天基跨域群智系統(tǒng)發(fā)展分析和技術(shù)展望

陳占勝

（上海衛(wèi)星工程研究所，上海 201109）

0 引言

隨著航天技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展，單個航天器的復(fù)雜度和規(guī)模不斷攀升，不可避免地面臨發(fā)射困難、研制周期長、研制成本高，以及某些特定空間任務(wù)（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(wèi)星具有體積小、質(zhì)量輕、成本相對低廉、研制周期短等優(yōu)勢，同時對運載工具與地面設(shè)施的要求變通性大，已成為空間系統(tǒng)研究和建設(shè)的熱點。另一方面，航空航天技術(shù)的不斷融合與空天應(yīng)用需求的不斷擴展，由多個智能小衛(wèi)星、空中無人傳感器等組成的群體通過共享信息和任務(wù)，基于某些內(nèi)在機制呈現(xiàn)效能提升的整體，已獲得越來越多的關(guān)注。本文首先探討天基跨域系統(tǒng)概念研究，歸納出天基跨域群體智能系統(tǒng)（簡稱群智系統(tǒng)）的主要特點，并對天基跨域群智系統(tǒng)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行研判，提出群智感知、集群控制、協(xié)同計算和高效傳輸4 個技術(shù)難點，最后提出建議。

1 天基跨域群智系統(tǒng)概念研究

超大規(guī)模巨型星座已成為未來彈性太空體系建設(shè)的主要方向，對抗環(huán)境下空間系統(tǒng)整體的安全性、抗毀性是任務(wù)有效完成的基礎(chǔ)保障，單個高性能衛(wèi)星節(jié)點極易受到攻擊，一旦發(fā)生故障，將直接喪失能力。天基群智系統(tǒng)具有分布式、網(wǎng)絡(luò)化、扁平化、自適應(yīng)、自協(xié)同等特點，通過星間分布式自主協(xié)同，即衛(wèi)星根據(jù)自身獲取信息和星間交互信息自主形成對環(huán)境、個體、群體狀態(tài)的一致認(rèn)知，通過群體交互優(yōu)化任務(wù)分配，涌現(xiàn)群體智能行為，高效地進(jìn)行行為控制與任務(wù)協(xié)同，逐步擺脫依賴地面管控的任務(wù)上注與規(guī)劃，實現(xiàn)對動態(tài)的任務(wù)環(huán)境變化做出實時響應(yīng)與動態(tài)調(diào)整。

跨域能力則在天基群智的基礎(chǔ)上，支持與陸、海、空多區(qū)域節(jié)點的信息交換，拓展單天域系統(tǒng)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(tǒng)利用個體間的有限局部交互信息，激發(fā)自主協(xié)同與任務(wù)共享，實現(xiàn)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(xiàn)效應(yīng)。

與傳統(tǒng)的星群或者星座系統(tǒng)、分布式集群系統(tǒng)等相比，天基跨域群智系統(tǒng)在空間跨度范圍、系統(tǒng)智能化軟硬件應(yīng)用和智能化網(wǎng)聯(lián)化等方面具有顯著的差別，如表1 所示。

表1 典型集群系統(tǒng)差異性對比分析

天基跨域群智系統(tǒng)具有空間跨度范圍大和智能化協(xié)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(tǒng)由各類型小衛(wèi)星組成空間部分，同時支持與陸海空節(jié)點的交互協(xié)同，可根據(jù)任務(wù)需求實現(xiàn)多種類節(jié)點、載荷的快速調(diào)度或換裝，進(jìn)行不同的任務(wù)分工，協(xié)同實現(xiàn)空間自組織管理運行，從而在整體上實現(xiàn)特定應(yīng)用能力。同時，靈活的重組和應(yīng)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(xié)同決策和感知。利用多節(jié)點間實時數(shù)據(jù)交互，天基跨域群智系統(tǒng)可基于分布式態(tài)勢感知與數(shù)據(jù)融合對周邊環(huán)境信息進(jìn)行感知評估，并根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)做出反應(yīng)并形成決策。

3）快速響應(yīng)。未來的空間任務(wù)對時效性提出了很高的要求。在實現(xiàn)層面，跨域群智系統(tǒng)需要衛(wèi)星、飛機或地面?zhèn)鞲衅鞯冗M(jìn)行輕型化、小型化、批量化、多樣化的設(shè)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(tǒng)具有快速組隊、快速運行與系統(tǒng)自主運行等能力。

