陳占勝

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

近年來，以互聯(lián)網(wǎng)、信息技術等為代表的高科技發(fā)展日新月異，對傳統(tǒng)工業(yè)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(wèi)星領域，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)等多項前沿技術在“黑杰克”“星鏈”系統(tǒng)中的成功應用［1-4］，為未來先進衛(wèi)星形態(tài)的形成以及高效應用奠定了技術基礎。本文對國外先進衛(wèi)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(wèi)星技術發(fā)展趨勢做出研判，闡述了“互聯(lián)網(wǎng)+”“人工智能+”“大數(shù)據(jù)+”及科研模式轉型對我國衛(wèi)星轉型發(fā)展的具體影響，進一步提出后續(xù)發(fā)展舉措與建議，為建設我國具備網(wǎng)絡化、智能化多功能特點的先進衛(wèi)星系統(tǒng)提供一定支撐。

1 國外先進衛(wèi)星系統(tǒng)技術特點

1.1 發(fā)展現(xiàn)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(wèi)星項目，旨在利用新興商業(yè)低軌星座發(fā)展的經(jīng)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(wèi)星星座。項目遠期目標是構建60～200 顆規(guī)模的衛(wèi)星星座，運行于500～1 300 km 的軌道高度，每顆衛(wèi)星均裝載智能化協(xié)同任務管理系統(tǒng)“Pit boss”，可完成多類信息融合處理、網(wǎng)絡化傳輸和分發(fā)［1-2］?；谕ㄓ没脚_、模塊化載荷及標準化接口設計理念，實現(xiàn)衛(wèi)星“即插即用”和批量化生產(chǎn)，滿足大規(guī)模星座“快速建設、組網(wǎng)運行、彈性維護”的緊迫需求。同時，利用大規(guī)模星座網(wǎng)絡化特征，可以實現(xiàn)星座關鍵功能的冗余備份和“去中心化”，確保在部分成員衛(wèi)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(guī)模星座的方式，提供覆蓋全球的低成本高速互聯(lián)網(wǎng)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(wèi)星發(fā)射，由此拉開了大規(guī)模星座部署和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務的先河?！靶擎湣庇媱澆捎梅蛛A段實施方式，計劃首先在2021 年底發(fā)射1 600 顆衛(wèi)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(xù)在2024 年、2027 年前分別完成4 425顆Ka/Ku 波段衛(wèi)星和7 518 顆V 波段衛(wèi)星的發(fā)射，預計最終組網(wǎng)衛(wèi)星總數(shù)達11 943 顆［4-6］。2021 年1 月公布的測試結果表明，“星鏈”網(wǎng)絡下載速率190 Mbit/s，上傳速率28 Mbit/s，網(wǎng)絡延遲約為53 ms，具有進一步提升空間。

1.1.3 美國一網(wǎng)公司“一網(wǎng)”項目

美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commision，F(xiàn)CC）于2017 年6 月22 日表決批準了“一網(wǎng)”（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(wèi)星，衛(wèi)星與用戶終端之間采用Ku 頻段通信，衛(wèi)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(wǎng)速相當?shù)幕ヂ?lián)網(wǎng)接入服務。2020年8月27日，F(xiàn)CC批準“一網(wǎng)”增發(fā)1280顆運行在軌道高度為8500km的V波段衛(wèi)星，預計最終組網(wǎng)衛(wèi)星總數(shù)達2000顆。截至2020年3月，已成功部署74顆衛(wèi)星［6-8］。“一網(wǎng)”衛(wèi)星采用天星地網(wǎng)模式，衛(wèi)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(xiàn)全球網(wǎng)絡服務?！耙痪W(wǎng)”衛(wèi)星星上無需實現(xiàn)路由、交換等復雜處理功能，衛(wèi)星之間不設星間鏈路，降低技術復雜度，同時也降低了衛(wèi)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(fā)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(guī)模星座來有效降低系統(tǒng)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(xiàn)星座規(guī)模的彈性擴展。“黑杰克”通過對組網(wǎng)衛(wèi)星進行快速迭代更新，以確保硬件可靠、技術領先。組網(wǎng)衛(wèi)星任務載荷支持即插即用，具備多元能力，可實現(xiàn)星座功能的彈性擴展。

1.2.2 模塊化

部署大規(guī)模星座需要在短時間內(nèi)完成大量衛(wèi)星的設計、生產(chǎn)、測試和發(fā)射，衛(wèi)星采用“模塊化”研制模式，可提高多星并行研制效率［7］。“一網(wǎng)”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(chǎn)點通過檢查設備測試模塊性能?！昂诮芸恕辈捎谩巴ㄓ闷脚_+多元載荷”的設計理念顛覆了傳統(tǒng)的“專用平臺+專用載荷”設計模式，采用通用化商業(yè)衛(wèi)星平臺和可更換的模塊化載荷，實現(xiàn)衛(wèi)星功能“即插即用”，大幅縮短衛(wèi)星研制周期。

