解決復雜天基系統動態優化和資源最優配置難題。
他們提出“衛星資源實體化抽象”理論，將傳感器等硬件解耦為虛擬資源，打破傳統衛星功能固化局限。覃俊祥解釋，這是把衛星上的傳感器等硬件設備轉化成一個個虛擬資源，就像在手機上使用的各種App，不用關注手機硬件具體是什么型號，只要有對應的虛擬功能就能用一樣，這種轉化讓資源調配更靈活。
在此基礎上，團隊建立“天基用戶需求-資源動態映射”多目標優化理論，它能根據不同用戶的多樣化需求，智能匹配對應的衛星資源，就像“智能導購”一樣，能夠精準找到最適合用戶需求的資源組合；建立星群協同服務優化智能算法理論框架，讓太空中的衛星不再孤立，而是像一個“團隊”一樣協同工作。
“要打破過去一顆衛星只能干一件事的模式。”郭熙業表示，理論創新實現了整個衛星星座全局參數的優化，從而最大化提升天基系統資源效能，全面提升通信、導航和遙感一體化服務質量。
讓4.8萬顆衛星等效百萬顆
在理論突破基礎上，該團隊進行硬件和范式革新，創新提出“傳感器+網絡+智能計算”（SNAI）的智能衛星架構，構建基于“云池端”（CPT）范式的智能天基系統。
國防科技大學面向一體化天基系統智能衛星演示系統。王昊昊 攝硬件革新方面，SNAI把衛星拆分成一個個標準化的“資源單元”，它們就像通用零件，包括負責感知信號的傳感單元、負責數據傳輸的網絡單元、負責處理數據的智能計算單元。這種開放式架構不僅大大降低衛星建設成本，還讓衛星資源利用率大幅提升，單是傳感資源的覆蓋范圍就比以前提高13倍。
系統革新方面，CPT范式重塑天基系統的服務模式。借鑒互聯網“全球一張網”的理念，智能天基系統通過云端統籌實現全球衛星資源的智能調度。
不僅如此，CPT范式還通過“池化管理”的方式，把分散在太空中的衛星資源像“蓄水池”一樣聚合起來。這樣一來，不管是地面上的用戶，還是太空中的用戶，都能實現對這個“空間資源池”的“一點接入、全域調度、全時服務”。也就是說，用戶只要通過一個接入點，就能調用全球的衛星資源，而且隨時隨地都能享受服務，相當于打造了一個全球共享的“太空資源倉庫”。
“就像我們用手機聯網，不管在全球哪個角落，只要有信號就能使用網絡服務一樣。”李獻斌表示。
團隊成員開展相關研究。王昊昊 攝“這種服務模式的轉變，讓天基系統從以前的被動服務變成智能自主服務。現在用戶隨機提出的任務，成功率能提升到97%，衛星資源的利用率和服務效率也都有顯著提高，還實現了軟件和硬件的相互獨立，后續不管是更新軟件功能，還是更換硬件設備，都不會互相影響。”覃俊祥表示。
據團隊測算，通過前述系列創新，天基系統的資源效能被最大化提升，只用4.8萬顆衛星就能實現過去100萬顆衛星的服務效果，大大提升航天資源利用效率。
李獻斌介紹，OSSMC建設方案若在非洲撒哈拉以南地區開展應用，智能天基系統通過動態調配衛星資源，可使該區域互聯網覆蓋率從現有的12%提升至85%。按現有規劃，到2030年，采用該方案的全球空間系統，衛星數量可減少70%。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf344
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