Page 332 - 《软件学报》2026年第1期

张其阳 等: 卫星边缘计算智能化技术研究进展 329

卫星能够迅速回传受灾区域的影像数据, 帮助救援人员掌握灾情并制定救援方案. 此外, 卫星边缘计算通过对数据
的智能分析与处理, 为资源开发和管理提供决策支持, 为社会经济的可持续发展提供重要的信息保障.
(3) 海洋监测与保护
卫星边缘计算技术可集成多种遥感传感器, 实现对全球海洋环境的连续、高精度监测. 其能够提供海表温度、
盐度、海流分布及海底地形等高精度数据, 为科学家们深入理解海洋生态系统的复杂性和动态变化提供有力支
持. 在海洋监测领域, 卫星边缘计算技术能够实时监测海洋污染情况, 为环保部门提供应急响应支持, 并对渔业资
源进行动态评估, 助力精准制定渔业管理决策. 在海洋保护领域, 卫星边缘计算通过长期监测海洋生态系统的变
化, 为建立海洋保护区、保护生物多样性及评估人类活动对海洋的影响提供了科学依据.
本文第 1 节概述了卫星边缘计算的背景、需求场景及其典型应用. 第 2 节重点分析卫星边缘计算面临的关键
挑战. 在此基础上, 第 3 节介绍相关智能化技术的研究进展. 第 4 节展望卫星边缘计算未来研究方向. 最后总结全文.

2 卫星边缘计算关键挑战

卫星边缘计算虽然正处于快速发展阶段, 但在实现广泛应用并充分释放潜力的过程中, 仍面临一系列复杂且
多维度的挑战. 从硬件配置的局限性, 到动态复杂网络环境中的性能表现, 再到极端太空条件下的稳健性, 以及与
地面和其他空中网络的高效融合, 各方面均对其实用性和稳定性提出了严峻考验. 本文从资源受限、网络协同、
健壮可靠和架构融合这 4 个维度, 对卫星边缘计算面临的主要挑战进行了系统剖析, 并探讨了可能的解决路径.
2.1 资源受限

火箭载荷的计价标准主要基于重量和体积, 因此卫星在发射前必须严格控制这两方面的参数. 发射后, 卫星平
台的热量控制与能源管理则成为主要的限制因素. 尤其是对于基于 COTS 计算设备的星载系统, 这些设备主要为
地面边缘计算场景设计, 在极端太空环境中对温度控制和能耗管理提出了更高要求. 例如, 根据“北邮一号”卫星的
实测数据 [7] , 星载树莓派在高负载状态下温度迅速升高至 80 °C 以上, 远高于地面环境下的平均温度 (约 60 °C);
此外, 太阳能电池在单个轨道周期内提供的电能极为有限, 以 12U (20 cm×20 cm×30 cm) 主流卫星平台为例, 其电
能需求通常在 15–40 Wh 之间. 这些因素严重限制了计算任务的长时间、高功耗持续运行.
总体而言, 资源受限主要体现在以下方面: 首先, 星上物理条件要求硬件必须具备低功耗、小尺寸的特性, 但
这类设备的性能远不及地面数据中心的大规模计算设备, 成为计算效率的瓶颈. 其次, 卫星主要依赖太阳能供电,
但太阳能电池板产生的电力受限于日照条件和轨道因素制约, 难以实现持续、稳定的能源供应. 此外, 遥感卫星每
天采集数据量远超其能够下传的数据量, 导致大量数据无法及时传输与处理. 因此, 在重量和体积的严格约束下,
构建温度控制、能源利用高效且计算效率优越的卫星边缘计算架构, 已成为亟待解决的重要问题.
2.2 网络协同
低轨卫星以约 7.8 km/s 的高速绕地运行, 其与地面站的单次过顶通信窗口时间仅 7–10 min. 这种高速移动性
给网络协同带来了多层面的挑战, 主要包括: 在物理通信层方面, 在无线链路不稳定的条件下, 必须确保通信的鲁
棒性. 例如, 针对星链的网络测量显示, 恶劣天气条件下无线链路的吞吐量显著下降, 延迟和丢包率增加 [8] ; 在网络
路由层方面, 低轨卫星网络的高度动态拓扑要求路由算法具备高速收敛和自适应能力, 以应对星座的频繁变化, 维
持网络稳定与高效 [9] ; 在网络应用层方面, 短暂的通信窗口时间要求卫星具有较高的自治能力. 在网络断连或弱网
环境下, 卫星必须能够自主完成部分任务, 以保障应用服务的稳定性 [10] .
此外, 卫星的下行链路限制是制约数据传输的关键瓶颈. 目前, 主流卫星平台的下行链路容量尚不足以满足其
不断增长的数据传输需求 [11,12] . 例如, 单颗卫星捕获的遥感图像数据量通常远超下行链路的传输能力. 尽管卫星使
用高频段 (如 Ka 频段) 数据传输 [13] , 其下行速率通常不超过 100 Mb/s. 在典型的 6 min 星地通信时间内, 即便以最
大带宽速率传输, 最多也只能下传约 4.39 GB 数据量 [14] . 进一步看, 受限于星地通信时间的短暂性、地球自转等因
素, 下行链路成为影响卫星数据传输的核心瓶颈, 导致大量卫星观测数据无法及时传输到地面. 因此, 星地网络协
同是提升网络性能和任务执行效率的解决方案.