1.2.3 低成本

大規(guī)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(yè)化元器件代替宇航級產(chǎn)品，單星制造成本不超過200 萬美元?！耙痪W(wǎng)”公司利用衛(wèi)星批量化生產(chǎn)技術降低研發(fā)成本，已經(jīng)完成了衛(wèi)星生產(chǎn)線的建設，具備日產(chǎn)衛(wèi)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(wèi)星設計、制造、裝配、測試、發(fā)射和運營于一身來解決成本問題，已經(jīng)實現(xiàn)了日產(chǎn)衛(wèi)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(fā)射技術等，可使單位質(zhì)量發(fā)射成本降低至競爭對手的1/3～1/2，單星發(fā)射成本降低至約60 萬美元。

2 我國衛(wèi)星技術發(fā)展趨勢研判

我國衛(wèi)星領域歷經(jīng)60 多年發(fā)展，實現(xiàn)了從無到有、從小到大的偉大轉變。長期以來，我國衛(wèi)星領域科研生產(chǎn)采取對標歐美發(fā)達國家的“跟隨式”發(fā)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(yè)務應用需求的不斷提升，要求衛(wèi)星系統(tǒng)數(shù)據(jù)多源化、信息實時化、服務大眾化，同時人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算等新技術迅猛發(fā)展，為未來衛(wèi)星系統(tǒng)的智能化、網(wǎng)絡化發(fā)展提供了良好的基礎。在國家戰(zhàn)略需求牽引和技術發(fā)展推動下，以網(wǎng)絡化、智能化、多功能、低成本、可批量生產(chǎn)和快速部署為重要特征的大規(guī)模衛(wèi)星星座將成為發(fā)展的必然趨勢。

2.1 具備網(wǎng)絡化互聯(lián)互通能力

互聯(lián)互通是大規(guī)模星座實現(xiàn)彈性組網(wǎng)、自主協(xié)同的基礎。然而，過去部署的星座僅僅是傳統(tǒng)意義上的區(qū)域覆蓋星座。星座拓撲固定，衛(wèi)星之間的協(xié)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(wèi)星難以無縫鏈接進入星座之中。未來大規(guī)模星座將呈現(xiàn)網(wǎng)絡化趨勢，體系互聯(lián)、自主協(xié)同，以星為主、星地互補，實現(xiàn)“天-地-終端”的“連接一切”的多節(jié)點貫通能力，用戶節(jié)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(wèi)星數(shù)據(jù)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(guī)模星座任務多樣、各成員節(jié)點間相互約束多，因此，智能協(xié)同是星座發(fā)揮集群化效能的核心。未來大規(guī)模星座將擁有高度自主性，是具備強大的在軌數(shù)據(jù)處理、任務組織管理、數(shù)據(jù)實時傳輸能力的“智慧星座”，可以靈活組配功能子系統(tǒng)，實現(xiàn)對多重任務的靈活高效響應，實現(xiàn)從接收任務、智能規(guī)劃、任務執(zhí)行和完成效果評估的全閉環(huán)?？梢匀诤咸幚矶嘣磾?shù)據(jù)信息，提升在軌衛(wèi)星數(shù)據(jù)利用率，如通過星上數(shù)據(jù)處理，對疑似火災區(qū)域進行判別，并對其他衛(wèi)星進行任務調(diào)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(tǒng)的衛(wèi)星研制和應用重視單星或單個衛(wèi)星體系的性能提升。單星規(guī)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(guī)模星座將更加注重體系性能提升，將傳統(tǒng)大衛(wèi)星高精尖技術以及多功能分散到多顆子節(jié)點星上，降低衛(wèi)星研制成本與技術難度，也降低大衛(wèi)星失效帶來的系統(tǒng)降效風險。另外，大規(guī)模星座由載荷手段齊備、軌道部署優(yōu)化、性能搭配合理的各類衛(wèi)星組成，可按需聚合成執(zhí)行特定任務的臨時子系統(tǒng)，大幅提升系統(tǒng)的功能可塑性。

2.4 具備快速、低成本、批量化研產(chǎn)能力

大規(guī)模星座的快速構建與長期穩(wěn)定應用，需要在短時間內(nèi)完成大量衛(wèi)星研產(chǎn)和發(fā)射，對批量化制造能力提出了極高需求。新技術快速發(fā)展，帶動衛(wèi)星技術快速迭代更新，衛(wèi)星系統(tǒng)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(shù)量的大幅增長，衛(wèi)星系統(tǒng)面臨越來越復雜的空間環(huán)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(chǎn)、降低成本造價等將倒逼傳統(tǒng)科研生產(chǎn)模式轉型。

