院士报告厅｜魏奉思：低轨空间越来越拥挤，需打造“空间大脑”破解难题

“未来十年，航天发展的主旋律，应该是空间的数字化和智能化。” 6月5日，中国科学院院士魏奉思在科技创新院士报告厅第19期发表演讲。他表示，进入大航天时代，数以万计的卫星会挤在一个相对狭窄的空间里运行。如果没有空间数字化、智能化，是不可想象的。

该活动由深圳创新发展研究院、深圳中国科学院院士活动基地、广东院士联合会、中关村产业转型升级研究院等机构共同主办。

6月5日，中国科学院院士魏奉思在科技创新院士报告厅第9期发表演讲。

以下内容根据魏奉思院士演讲记录整理，经演讲者审订。

一、“建设数字空间、打造空间大脑”是空间科技战略新高地

“建设数字空间、打造空间大脑”，是人类进入数字时代和大航天时代两个历史进程交汇时产生的时代呼唤。我在2016年牵头提出“数字空间”的战略构想，希望通过空间数字化、智能化体系建设，破解大航天时代的发展瓶颈，抢占全球空天科技的战略主动权。​

放眼长远未来，可能形成一个数字化的全景世界：数字地球、数字海洋、数字空间三位一体，把陆、海、空、天都纳入其中。我认为，这是人类社会发展正在从未来跑来的一个远景，而且完全有可能实现，因为它们背后的技术系统是相通的。

（一）数字航天、智能航天正在成为全球航天竞争的焦点

1、大航天时代面临六高的挑战

我把大航天时代面临的挑战概括为“六高”：高动态运行、高时效应对、高精度控制、高分辨识别、高覆盖时空、高数智应用。如何应对这六个挑战？“建设数字空间、打造空间大脑”工程，为解决这些挑战提供了广阔的应用空间。​​

美国SpaceX等公司预测，未来5年将发射4万颗卫星，到2028年避撞机动将达200万次，届时我国的互联网卫星就达2-3万颗，急需提升碰撞规避能力。美国一直关注人工智能技术应用于航天领域。我个人判断，该预测数值或许偏高，但卫星数量激增、空间运行压力剧增是既定趋势。所有这些，都需要及早解决空间数智化支撑问题。​

而且，空间天气风暴也不得不防。太阳风暴一旦发生，很多卫星就可能受到严重影响，甚至掉下来。美国2022年2月4日发射49颗星链卫星就因太阳风暴吹袭地球导致密度增加而坠毁40颗；2022年8月，美国通信卫星Galaxy因太阳风暴设备损伤，卫星广播业务关闭； 2024年5月10日，发生的超强地磁暴大约有5000个航天器主动提升其轨道高度避免加速坠落；我国上空大面积的电离层消失，有些地方通信中断长达40小时，致使通信、导航等受到重要影响；

我曾担任航天飞控中心学术委员会委员。他们曾经报告过一次情况：在航天器对接过程中，突然遇到一个很小的太阳活动。从地磁活动Kp指数来看，此次活动强度并不高，却直接导致航天器轨道突发偏移约100米。对于在轨对接而言，百米级偏差会直接导致一次对接失败，需要重新绕行、等待时机。早年我国航天器对接效率有限，成功对接一次，约需47小时。经过多年技术迭代升级，目前我国对接技术已达到国际先进水平，常规情况下6小时左右即可完成对接，最优状态下仅需2小时就能精准对接，大幅提升了航天任务效率与安全性。这也充分说明，精准研判、提前预警、智能管控空间天气风暴，构建完善的空间数智化体系，对航天安全发展至关重要。

2、当今航天领域尚处于数字化、智能化初期阶段

美国从90年代开始，先后制定一系列计划，如《国家安全战略》（2017年）、《人工智能战略》（2019年）、《数字军种愿景》（2021年）、《数字国防计划》（2021年）、《战略愿景》（2024年）、《2024年国防部商业航天一体化战略》（2024年）、《支持多域作战的陆军太空愿景》（2024年）等。西欧国家大多紧随其后制定相应计划。美国在空间和人工智能这两个领域一直保持着领先优势，从空间对中国军事、科技、社会和政治活动实施监视和威慑是美国的国策。中国处于相对弱势，找到有效应对之策，打破美国的空间优势，维护世界和平发展是中国的历史担当。