2 天基跨域群智系統(tǒng)發(fā)展研判

2.1 組網(wǎng)規(guī)模不斷擴大，智能化、網(wǎng)絡(luò)化成為未來空間系統(tǒng)基本特征

巨型星座已成為未來彈性太空體系建設(shè)的主要方向，利用多顆衛(wèi)星分別配置不同的任務(wù)載荷，通過天基信息網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)形成協(xié)同增效的能力。美國大規(guī)模感知系統(tǒng)通過綜合化、協(xié)同化和網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計，支持多型節(jié)點間的信息協(xié)同和任務(wù)協(xié)同，為應(yīng)用平臺提供綜合化數(shù)據(jù)服務(wù)。星鏈等商業(yè)低軌通信星座探索天基智能化、網(wǎng)聯(lián)化技術(shù)，構(gòu)建全球范圍內(nèi)高彈性、高可用性、高帶寬、低延時的通信設(shè)施，支持各類典型業(yè)務(wù)應(yīng)用?？傮w上看，基于“物理分散、信息聚合、智能協(xié)同”的指導(dǎo)思想，開發(fā)低成本和短周期的衛(wèi)星星座，通過節(jié)點間高度互聯(lián)與自治，提供強大的綜合傳感、通信等功能，已經(jīng)成為明顯趨勢。

2.2 單星和星簇功能密度提高，群智協(xié)同對在軌計算能力需求極大提升

按照“一星多用、動態(tài)重構(gòu)”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(shù)據(jù)處理數(shù)字化、功能軟件化，實現(xiàn)載荷功能自主按需重構(gòu)，天基跨域群智系統(tǒng)的載荷范圍甚至可以從遙感領(lǐng)域延拓到通信、導(dǎo)航等領(lǐng)域，對在軌信息處理能力需求激增。充分利用地面信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的軟硬件成果，構(gòu)建云邊協(xié)同的計算服務(wù)體系，推動星上信息處理技術(shù)由傳統(tǒng)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(jīng)成為空間節(jié)點智能自治和綜合服務(wù)主要手段。

2.3 著力加強基于網(wǎng)聯(lián)的協(xié)同調(diào)度、系統(tǒng)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(wù)調(diào)度與管理等多種地面先進(jìn)技術(shù)，推動基于天地大回路的衛(wèi)星管控模式向以衛(wèi)星為中心的任務(wù)規(guī)劃與決策模式轉(zhuǎn)型，提升信息時效性、緊急任務(wù)響應(yīng)能力、多星協(xié)同調(diào)度能力。充分依托星地協(xié)同的自主任務(wù)規(guī)劃能力，使無論衛(wèi)星數(shù)量如何增長，應(yīng)用單位仍然是任務(wù)需求的提出方，而衛(wèi)星的協(xié)同調(diào)度、任務(wù)規(guī)劃和計算方面等工作全部由基于AI 的天地一體化協(xié)同規(guī)劃支撐系統(tǒng)完成，最大程度地釋放系統(tǒng)使用者的精力。單星層面，通過實時監(jiān)控、自主響應(yīng)的方式進(jìn)行能源、熱控和綜電等方面的健康管理，在衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)模日益擴大的情況下保證個體和整個星座系統(tǒng)的安全運行。

3 天基跨域群智系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

天基跨域群智系統(tǒng)在綜合探測感知、低時延任務(wù)響應(yīng)和高性能數(shù)據(jù)服務(wù)等方面具有突出優(yōu)勢，面向天基跨域群智系統(tǒng)的構(gòu)建、運行和應(yīng)用，需要在群智感知、集群控制、協(xié)同計算和高效傳輸?shù)? 個方面開展技術(shù)攻關(guān)。

1）群智感知方面，研究大跨度大規(guī)模節(jié)點協(xié)同的感知能力涌現(xiàn)機制、多域態(tài)勢協(xié)同感知的一致性等問題，在有限且時變的網(wǎng)絡(luò)支撐下通過節(jié)點間交互與反饋、激勵與響應(yīng)，根據(jù)群節(jié)點需求進(jìn)行局部優(yōu)化求解，使得整個系統(tǒng)涌現(xiàn)出整體行為并收斂到高效的運行狀態(tài)，實現(xiàn)天基群智能系統(tǒng)的能力涌現(xiàn)，使衛(wèi)星星座轉(zhuǎn)向智能化，實現(xiàn)按需服務(wù)。

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(diào)度自主任務(wù)規(guī)劃和面向衛(wèi)星集群的應(yīng)用和知識遷移等問題，實現(xiàn)跨域群智系統(tǒng)的任務(wù)高效響應(yīng)和決策執(zhí)行，提升陸?？仗於嘤蛸Y源的一體化管理和調(diào)度，實現(xiàn)受控條件下能力的有序遷移和重構(gòu)，支持任務(wù)環(huán)路低時延閉環(huán)。