3 我國衛(wèi)星轉型發(fā)展影響分析

我國衛(wèi)星轉型發(fā)展需要綜合多方面影響因素，既受國外衛(wèi)星技術發(fā)展趨勢的影響，也有我國現(xiàn)實國情與產(chǎn)業(yè)升級的內(nèi)在驅(qū)動，表現(xiàn)在三個方面：1）在功能性能方面，互聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)等前沿技術加速與衛(wèi)星領域交叉融合，提升單星、星座的智能化、網(wǎng)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(tǒng)，提升衛(wèi)星星座的健壯性；2）在產(chǎn)能方面，持續(xù)推動科研生產(chǎn)模式轉型，探索低成本、批量化衛(wèi)星研產(chǎn)方法，有效支撐未來我國大規(guī)模星座快速部署及商業(yè)衛(wèi)星競爭；3）在自主可控方面，大力推動我國衛(wèi)星平臺、單機和部組件的自主可控力度，確保我國衛(wèi)星獨立、可持續(xù)發(fā)展，打造我國自主可控、優(yōu)勢明顯的衛(wèi)星全產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。

3.1 “互聯(lián)網(wǎng)+航天”重塑未來以信息為核心的衛(wèi)星體系新架構

“互聯(lián)網(wǎng)+”模式具備“連接一切、開放生態(tài)、重塑結構、創(chuàng)新驅(qū)動”4 大特征，與衛(wèi)星領域的深度融合可有效提升衛(wèi)星系統(tǒng)信息化能力。1）“連接一切”的多節(jié)點貫通能力，快速、高效實現(xiàn)全域要素的信息共享，塑造信息高速交互、裝備高效協(xié)同、行動高度統(tǒng)一的衛(wèi)星體系新模態(tài)；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(xiàn)權限控制與網(wǎng)絡穩(wěn)定，維護天基信息網(wǎng)絡安全；3）以構建多級根節(jié)點的方式搭建全鏈路系統(tǒng)總體架構，降低對個別根節(jié)點小系統(tǒng)的依賴，逐步完善體系內(nèi)多級、分層互聯(lián)能力；4）結合人工智能、大數(shù)據(jù)、云處理等領域研究成果，實現(xiàn)智能天基網(wǎng)絡優(yōu)化重組、智能節(jié)點裝備和智能任務規(guī)劃重組等能力。

3.2 “人工智能+航天”提升衛(wèi)星在軌資源與任務管控能力

“人工智能+”是加速我國衛(wèi)星裝備智能化進程的有效方法，在衛(wèi)星智能任務規(guī)劃、管控及數(shù)據(jù)處理等環(huán)節(jié)應用效益明顯：1）提升單星和星座任務規(guī)劃自主程度，通過引入多智能體、深度神經(jīng)網(wǎng)絡等理論，可使在軌衛(wèi)星在不依賴地面運控干預的條件下，即可實現(xiàn)任務自主閉合；2）為在軌資源管控提供最優(yōu)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(wǎng)絡實現(xiàn)虛擬資源池、云資源等智能管理；3）為在軌衛(wèi)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(wǎng)絡具備故障節(jié)點發(fā)現(xiàn)、節(jié)點隔離等功能；4）在數(shù)據(jù)處理方面，開發(fā)星上超算力處理芯片，支撐衛(wèi)星數(shù)據(jù)高效分級分類處理及深度處理融合。

3.3 “大數(shù)據(jù)+航天”拓展衛(wèi)星信息服務的廣度和深度

“大數(shù)據(jù)+”在衛(wèi)星海量數(shù)據(jù)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(yōu)勢，可大幅提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)的利用率。其應用優(yōu)勢主要表現(xiàn)在：1）提高了數(shù)據(jù)分析處理的時效性，依托空間組網(wǎng)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(shù)據(jù)的處理速度；2）提高了多源數(shù)據(jù)的利用率，充分利用天基信息多源大數(shù)據(jù)的特點，通過信息融合的方式實現(xiàn)多源大數(shù)據(jù)優(yōu)勢互補，整體可實現(xiàn)“1+1＞2”的效果；3）拓展對服務產(chǎn)品的認知與應用，通過對海量大數(shù)據(jù)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(zhì)意圖，同時形成分級分類的情報專題產(chǎn)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(chǎn)與成本/周期管控能力