有人可能会问：既然数字化、智能化很重要，中国还能赶得上吗？我的回答是：全球也都刚刚开始，中国现在去做，完全来得及。

当然，中国建设空间强国，也面临空间数字化、智能化的严峻挑战。面临的第一个问题，是中国还没有形成空间数智化基础设施，还不能为“空间强国”建设提供高时效的应用支撑体系。​“空间强国”还包括火箭、导弹等很多领域，这里讲的“空间强国”，主要是指航天强国；面临的第二个问题，是中国航天市场的大门还没有充分打开。目前中国航天产业的投入产出比远远不到美国的一半，这是公开报告的数据。问题在哪里？中国航天几十年来在硬件上下了很大功夫，把卫星、火箭等硬件做得很好，发展很快，举世瞩目。但是，另一种“软实力”没有跟上。怎样实现数字化、智能化？怎样让航天更好地服务国民经济建设？这方面考虑得还有欠缺。航天部门也有一个普遍共识：航天效益，是航天发展的最大短板之一。

（二）数字空间是中国提出的新概念、新工程、新产业

1、新概念。数字空间就是空间数字化、智能化体系。具体说，它以空间数字化为基础、以空间信息通信网络为依托、融入现代信息技术、打造以卫星大脑为核心的数字空间大脑系统，开拓数字空间新领域、新学科、新前沿，服务于航天、国防以及数字中国建设。​在2016年9月，中国科学报就建设数字空间是空间科技战略新高地做了头版报道。

更简明地说，数字空间就是空间数智化体系建设。这里需要指出，我们在2016年就提出打造有类似人脑功能的“空间大脑”，支撑数字化、智能化空间强国的建设。它走的是大脑智能“三步走”的技术路线，与人工智能是完全不同的概念。

2、新工程。它打造一种空间数字化体系5D+5I+5S。5D、5I分别指5个数字化单元和5个智能化单元，它们是数字空间的金砖、银砖。把这些数字化、智能化单元与数字技术结合起来，就可以打造数字空间大脑体系5S。有了这个空间数字化体系就可以为航天、国防、安全和数字经济等领域提供应用支撑服务。​

举一个常规应用的例子。数字空间可给出数智航天图，它让卫星上天以后“星”中有数。它从一个点飞到另一个点，就知道飞到下一个位置时，轨道会变化多少？导航误差会有多大？通信方式和通信频率应当怎样调整？姿态是否能够保持准确？ 我们正在推动如何把这些能力系统化，打造大航天时代的“航天图”。我们航海有航海图，气象有气象图，交通有交通图，那么进入大航天时代，难道不需要航天图吗？​事实上，卫星上天已走过近70个春秋。如果中国建立了空间数智化体系，就能够率先打造出数字航天图，把数字空间应用服务平台建设起来，不仅可以为中国服务，也可以为全世界航天服务。

3、新产业。新的产业机会，就在于通过卫星大脑赋能，把卫星数据应用从直接应用的初级阶段，提升到数字化、智能化应用的高端阶段，为数字经济打开新的空间。​

现在卫星数据多数还停留在直接应用阶段：把数据拿下来，看一看，再进行处理。比如俄乌冲突中，数百颗卫星都是“只有眼睛、没有脑子”的航天器。卫星看到了什么，数据传到地面，再由地面处理、评估，然后再把指令传回去。等这一套流程完成，战机可能已经过去了，窗口也已经错过了。​

所以，要推动卫星数据应用从直接应用，提升到数字化、智能化高端应用。也就是说，数据在卫星上就要能解决问题，在卫星上就要能智能感知、智能认知决策和智能应对，这样它的价值就大大提高了。我常说，要把卫星数据从“原材料”打造成“金砖、银砖”，真正释放航天数据的效益。​

