“星链”引发低轨卫星巨型星座竞相发展。按现实增长模型预测，2036年全球在轨卫星数将飙升至27万颗。届时太空会被“挤爆”，导致严重“堵车”。

国防科技大学教授杨俊团队提出面向天基智能发展需求的开放共享可持续性巨型星座（OSSMC）建设方案，仅靠约4.8万颗卫星就可为全球80亿用户提供按需定制、即时响应的服务，其服务效能与百万颗卫星相当。相关成果近日发表于《国家科学评论》。

OSSMC示意图。受访者 供图

近地空间拥堵增加碰撞风险

天基系统是以太空中的卫星、空间站等航天器为核心，辅以地面站、控制中心等地面配套设施，实现信息获取、传输、处理与服务的综合系统。它就像“太空版的基础设施网络”，把太空资源与地面需求连接起来。

“具有卫星发射能力的国家都拥有天基系统。”论文通讯作者、国防科技大学研究员郭熙业表示，在航天科技迅猛发展的当下，太空的战略价值愈发凸显，吸引着越来越多的国家投身其中。美国、日本、英国、印度等国家纷纷发布太空战略文件，完善自身太空战略布局。

近地轨道正成为新的“战略要地”。美国空军专业太空追踪网站Space-Track数据显示，目前全球在轨卫星数量已超1.5万颗。

据统计，自“星链”掀起低轨星座竞赛潮以来，全球已提交300多份星座计划、预计部署超百万颗卫星，太空正变得越来越“挤”。考虑卫星轨道运动安全距离，在同层与跨层星间最小安全距离均为50千米的情况下，300至2000公里低轨空间仅能容纳17.5万颗卫星。

“也就是说，在卫星最小安全距离下，低轨空间的卫星数上限为17.5万颗，而2036年全球在轨卫星数预计将飙升至27万颗，空间资源的有限性与需求的爆炸式增长形成尖锐矛盾。”郭熙业说，每新增一颗卫星，都会增加其撞击地球轨道上其他运行物体的风险，太空垃圾正以每年5%的速度增长，带来极为严重的安全问题。

团队成员探讨科学问题。王昊昊 摄

不仅如此，随着低空轨道的卫星越来越多，其对近地空间的影响也会越来越大。比如光污染，“星链”卫星上装备了巨大的太阳能板，这些太阳能板反射光线，成为光污染的新来源。更重要的是，这些新增卫星会干扰人类对太空的天文观测，对地面望远镜和空间望远镜造成潜在干扰。

该团队成员、国防科技大学副研究员李献斌表示，未来更多空间站的部署、外星体探测任务相关航天器的往返与驻留，将进一步挤占有限的轨道空间，若不加以科学规划，可能导致近地轨道陷入拥堵甚至瘫痪，严重制约后续太空探索活动的开展。

一颗卫星不再只能干一件事

太空的卫星已经很多了，为什么各个国家还在不断发射新卫星？

“关键原因是传统的天基系统功能孤立、服务固化，资源闲置率超90%。”李献斌表示，传统卫星就像一个个“功能孤岛”，有的卫星专门负责通信，有的只做导航，有的只能进行遥感观测，每颗卫星只有单一功能，彼此之间几乎没有关联。各国各自为战的发展模式又导致卫星重复建设，太空卫星中有很多功能相同。

数据显示，若维持现有格局，到2030年，全球空间系统成本将突破万亿美元，而服务效能却因轨道拥堵不升反降。

“‘星链’引发了低轨卫星巨型星座竞相发展，曾有百余名科学家‘上书’国际电信联盟，建议叫停其后续卫星发射计划。”论文共同第一作者、国防科技大学助理研究员覃俊祥介绍，尽管空间可持续性发展问题在《自然》《科学》等国际刊物上引起广泛讨论，但遗憾的是，一直没有给出解决方案。

如何破题？研究团队首先寻求理论突破。他们建立了开放共享可持续星座设计理论框架，解决复杂天基系统动态优化和资源最优配置难题。

他们提出“卫星资源实体化抽象”理论，将传感器等硬件解耦为虚拟资源，打破传统卫星功能固化局限。覃俊祥解释，这是把卫星上的传感器等硬件设备转化成一个个虚拟资源，就像在手机上使用的各种App，不用关注手机硬件具体是什么型号，只要有对应的虚拟功能就能用一样，这种转化让资源调配更灵活。

在此基础上，团队建立“天基用户需求-资源动态映射”多目标优化理论，它能根据不同用户的多样化需求，智能匹配对应的卫星资源，就像“智能导购”一样，能够精准找到最适合用户需求的资源组合；建立星群协同服务优化智能算法理论框架，让太空中的卫星不再孤立，而是像一个“团队”一样协同工作。

“要打破过去一颗卫星只能干一件事的模式。”郭熙业表示，理论创新实现了整个卫星星座全局参数的优化，从而最大化提升天基系统资源效能，全面提升通信、导航和遥感一体化服务质量。

让4.8万颗卫星等效百万颗

在理论突破基础上，该团队进行硬件和范式革新，创新提出“传感器+网络+智能计算”（SNAI）的智能卫星架构，构建基于“云池端”（CPT）范式的智能天基系统。

国防科技大学面向一体化天基系统智能卫星演示系统。王昊昊 摄

硬件革新方面，SNAI把卫星拆分成一个个标准化的“资源单元”，它们就像通用零件，包括负责感知信号的传感单元、负责数据传输的网络单元、负责处理数据的智能计算单元。这种开放式架构不仅大大降低卫星建设成本，还让卫星资源利用率大幅提升，单是传感资源的覆盖范围就比以前提高13倍。

系统革新方面，CPT范式重塑天基系统的服务模式。借鉴互联网“全球一张网”的理念，智能天基系统通过云端统筹实现全球卫星资源的智能调度。

不仅如此，CPT范式还通过“池化管理”的方式，把分散在太空中的卫星资源像“蓄水池”一样聚合起来。这样一来，不管是地面上的用户，还是太空中的用户，都能实现对这个“空间资源池”的“一点接入、全域调度、全时服务”。也就是说，用户只要通过一个接入点，就能调用全球的卫星资源，而且随时随地都能享受服务，相当于打造了一个全球共享的“太空资源仓库”。

“就像我们用手机联网，不管在全球哪个角落，只要有信号就能使用网络服务一样。”李献斌表示。

团队成员开展相关研究。王昊昊 摄

“这种服务模式的转变，让天基系统从以前的被动服务变成智能自主服务。现在用户随机提出的任务，成功率能提升到97%，卫星资源的利用率和服务效率也都有显著提高，还实现了软件和硬件的相互独立，后续不管是更新软件功能，还是更换硬件设备，都不会互相影响。”覃俊祥表示。

据团队测算，通过前述系列创新，天基系统的资源效能被最大化提升，只用4.8万颗卫星就能实现过去100万颗卫星的服务效果，大大提升航天资源利用效率。

李献斌介绍，OSSMC建设方案若在非洲撒哈拉以南地区开展应用，智能天基系统通过动态调配卫星资源，可使该区域互联网覆盖率从现有的12%提升至85%。按现有规划，到2030年，采用该方案的全球空间系统，卫星数量可减少70%。

相关论文信息：

https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf344