天基跨域群智系统发展分析和技术展望

陈占胜

（上海卫星工程研究所，上海 201109）

0 引言

随着航天技术及应用的发展，单个航天器的复杂度和规模不断攀升，不可避免地面临发射困难、研制周期长、研制成本高，以及某些特定空间任务（如超长基线合成孔径、多尺度探测等）无法由单一航天器完成等问题。小卫星具有体积小、质量轻、成本相对低廉、研制周期短等优势，同时对运载工具与地面设施的要求变通性大，已成为空间系统研究和建设的热点。另一方面，航空航天技术的不断融合与空天应用需求的不断扩展，由多个智能小卫星、空中无人传感器等组成的群体通过共享信息和任务，基于某些内在机制呈现效能提升的整体，已获得越来越多的关注。本文首先探讨天基跨域系统概念研究，归纳出天基跨域群体智能系统（简称群智系统）的主要特点，并对天基跨域群智系统的技术发展进行研判，提出群智感知、集群控制、协同计算和高效传输4 个技术难点，最后提出建议。

1 天基跨域群智系统概念研究

超大规模巨型星座已成为未来弹性太空体系建设的主要方向，对抗环境下空间系统整体的安全性、抗毁性是任务有效完成的基础保障，单个高性能卫星节点极易受到攻击，一旦发生故障，将直接丧失能力。天基群智系统具有分布式、网络化、扁平化、自适应、自协同等特点，通过星间分布式自主协同，即卫星根据自身获取信息和星间交互信息自主形成对环境、个体、群体状态的一致认知，通过群体交互优化任务分配，涌现群体智能行为，高效地进行行为控制与任务协同，逐步摆脱依赖地面管控的任务上注与规划，实现对动态的任务环境变化做出实时响应与动态调整。

跨域能力则在天基群智的基础上，支持与陆、海、空多区域节点的信息交换，拓展单天域系统的探测维度，破解探测视角不全面的问题。整个天基跨域群智系统利用个体间的有限局部交互信息，激发自主协同与任务共享，实现从“单体弱智能”到“群体强智能”的提升，具备“一点采集、大家共享”、“一有情况、群起而攻之”等涌现效应。

与传统的星群或者星座系统、分布式集群系统等相比，天基跨域群智系统在空间跨度范围、系统智能化软硬件应用和智能化网联化等方面具有显著的差别，如表1 所示。

表1 典型集群系统差异性对比分析

天基跨域群智系统具有空间跨度范围大和智能化协同强等突出的特点，还具有以下较为明显的特征：

1）组织灵活。天基跨域群智系统由各类型小卫星组成空间部分，同时支持与陆海空节点的交互协同，可根据任务需求实现多种类节点、载荷的快速调度或换装，进行不同的任务分工，协同实现空间自组织管理运行，从而在整体上实现特定应用能力。同时，灵活的重组和应用模式组配，增加了对方识别和决策反制的难度，提高鲁棒性。

2）协同决策和感知。利用多节点间实时数据交互，天基跨域群智系统可基于分布式态势感知与数据融合对周边环境信息进行感知评估，并根据系统当前状态做出反应并形成决策。

3）快速响应。未来的空间任务对时效性提出了很高的要求。在实现层面，跨域群智系统需要卫星、飞机或地面传感器等进行轻型化、小型化、批量化、多样化的设计，支持快速组装和快速部署。在能力生成层面，跨域群智系统具有快速组队、快速运行与系统自主运行等能力。

2 天基跨域群智系统发展研判

2.1 组网规模不断扩大，智能化、网络化成为未来空间系统基本特征

巨型星座已成为未来弹性太空体系建设的主要方向，利用多颗卫星分别配置不同的任务载荷，通过天基信息网络互联形成协同增效的能力。美国大规模感知系统通过综合化、协同化和网络化设计，支持多型节点间的信息协同和任务协同，为应用平台提供综合化数据服务。星链等商业低轨通信星座探索天基智能化、网联化技术，构建全球范围内高弹性、高可用性、高带宽、低延时的通信设施，支持各类典型业务应用。总体上看，基于“物理分散、信息聚合、智能协同”的指导思想，开发低成本和短周期的卫星星座，通过节点间高度互联与自治，提供强大的综合传感、通信等功能，已经成为明显趋势。