（三）智能“刷脸”重构动态时变的全球空间环境

中国有没有可能率先在卫星上实现“智能刷脸”，用这种方式来重构动态时变的全球空间环境，并进一步得到卫星轨道、通信保障、导航定位等受空间环境影响的全球分布图？​

这正是前面讲到的一个目标：卫星上天以后，要做到“星”中有“数”。而“智能刷脸”就是实现这一目标的一个重要技术环节。​

我们的设想是：让卫星绕地球运行一圈，根据它获得的观测数据，在已有数据库中“刷脸”匹配，寻找最贴合当前实际状态的全球空间环境数字模式，从而重构全球环境变化。经过研究，认为这种思路是可行的，而且精度还比较高。“刷脸”结果中甚至保留了一些更精细的结构，而在常规观测处理结果中反而不明显。​它的下部代表的是由电离层电子总含量反演出来的导航误差的全球分布，亦可看出“刷脸“反演出的导航有更精细的动态时空变化。

这说明，直接把卫星观测数据处理出来未必能得到最优的结果。原因在于卫星需要环绕地球数圈甚至二十余圈，才能得到所谓“全球图”。这类图像本质是把不同时间、不同空间的数据拼接而成。而空间环境本就是动态时变的，整套数据并非同一时刻采集，从动态时变系统的视角来看这种处理方式本身存在不合理性，只是现阶段尚无更优方案才只能采用该模式。将来，打造“数字空间”、建立有卫星大脑的大脑智能体互联网，就能彻底解决这类问题。​

研究电离层电波的专家们也曾经遇到这样的实际问题：两处相距大约37公里的接收点，受电离层变化是高度的时空不均匀性分布的影响，导航误差可以达到30多公里。也就是说，两个实际相距37公里的点，在导航定位中甚至会近乎重合，这就会带来非常严重的问题。城市中还叠加了建筑物遮挡、多路径效应、复杂电磁环境等因素，进一步加剧了导航定位的复杂问题。比如在深圳，有时导航误差可以达到几百米，极端情况下可能更大。这就说明，单靠地面导航修正系统，并不一定能彻底解决问题。

真正有效的办法，是让卫星大脑在轨实时观测空间环境变化，并根据空间环境变化实时评估导航误差。这项工作意义重大，如果我们能够形成好的产品和服务平台，就可以向全世界提供服务。这难道没有产业价值吗？

低轨卫星的轨道也存在同类问题，这些图显示的是250与400公里高度附近的大气密度分布，图中以不同颜色区分大气密度数值。能够直观地看到，大气密度在全球范围内分布非常不均匀且处于动态变化的状态。这些图还显示了卫星绕地球运行一圈过程中轨道高度降低的变化。不同颜色表明不同区段下降高度不同，从中也能发现空间天气和大气密度变化会直接影响卫星轨道衰减。​

美国星链卫星为什么会出现较大数量的坠落？一个重要原因就是其运行轨道较低，受到高层大气阻力和空间天气影响较明显。特别是在太阳风暴来临以后，大气密度增加，低轨卫星轨道衰减加快，就可能很快掉下来。这就是星链卫星面临的一个现实问题。​

星链主要走的是人工智能技术路线，主要是地面系统控制路线，通过地面系统计算和控制卫星姿态、推进器等。但这种方法难以做到高时效、精准化、智能化应对，因为它无法实时、精确地掌握每颗卫星所处局部空间环境的动态变化。很多实际条件它也没办法完全解决。所以，我认为他们目前的技术路线仍然存在局限。​

据了解，未来5到10年，近地轨道卫星数量和总质量都将快速增长。1000公里以下的低轨空间会越来越拥挤。有人做过统计，如果要保持卫星之间比较安全的距离，比如卫星间距离保持在50公里左右，那么可容纳的卫星数量是有限的。但现实规划中的数量可能远远超过这个规模。这就是一个很大的问题。​

再比如深圳、广州、海南等低纬度或低纬相关区域，电离层活动对通信、导航、雷达等影响非常明显。特别是电离层闪烁，强的时候会直接导致通信质量下降甚至中断，这些情况时常发生。空间站也会面临类似问题。