3）協(xié)同計算方面，研究態(tài)勢驅(qū)動的星載任務(wù)智能推理、異構(gòu)多載荷目標(biāo)信息在軌快速智能關(guān)聯(lián)與融合和邊緣智能星群自組織協(xié)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(xiàn)，提升群智系統(tǒng)的自治能力，實現(xiàn)跨域群智系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高置信度融合和有效信息生成，支持多樣感知數(shù)據(jù)的快速處理。

4）高效傳輸方面，研究復(fù)雜環(huán)境分布式群智系統(tǒng)彈性網(wǎng)聯(lián)、復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲行畔⒌蜁r延交互等難題，以開放式的互聯(lián)架構(gòu)，支持跨協(xié)議兼容、動態(tài)隨遇接入和高效分發(fā)，打造韌性網(wǎng)絡(luò)能力，閉環(huán)感知、控制和計算的網(wǎng)聯(lián)需求。

圖1 天基跨域群智系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)群

3.1 天基跨域群智系統(tǒng)感知技術(shù)

1）大跨度大規(guī)模節(jié)點協(xié)同的感知能力涌現(xiàn)機制

跨域群智能系統(tǒng)的整體效能取決于系統(tǒng)全要素的集體行為，在衛(wèi)星群體協(xié)同運行中需要進(jìn)行協(xié)作調(diào)配。從單次任務(wù)閉環(huán)過程來看，從任務(wù)發(fā)起到數(shù)據(jù)落地，整個過程衛(wèi)星系統(tǒng)、地面管控中心、地面站不斷進(jìn)行交互，并且相互影響，各自承擔(dān)著不同角色，單個衛(wèi)星行為通過局部交互可以影響整個系統(tǒng)行為。面向上千顆星的巨型衛(wèi)星星座控制，研究群智系統(tǒng)涌現(xiàn)機制，對跨域群智能系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計，實現(xiàn)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(jìn)行優(yōu)化求解，可以擺脫全局指揮和集中控制弊端。

2）分布式異構(gòu)天基系統(tǒng)態(tài)勢感知一致性技術(shù)

集群協(xié)同態(tài)勢感知一致性是實現(xiàn)智能涌現(xiàn)的前提，也是支撐分布式異構(gòu)天基系統(tǒng)協(xié)同決策的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。研究強對抗條件下的多域集群態(tài)勢一致性感知、多域分布式信息和數(shù)據(jù)的統(tǒng)一表征、多域集群多尺度多層級智能匹配等子技術(shù)，實現(xiàn)高動態(tài)大范圍復(fù)雜環(huán)境下態(tài)勢信息和目標(biāo)狀態(tài)的全面掌握，為群智控制和決策提供高可用的數(shù)據(jù)支持。

3.2 面向群智系統(tǒng)的集群控制技術(shù)

1）基于多智能體的星群自主智能決策技術(shù)

傳統(tǒng)對于多星在軌的任務(wù)協(xié)同問題，往往采用集中式任務(wù)規(guī)劃方法，且多依賴地面實現(xiàn)，存在計算實時性較差、方案修改不易、擴展靈活性不足、任務(wù)決策鏈條冗長等缺點。進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃時必須等到任務(wù)約束和資源全部確定后才能進(jìn)行，當(dāng)計算出規(guī)劃結(jié)果后，一旦有新任務(wù)到達(dá)或參與規(guī)劃的衛(wèi)星或資源發(fā)生變化，已經(jīng)規(guī)劃好的方案不再適用，只能在現(xiàn)有任務(wù)和資源條件下重新調(diào)用集中式規(guī)劃算法進(jìn)行計算，耗費時間長，難以滿足當(dāng)前星群在軌任務(wù)規(guī)劃的動態(tài)要求。面對大跨度群智系統(tǒng)，需要建立高效率、智能化、實時性高的集群任務(wù)規(guī)劃與智能決策方法。

2）星座智能調(diào)度自主任務(wù)規(guī)劃技術(shù)

傳統(tǒng)的“天地大回路”任務(wù)管控模式，衛(wèi)星自主化程度低，星上處理能力弱，從任務(wù)獲取到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)產(chǎn)品生成時間鏈條長，已經(jīng)不能滿足大規(guī)模多體制衛(wèi)星星座應(yīng)用需求。群智系統(tǒng)應(yīng)具備天地一體化智能調(diào)度能力，實時接收用戶終端提出的對地觀測任務(wù)，對任務(wù)執(zhí)行所需觀測資源、傳輸資源動態(tài)組織調(diào)度，具備多任務(wù)并行處理、實時在線任務(wù)分解執(zhí)行的能力，觀測數(shù)據(jù)及在線處理結(jié)果快速落地，實現(xiàn)衛(wèi)星資源組織面向任務(wù)的快速應(yīng)變處理。