2.2 单星和星簇功能密度提高，群智协同对在轨计算能力需求极大提升

按照“一星多用、动态重构”理念，基于孔径综合、射频综合、基带综合的思路，通过射频通道化、信号/数据处理数字化、功能软件化，实现载荷功能自主按需重构，天基跨域群智系统的载荷范围甚至可以从遥感领域延拓到通信、导航等领域，对在轨信息处理能力需求激增。充分利用地面信创产业的软硬件成果，构建云边协同的计算服务体系，推动星上信息处理技术由传统处理方式逐步向智能化处理过渡，以高性能AI 芯片、高效率智能化算法等赋能提升在轨算力，已经成为空间节点智能自治和综合服务主要手段。

2.3 着力加强基于网联的协同调度、系统智能化运行和单星长期自主运行等能力

引入人工智能、分布式计算、星上智能任务调度与管理等多种地面先进技术，推动基于天地大回路的卫星管控模式向以卫星为中心的任务规划与决策模式转型，提升信息时效性、紧急任务响应能力、多星协同调度能力。充分依托星地协同的自主任务规划能力，使无论卫星数量如何增长，应用单位仍然是任务需求的提出方，而卫星的协同调度、任务规划和计算方面等工作全部由基于AI 的天地一体化协同规划支撑系统完成，最大程度地释放系统使用者的精力。单星层面，通过实时监控、自主响应的方式进行能源、热控和综电等方面的健康管理，在卫星系统规模日益扩大的情况下保证个体和整个星座系统的安全运行。

3 天基跨域群智系统关键技术分析

天基跨域群智系统在综合探测感知、低时延任务响应和高性能数据服务等方面具有突出优势，面向天基跨域群智系统的构建、运行和应用，需要在群智感知、集群控制、协同计算和高效传输等4 个方面开展技术攻关。

1）群智感知方面，研究大跨度大规模节点协同的感知能力涌现机制、多域态势协同感知的一致性等问题，在有限且时变的网络支撑下通过节点间交互与反馈、激励与响应，根据群节点需求进行局部优化求解，使得整个系统涌现出整体行为并收敛到高效的运行状态，实现天基群智能系统的能力涌现，使卫星星座转向智能化，实现按需服务。

2）集群控制方面，研究基于多智能体的星群自主智能决策、星座智能调度自主任务规划和面向卫星集群的应用和知识迁移等问题，实现跨域群智系统的任务高效响应和决策执行，提升陆海空天多域资源的一体化管理和调度，实现受控条件下能力的有序迁移和重构，支持任务环路低时延闭环。

3）协同计算方面，研究态势驱动的星载任务智能推理、异构多载荷目标信息在轨快速智能关联与融合和边缘智能星群自组织协作计算等难题，弥补星载计算短板，以高性能边缘处理硬件实现，提升群智系统的自治能力，实现跨域群智系统数据的高置信度融合和有效信息生成，支持多样感知数据的快速处理。

4）高效传输方面，研究复杂环境分布式群智系统弹性网联、复杂动态网络拓扑中信息低时延交互等难题，以开放式的互联架构，支持跨协议兼容、动态随遇接入和高效分发，打造韧性网络能力，闭环感知、控制和计算的网联需求。