数字空间的作用，就是通过数字化空间环境，把这些影响纳入可监测、可计算、可预警、可应对的体系之中，实时知道全球环境和影响的时空变化，从而做好准备。

二、打造低轨智能航天卫星大脑，有效解决低轨卫星坠落频发与轨道稳定性

（一）基本态势

1、低轨卫星呈“井喷式“发展

近几年低轨（350-550-1150公里）卫星因低时延、高分辨、低成本和效益好等优势而呈“井喷式”增长。全球从2019年不到2000颗，现已超万颗。美国星链（starlink）已过万颗，计划发射4.2万颗。中国已发千余颗，计划发射近3万颗。英国已发600余颗，其他如欧盟、俄罗斯、印度等也纷纷提出了低轨卫星计划。未来几年全球将超10万颗，10年预期可达27万颗，远超人们估计空间安全允许的17万颗。

当前，超低轨卫星（高度低于350公里的卫星），正处于从技术突破向商业服务过渡期，尚未呈“井喷式”发展，各国都作为战略重点在进行多种技术攻关，中国正迎头赶上。

欧美国家在低轨卫星发射和星座运营上仍然具有领先优势。SpaceX的发射能力非常强，火箭重复使用能力不断提高，一次可以发射数十颗卫星，工业化制造能力也很强。星链目前已经覆盖很多国家和地区，拥有大量用户。​

中国低轨卫星在技术成熟度、商业化应用、发射能力、成本控制等方面，总体上还落后于美国。但中国的决心很大，投入也很大，正在从技术验证快速走向商业化应用。我相信会很快赶上来。​

因此，从战略上看，低轨卫星正成为大国科技、经济和军事正在争抢的战略新高地。而对深圳来说更值得思考的是如何让井喷式增长的低轨卫星更安全、更高效，可以聚焦“软”的方面，打造低轨智能航天卫星大脑，这个成本要求相对较低，但价值会很大。​

2、低轨卫星坠毁频发，令世人震惊

低轨卫星受空间天气和大气阻力影响显著，坠落、再入、避碰和轨道维护问题正在变得越来越严重。美国星链截止到2025年9月13日已发射9625颗，坠落1227颗，坠落率达12.7%，仅2025年1月坠毁就超120颗，平均每天4颗，令世人震惊。如果未来五年中国发射3万颗低轨卫星，即便按较低比例估计坠毁或严重失效，也会造成巨大的经济损失。如果每颗卫星总成本按几千万人民币计算，那么直接损失可能达到数百亿甚至上千亿元。这种代价是国家和产业都难以承受的。​

3、如何解决低轨卫星面临的问题

世界上多国都在努力攻关，现在都还没有好办法来应对低轨卫星坠毁问题。美欧等采取了一系列技术与措施，如推进系统升级、优化推进器工作参数、改进动态轨道调整的算法、改进气动设计、抗原子氧腐蚀的新材料以及通过星载计算能力自动调轨等，坠落问题仍未能有效解决。

未来数以万计甚至数十万计的卫星挤在350公里至550公里的狭窄低轨空间里，全球航天领域还没有完全准备好。这里有几个重大问题：​第一，如何有效应对低轨卫星坠落频发问题。​第二，如何让上天的卫星真正做到“星”中有数。第三，如何管控成千上万颗卫星的协同运行​。第四，如何应对空间天气等自然灾害和空间态势突发变化​。

要解决这些问题，必须认真讨论技术路线。不能认为美国人提出的路线就一定是世界各国都要去跟的唯一正确路线。我认为凡是重大科技问题，要回到问题原点，实事求是地分析：它当初为什么这样提出？实施效果怎么样？还有没有别的路线？​任何科学上的“真理”都是真理长河中的一个片段，总是要向前发展的。

（二）发展空间的数字化、智能化应走大脑智能的技术路线

从原点到目标，可能有很多条路。经过研判，我们提出：应当以自然界因果关系的科学认知为基础，走类似人脑功能的“大脑智能”技术路线，来发展空间数智化。这样，才可能更有效地解决低轨卫星安全和效益问题。​