3）面向衛(wèi)星集群的知識遷移技術(shù)

生物群體的智能不僅體現(xiàn)在協(xié)作完成特定任務(wù)，也體現(xiàn)在單個個體或群體的能力處在不斷進(jìn)化中、迭代進(jìn)化發(fā)展。受元器件壽命的約束，集群化衛(wèi)星系統(tǒng)中的單顆衛(wèi)星壽命始終有限，但是通過持續(xù)補充，群智系統(tǒng)硬件承載始終存在。新入軌系統(tǒng)由于數(shù)據(jù)、模型和知識經(jīng)驗等同步不及時，在面對新個體、新任務(wù)、新場景時存在冷啟動或小樣本問題，可采用跨實體、跨任務(wù)的群智能體知識遷移方法，將多個“富經(jīng)驗”衛(wèi)星或地面先驗知識基于推送或知識遷移傳遞給新入域節(jié)點，減少新衛(wèi)星成員的學(xué)習(xí)時間成本，實現(xiàn)智能體持續(xù)學(xué)習(xí)演化，提高任務(wù)執(zhí)行效率。

3.3 天基高性能協(xié)同計算技術(shù)

1）異構(gòu)多載荷目標(biāo)信息在軌快速智能關(guān)聯(lián)與融合技術(shù)

面向高置信度多維圖像或信息服務(wù)需求，在適應(yīng)多種載荷（包括異源同構(gòu)、異源異構(gòu)）數(shù)據(jù)的智能融合處理框架結(jié)構(gòu)下，電磁監(jiān)測類載荷監(jiān)測范圍廣、目標(biāo)截獲概率高、受天氣影像較小，但定位精度低，識別結(jié)果不直觀；而成像類載荷定位精度高、識別目標(biāo)較為直觀，但一般受天氣等影響較大。鑒于異構(gòu)載荷提供的目標(biāo)特征耦合程度低，對目標(biāo)進(jìn)行分類判決的證據(jù)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(shù)據(jù)對目標(biāo)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(jù)信息進(jìn)行合理配比，實現(xiàn)衛(wèi)星目標(biāo)圖像傳感器信息、位置信息、屬性信息及目標(biāo)間結(jié)構(gòu)拓?fù)湫畔⒌木C合關(guān)聯(lián)，達(dá)到多載荷綜合配置效益的優(yōu)化。

2）態(tài)勢驅(qū)動的星載邊緣任務(wù)智能推理技術(shù)

常規(guī)模式下，天基跨域群智系統(tǒng)可有效完成地面指控的各類任務(wù)，在引入星載態(tài)勢驅(qū)動后，具備拓展支持實時新發(fā)現(xiàn)目標(biāo)在線任務(wù)生成、基于態(tài)勢理解預(yù)測信息的任務(wù)生成和新任務(wù)臨機重規(guī)劃等能力，提高任務(wù)的執(zhí)行效率、執(zhí)行效能和綜合效益。首先需要設(shè)計有效的任務(wù)觸發(fā)機制，使得多源態(tài)勢可以準(zhǔn)確地驅(qū)動任務(wù)的生成。其次，需要研究衛(wèi)星自主對生成的任務(wù)體量與需求的判斷，自主判斷該任務(wù)是使命級任務(wù)或簡單任務(wù)，并自主決定任務(wù)需要再籌劃、分發(fā)還是自主執(zhí)行，并觸發(fā)局部的多星協(xié)同配合。

3）邊緣智能星群自組織協(xié)作計算技術(shù)

面對群智系統(tǒng)任務(wù)的多樣性、異構(gòu)衛(wèi)星節(jié)點能力的差異性以及智能星群體連接拓?fù)涞臅r變性等難題，研究邊緣智能星群自組織協(xié)作高效計算模式，根據(jù)性能需求（如時延、精度、感知范圍、靈敏度等）和運行環(huán)境（如網(wǎng)絡(luò)傳輸、能耗等），將原始任務(wù)進(jìn)行自動“切分”并優(yōu)選和調(diào)度合適的邊緣星群協(xié)同完成感知計算任務(wù)。同時，依托巨型系統(tǒng)邊緣智能化能力，基于泛在網(wǎng)絡(luò)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(yīng)動態(tài)的環(huán)境及應(yīng)用場景，極大提高協(xié)作效率和任務(wù)保障質(zhì)量。