图1 天基跨域群智系统关键技术群

3.1 天基跨域群智系统感知技术

1）大跨度大规模节点协同的感知能力涌现机制

跨域群智能系统的整体效能取决于系统全要素的集体行为，在卫星群体协同运行中需要进行协作调配。从单次任务闭环过程来看，从任务发起到数据落地，整个过程卫星系统、地面管控中心、地面站不断进行交互，并且相互影响，各自承担着不同角色，单个卫星行为通过局部交互可以影响整个系统行为。面向上千颗星的巨型卫星星座控制，研究群智系统涌现机制，对跨域群智能系统进行架构设计，实现传感器、控制器、物理实体的紧耦合，采用集群智能方法对运行方案进行优化求解，可以摆脱全局指挥和集中控制弊端。

2）分布式异构天基系统态势感知一致性技术

集群协同态势感知一致性是实现智能涌现的前提，也是支撑分布式异构天基系统协同决策的关键环节。研究强对抗条件下的多域集群态势一致性感知、多域分布式信息和数据的统一表征、多域集群多尺度多层级智能匹配等子技术，实现高动态大范围复杂环境下态势信息和目标状态的全面掌握，为群智控制和决策提供高可用的数据支持。

3.2 面向群智系统的集群控制技术

1）基于多智能体的星群自主智能决策技术

传统对于多星在轨的任务协同问题，往往采用集中式任务规划方法，且多依赖地面实现，存在计算实时性较差、方案修改不易、扩展灵活性不足、任务决策链条冗长等缺点。进行任务规划时必须等到任务约束和资源全部确定后才能进行，当计算出规划结果后，一旦有新任务到达或参与规划的卫星或资源发生变化，已经规划好的方案不再适用，只能在现有任务和资源条件下重新调用集中式规划算法进行计算，耗费时间长，难以满足当前星群在轨任务规划的动态要求。面对大跨度群智系统，需要建立高效率、智能化、实时性高的集群任务规划与智能决策方法。

2）星座智能调度自主任务规划技术

传统的“天地大回路”任务管控模式，卫星自主化程度低，星上处理能力弱，从任务获取到数据采集、数据产品生成时间链条长，已经不能满足大规模多体制卫星星座应用需求。群智系统应具备天地一体化智能调度能力，实时接收用户终端提出的对地观测任务，对任务执行所需观测资源、传输资源动态组织调度，具备多任务并行处理、实时在线任务分解执行的能力，观测数据及在线处理结果快速落地，实现卫星资源组织面向任务的快速应变处理。

3）面向卫星集群的知识迁移技术

生物群体的智能不仅体现在协作完成特定任务，也体现在单个个体或群体的能力处在不断进化中、迭代进化发展。受元器件寿命的约束，集群化卫星系统中的单颗卫星寿命始终有限，但是通过持续补充，群智系统硬件承载始终存在。新入轨系统由于数据、模型和知识经验等同步不及时，在面对新个体、新任务、新场景时存在冷启动或小样本问题，可采用跨实体、跨任务的群智能体知识迁移方法，将多个“富经验”卫星或地面先验知识基于推送或知识迁移传递给新入域节点，减少新卫星成员的学习时间成本，实现智能体持续学习演化，提高任务执行效率。

3.3 天基高性能协同计算技术

1）异构多载荷目标信息在轨快速智能关联与融合技术

面向高置信度多维图像或信息服务需求，在适应多种载荷（包括异源同构、异源异构）数据的智能融合处理框架结构下，电磁监测类载荷监测范围广、目标截获概率高、受天气影像较小，但定位精度低，识别结果不直观；而成像类载荷定位精度高、识别目标较为直观，但一般受天气等影响较大。鉴于异构载荷提供的目标特征耦合程度低，对目标进行分类判决的证据信息相对独立，研究基于决策层融合的识别手段，建立各种载荷数据对目标的截获概率模型和信息的不确定模型，对各载荷提供的证据信息进行合理配比，实现卫星目标图像传感器信息、位置信息、属性信息及目标间结构拓扑信息的综合关联，达到多载荷综合配置效益的优化。