1、智能航天“智”在“卫星大脑”

按照类似人脑的功能，把空间感知、空间认知和空间行为三者集成为卫星上的一个全链条的智能化的快响闭环系统，简称“卫星大脑”，它依据人脑功能的特征及其卫星大脑的工作原理架构如下图所示。

大脑的基本功能，就是从智能感知开始，驱动科学认知决策，再到智能行为应对这三步，自然界生物应对环境变化，基本上也是这三步。三者不是孤立的，而是一个相互有机联系快速响应的闭环系统。卫星大脑的目标，就是让卫星“活起来”，像“悟空”一样能够自主应对空间环境、卫星系统和空间态势变化带来的影响，实现航天安全与效益的最大化。​

有关部门曾向我们询问：卫星大脑能不能自主应对外部干扰？我们的回答是：可以。这正是卫星大脑要解决的问题。它依据类似人脑功能的三步走机制，感知态势变化，认知变化性质和影响，再采取自主行为应对。这个过程其实很容易理解，就像人听到声音、看见陌生人时，音容相貌会快速传入大脑，大脑随即在记忆系统中检索匹配，识别是否为熟人，匹配成功即可确认身份，检索无果则判定为陌生对象，并主动开展询问等后续行为。​

据相关领域专家介绍，人脑完成整套感知、认知、决策的流程仅需毫秒级甚至更短时间，基本上感觉不到时间消耗，能耗也非常低。这说明，人的大脑代表的是自然界生物的最高智慧，是一种最先进的大脑智能体。而我们正在研发的卫星大脑并非在讲一个抽象概念，而是具备落地的工程路径。​

2、卫星大脑“三步走”战略

2019年，我们提出了“三步走”战略。

第一步，研制卫星大脑地面实验室原理样机，验证它是否可行，这是可行性实验。重点测试几个基本能力：星上能不能处理数据？星上“刷脸”能不能建模？星上能不能给出应对建议？为此，我们利用软件和云计算平台，编制了卫星大脑的地面实验系统。每个人做的模块，都放到这个平台上进行验证。现在，可行性实验已经基本通过。​

我们研发的地面实验室原理样机外观设计为头盔样式，契合 “大脑”的概念定位，里面是计算平台，这是很重要的部分。如今为适配卫星搭载需求已将整机重量压缩至10公斤以内，后续还会持续开展轻量化减重优化。

第二步，开展卫星大脑星上实验：检验感知系统、认知系统、行为系统能不能在卫星上运行，并自主应对空间事件。我们当前的初步目标，是当大气密度发生较大变化时，卫星能不能在星上完成轨道调整、姿态调整等动作，同时生成应用服务所需的几张航天图。​

第三步，上空间站开展实验，并进一步到真实卫星上进行定制应用实验。我们已与相关单位沟通，若地面样机与星上实验取得成功，空间站方面将支持我们上星试验，届时，航天员可以协助观察卫星大脑工作状态并进行相关讲解，这有助于提高中国在智能航天领域的国际影响力。​

现在美国也在做相关事情。比如，他们正在试图把人工智能服务器搬到太空，把大模型搬到卫星上去。但我认为，这未必是最好的技术路线。因为太空环境中能源、散热、算力、可靠性都受到严格限制，还需地面系统的支撑，这样做不仅成本极高，还很难自主独立应对空间动态时变的诸多问题，它并不一定符合航天实际。​

三、卫星大脑有广泛的应用空间

卫星大脑正在成为培育新质生产力和新质战斗力的重要方向，它的应用非常广泛。可以根据不同卫星和应用场景设计不同类型的大脑，例如通信卫星大脑、导航卫星大脑、遥感卫星大脑、应急卫星大脑、环境监测卫星大脑、空间站大脑、天兵大脑、深空探测器大脑等。作为新质生产力，卫星大脑有很大的产业空间。我们做过初步评估：如果未来有3万颗低轨卫星上天，其中20%安装卫星大脑，就是6000颗。如果每套卫星大脑按数百万元计算，就是一个相当可观的市场规模。除此之外，还要考虑算法、服务平台、知识产权、数据服务、运维服务等价值。​