新時期衛(wèi)星科研模式聚焦解決傳統(tǒng)定制化模式帶來的研制流程固化、量產(chǎn)能力不足和產(chǎn)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(wèi)星裝備的認識，可量化評估衛(wèi)星裝備與其他裝備的綜合應用效能，支撐衛(wèi)星裝備技術方案及應用模式優(yōu)化；2）提升衛(wèi)星設計、裝測、試驗流程的信息化水平，以數(shù)字化模裝替代實物實裝，避免技術狀態(tài)反復造成的成本上升與周期延長；3）加強創(chuàng)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(chuàng)新帶來的綜合效益；4）優(yōu)化衛(wèi)星研制流程，修訂完善各項規(guī)范和規(guī)章制度，加大數(shù)字化仿真驗證能力建設，實現(xiàn)面向全員、全要素、全過程和全數(shù)據(jù)的精細化管理。

4 發(fā)展舉措與建議

4.1 加強籌劃，加速推動大規(guī)模星座體系建設

面向未來衛(wèi)星系統(tǒng)綜合化、網(wǎng)絡化、智能化的新發(fā)展形態(tài)，建議加強頂層籌劃，深入研究論證未來衛(wèi)星系統(tǒng)的頂層構架、系統(tǒng)組成、運行和應用模式等，打破當前衛(wèi)星系統(tǒng)以單星觀測為主，體系交互通信、引導協(xié)同能力不足，綜合觀測能力尚未充分發(fā)揮的現(xiàn)狀，構建“要素完備、體系互聯(lián)、協(xié)同自主、應用便捷和融合包容”的大規(guī)模星座衛(wèi)星系統(tǒng)。

通信廣播網(wǎng)、導航授時網(wǎng)作為大規(guī)模星座的“信息高速公路”，可實現(xiàn)對全網(wǎng)節(jié)點、全域用戶的準實時連續(xù)覆蓋，并集成導航增強、物聯(lián)網(wǎng)等功能，支持針對不同業(yè)務類型的分類、分流、分級等服務應用。對地遙感網(wǎng)作為大規(guī)模星座的“信息獲取端”，綜合各種遙感手段的技術優(yōu)勢，由多個功能型星座組成。除常規(guī)任務外，可根據(jù)需求從各功能星座中抽取節(jié)點衛(wèi)星，聚合成特定的任務系統(tǒng)，在通信廣播網(wǎng)、導航授時網(wǎng)的支持下，協(xié)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(wèi)星裝備的信息化、智能化以及協(xié)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(guī)劃、資源智能管控、健康智能管理的全新應用模式，實現(xiàn)裝備自適應學習能力，提高裝備特殊環(huán)境應對能力；通過引入大數(shù)據(jù)分析技術，利用在軌多節(jié)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(guī)模衛(wèi)星星座系統(tǒng)，需要加大新技術投入力度，特別是對大規(guī)模衛(wèi)星網(wǎng)絡構建、自主任務智能調(diào)度協(xié)同、海量數(shù)據(jù)在軌存儲/處理/快速傳輸?shù)认嚓P技術提前布局，作好相關技術規(guī)劃和論證，強調(diào)技術的體系性和適用性，系統(tǒng)解決任務需求涉及的各項技術的協(xié)調(diào)統(tǒng)一，并有計劃、有步驟地開展攻關和在軌驗證。

4.3 系統(tǒng)思維，提升批量化低成本研產(chǎn)能力

大規(guī)模星座的建設，對衛(wèi)星設計、制造和發(fā)射等提出了更高的要求。在衛(wèi)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(tǒng)衛(wèi)星平臺圍繞載荷設計的“訂制化”模式，實現(xiàn)業(yè)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(wèi)星制造方面，推動工業(yè)化、標準化、自動化研制生產(chǎn)，以及批量化智能測試能力建設，適應大規(guī)模、批量化同構衛(wèi)星的研試任務；加大數(shù)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(shù)字化水平。在衛(wèi)星發(fā)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(fā)射要求的布局構型、機電控制技術群落，大幅提升衛(wèi)星部署規(guī)模并降低部署成本。

4.4 夯實基礎，提升產(chǎn)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(wèi)星領域持續(xù)推動自主可控是必由之路。1）加大基礎投入，筑牢衛(wèi)星工業(yè)基礎，以提升衛(wèi)星產(chǎn)能為重要目標構建新型衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)；2）促進技術研究成果轉化應用，高度支持衛(wèi)星工程產(chǎn)業(yè)化發(fā)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(guī)則的制定者；4）探索低成本國產(chǎn)化代替新方法，國產(chǎn)化代替是實現(xiàn)自主可控的有效保障，在當前國際商業(yè)衛(wèi)星迅猛發(fā)展的背景下，發(fā)展低成本衛(wèi)星將極大地提升我國商業(yè)衛(wèi)星效費比、增強商業(yè)市場競爭力。

5 結束語

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