2）态势驱动的星载边缘任务智能推理技术

常规模式下，天基跨域群智系统可有效完成地面指控的各类任务，在引入星载态势驱动后，具备拓展支持实时新发现目标在线任务生成、基于态势理解预测信息的任务生成和新任务临机重规划等能力，提高任务的执行效率、执行效能和综合效益。首先需要设计有效的任务触发机制，使得多源态势可以准确地驱动任务的生成。其次，需要研究卫星自主对生成的任务体量与需求的判断，自主判断该任务是使命级任务或简单任务，并自主决定任务需要再筹划、分发还是自主执行，并触发局部的多星协同配合。

3）边缘智能星群自组织协作计算技术

面对群智系统任务的多样性、异构卫星节点能力的差异性以及智能星群体连接拓扑的时变性等难题，研究边缘智能星群自组织协作高效计算模式，根据性能需求（如时延、精度、感知范围、灵敏度等）和运行环境（如网络传输、能耗等），将原始任务进行自动“切分”并优选和调度合适的边缘星群协同完成感知计算任务。同时，依托巨型系统边缘智能化能力，基于泛在网络将星群资源“池化”共享，按需组织感知、存储和计算等各能力要素以适应动态的环境及应用场景，极大提高协作效率和任务保障质量。

3.4 异构系统高效网络传输技术

1）复杂环境分布式群智系统弹性网联技术

与一般的星簇系统不同，跨域群智系统拓扑变化无周期性、空间尺度变化较大。同时，接入技术、组网协议和终端设备能力等方面的异构性问题突出。针对群智系统网络化应用所提出的大规模卫星集群异构互联和复杂环境高效传输需求，需要攻克动态组网网联技术，基于各载荷设备所提供的计算、网络和存储资源，实现数据高效缓存、路由智能计算、资源智慧调度等功能，提供数据智能缓存和容迟容断传送分发能力，支持数据按需订阅分发模式和情景感知的主动推送模式。

2）复杂动态网络拓扑中信息低时延交互技术

天基跨域群智系统具有环境感知和目标探测等传感器多样化、感知态势共享困难等特征，同时面临着终端互联链路差异性大、软件系统和应用接口不统一等问题。能力涌现、多任务协同和指控等应用模式对低时延信息交互提出迫切需求，需要推动构建开放式兼容性协议规范，基于数据分发服务等标准规范，利用中间件或插件等构建信息交互空间，保障天基信息网络建立、演化、重构等过程中的稳健性、安全和低时延等服务质量（QoS）。

4 发展展望及建议

天基跨域群智系统作为极具潜力的未来弹性体系之一，从军民等应用需求出发，面向能力落地，仍需从感知、控制、计算和传输等方面开展进一步的探索。

1）把握智能化、网络化、规模化和集群化等趋势，采取大/中/小微相结合、有人与无人相结合、陆海空天多域相结合等方式，组建能够同时在多维空间协同的小型联合功能体，推动产生群体主动协同的应用能力。

2）以跨域多系统应急处理突发抢险救灾、光电和雷达等多手段感知环境等任务为着手点，持续深挖军民应用需求和场景，优化群智系统应用模式，为天基跨域群智系统的发展勾勒场景和提出指标需求。

3）在“感知、控制、计算、传输”等方面持续开展“产学研”联合攻关，就支撑技术、算法和单机等软硬件产品开展研发，成熟一批、搭载试验一批，快速迭代。

4）充分借鉴地面系统的先进构建经验，利用成熟应用的体系架构、软硬件等产业成果，大力推动天基群智系统的技术实践。如在组网和信息交互方面，借鉴开放式的数据发布服务（DDS）标准，实现以数据为中心的高效数据交互。在计算方面，可借鉴“云边一体”的设计思想，整合各类星地异构资源：在地面构建功能强大的云底座以支持复杂任务推演、全局任务规划和多域用户的服务提供；在天基则构建智能化边缘云，支持低时延的局部星上任务规划、高效率智能化推理计算和态势驱动的任务迁移重构等服务。■