如果卫星大脑能够降低低轨卫星坠毁率，减少避碰机动次数，提高通信、导航、遥感效率，其经济价值会更大。保守估计，这可能是数百亿乃至更大规模的产业。如果利用卫星大脑打造大航天时代的数字航天图，建设大脑智能体互联网，构建卫星群体的智管系统等等，带来的数智化产业前景更是巨大的。当然，这些数字仍需进一步精算和论证，但前景是可观的。​

我建议，设立商业航天科技创新与应用产业基金。要做大产业，就要有基金、有队伍、有战略合作网络，要把高校、研究所、企业、应用单位组织起来，形成资源共享、协同创新、协同创业的局面。​

同时，要引入竞争机制，鼓励不同地区组建具有不同特色的商业航天科技公司。2015年以来，商业航天企业已经很多，但如果长期分散发展，很多小企业可能活不下来。适当整合资源，形成拳头力量，才能增强竞争力和担当能力。

四、关于“人工智能”的思考

人工智能为什么这样“火”？众所周知，人工智能是人的大脑打造的，让我们回到原点去做一些学习和思考。

何为大脑智能？自然界的生物，无论是人、动物、植物，从广义上讲，在不同程度上都是大脑智能体。它们的大脑形态千差万别，有的是成熟大脑，有的只是神经系统，有的是植物神经或类似感知调节机制，可以把它们统称为大脑智能体。​

以人的大脑为代表，这些智能体都具有三个能力：第一，对自然环境和态势变化的感知能力；第二，驱动认知系统，根据自然界客观规律进行学习和判断的认知能力；第三，基于因果关系给出优化自主应对的行为能力。​

人的大脑智能，是自然界中最高等级智能的代表。人是创造者、决策者、领导者和执行者。我并不认同“5年之后人工智能就会全面超过人类”的说法，这种说法是不科学的。​人工智能有三大要素：数据、算法、算力。现在人工智能表现为大数据、大模型、大能耗。大脑智能则强调三个过程：感知、认知、行为。它追求的是小数据、小模型、小能耗，更适合卫星、无人机、机器人等能源、空间和实时性受限的复杂物理系统。​

人工智能是普惠人类的有力工具，我们要支持它发展，但它要健康发展，也要从大数据、大模型、大能耗，逐步走向小数据、小模型、小能耗。要实现这一点，就必须更多融入物理规律、因果关系和科学认知。仅仅从概率上、从数学上层层计算，并不能解决所有问题。​

就如同车辆行驶途中前方出现行人，不能接受存在百分之一的碰撞概率，这类系统需要的是确定性安全，而不是概率上的最优可能。因此，用大脑智能把感知、认知、行为三大系统整合为闭环系统，赋能复杂物理系统，是非常重要的方向。我们现在做卫星大脑，就是走这条路。​

当今人工智能正在进入从感知向认知转变的关键阶段。怎么转？很多专家提出了不同观点。我认为，一个重要方向是“进化”，这里说的进化，不是一般意义上的优化，而是要像生物演化一般完成根本性的变革。首先，我们要正确界定哪些领域适合人工智能，对于适合于把大数据与计算机相结合，不断深挖数学上最好的可能性，普惠于社会发展的，可继续走人工智能的技术路线；对于那些不依赖于大数据与具身智能，主要取决于物理因果关系建模的物理体系，如卫星、火箭、导弹、空天飞机，无人机，汽车，机器人、船舰、雷达等都是在动态时变场景中活动的物理体系，不是概率体系，要的是因果关系的确定性，不是数学概率的可能性。它们更适合于大脑智能“三步走”赋能转型升级为“活”的大脑智能体，不宜套用人工智能的技术路线。人工智能也要守正创新，跑进自己的赛道。这样，人工智能才能健康发展。

（本期活动还邀请到了深圳市电子学会、深圳市大数据产业协会、深圳市新材料行业协会、深圳市智能制造协会、深圳市人工智能行业协会、微波通信行业协会、世界青商经济文化交流中心、企合会等机构联合举办。）