3.4 異構(gòu)系統(tǒng)高效網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)

1）復(fù)雜環(huán)境分布式群智系統(tǒng)彈性網(wǎng)聯(lián)技術(shù)

與一般的星簇系統(tǒng)不同，跨域群智系統(tǒng)拓?fù)渥兓療o周期性、空間尺度變化較大。同時，接入技術(shù)、組網(wǎng)協(xié)議和終端設(shè)備能力等方面的異構(gòu)性問題突出。針對群智系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用所提出的大規(guī)模衛(wèi)星集群異構(gòu)互聯(lián)和復(fù)雜環(huán)境高效傳輸需求，需要攻克動態(tài)組網(wǎng)網(wǎng)聯(lián)技術(shù)，基于各載荷設(shè)備所提供的計算、網(wǎng)絡(luò)和存儲資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)高效緩存、路由智能計算、資源智慧調(diào)度等功能，提供數(shù)據(jù)智能緩存和容遲容斷傳送分發(fā)能力，支持?jǐn)?shù)據(jù)按需訂閱分發(fā)模式和情景感知的主動推送模式。

2）復(fù)雜動態(tài)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲行畔⒌蜁r延交互技術(shù)

天基跨域群智系統(tǒng)具有環(huán)境感知和目標(biāo)探測等傳感器多樣化、感知態(tài)勢共享困難等特征，同時面臨著終端互聯(lián)鏈路差異性大、軟件系統(tǒng)和應(yīng)用接口不統(tǒng)一等問題。能力涌現(xiàn)、多任務(wù)協(xié)同和指控等應(yīng)用模式對低時延信息交互提出迫切需求，需要推動構(gòu)建開放式兼容性協(xié)議規(guī)范，基于數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，利用中間件或插件等構(gòu)建信息交互空間，保障天基信息網(wǎng)絡(luò)建立、演化、重構(gòu)等過程中的穩(wěn)健性、安全和低時延等服務(wù)質(zhì)量（QoS）。

4 發(fā)展展望及建議

天基跨域群智系統(tǒng)作為極具潛力的未來彈性體系之一，從軍民等應(yīng)用需求出發(fā)，面向能力落地，仍需從感知、控制、計算和傳輸?shù)确矫骈_展進(jìn)一步的探索。

1）把握智能化、網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；图夯融厔?，采取大/中/小微相結(jié)合、有人與無人相結(jié)合、陸?？仗於嘤蛳嘟Y(jié)合等方式，組建能夠同時在多維空間協(xié)同的小型聯(lián)合功能體，推動產(chǎn)生群體主動協(xié)同的應(yīng)用能力。

2）以跨域多系統(tǒng)應(yīng)急處理突發(fā)搶險救災(zāi)、光電和雷達(dá)等多手段感知環(huán)境等任務(wù)為著手點，持續(xù)深挖軍民應(yīng)用需求和場景，優(yōu)化群智系統(tǒng)應(yīng)用模式，為天基跨域群智系統(tǒng)的發(fā)展勾勒場景和提出指標(biāo)需求。

3）在“感知、控制、計算、傳輸”等方面持續(xù)開展“產(chǎn)學(xué)研”聯(lián)合攻關(guān)，就支撐技術(shù)、算法和單機等軟硬件產(chǎn)品開展研發(fā)，成熟一批、搭載試驗一批，快速迭代。

4）充分借鑒地面系統(tǒng)的先進(jìn)構(gòu)建經(jīng)驗，利用成熟應(yīng)用的體系架構(gòu)、軟硬件等產(chǎn)業(yè)成果，大力推動天基群智系統(tǒng)的技術(shù)實踐。如在組網(wǎng)和信息交互方面，借鑒開放式的數(shù)據(jù)發(fā)布服務(wù)（DDS）標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)以數(shù)據(jù)為中心的高效數(shù)據(jù)交互。在計算方面，可借鑒“云邊一體”的設(shè)計思想，整合各類星地異構(gòu)資源：在地面構(gòu)建功能強大的云底座以支持復(fù)雜任務(wù)推演、全局任務(wù)規(guī)劃和多域用戶的服務(wù)提供；在天基則構(gòu)建智能化邊緣云，支持低時延的局部星上任務(wù)規(guī)劃、高效率智能化推理計算和態(tài)勢驅(qū)動的任務(wù)遷移重構(gòu)等服務(wù)?！?/p>