探索浩瀚宇宙，建设航天强国，是我们不懈追求的航天梦和强国梦。在计算机领域深耕近二十年的戴光明教授，一直在思索计算机学科如何更好地为国家和社会作出贡献。一次学术交流活动中，戴老师发现我国在航天基础工具软件上一直受制于人，被国外卡脖子，亟需自主可控的国产化航天工具软件，于是就开启了二十年如一日的计算机和航天领域的交叉结合研究领域。从带领科研团队“啃”航天领域的经典著作，到组织学生深入调研整个行业的发展趋势，积极与国内外专家交流学习，向航天科研院所专家求教，坚持研究了二十年，研制并开发出具有自主知识产权的航天任务设计优化与分析仿真软件平台CSTK。

一、模型-算法-应用三位一体技术创新体系

戴光明教授团队始终站在学术前沿，针对我国在航天核心基础软件缺失问题上面临的痛点和挑战，以破解国外对我国在航天关键技术上的“卡脖子”制约为使命，聚焦航天学科中对地覆盖基本问题，以颠覆性创新为目标，应用智能计算、人工智能等技术致力于解决航天领域中传统方法难以解决的系列复杂问题，独辟蹊径用抽象的形式化理论，设计了覆盖问题统一数学模型。同时构建了从卫星星座覆盖分析形式化理论体系和算法框架、大规模任务协同规划方法到卫星对地观测应用的三位一体创新技术体系，主要体现在以下三个方面：

1.首创了星座对地覆盖问题的覆盖函数理论与形式化体系，实现了对任意类型星座对地覆盖问题统一的形式化描述。本成果从无到有构建了一组反映覆盖问题的覆盖状态、卫星特性、空间特性与时间特性的覆盖函数，同时设计了一套形式化的符号系统，对任意类型覆盖问题进行形式化表示，从而实现星座对地覆盖问题的统一描述。

图1 覆盖问题的形式化系统构建

2.构建了基于图元划分理论的星座对地覆盖问题求解算法框架，将多种覆盖问题求解算法纳入到统一的理论体系中。本成果在分析多种类型的覆盖问题求解算法设计机理的基础上，提出了一套覆盖求解算法的图元划分理论，将所有覆盖问题求解算法用统一的算法框架进行描述，依据该算法框架，创新了多种高效的覆盖问题求解算法。

图2基于迭代划分的网格点法的基本算法思路

3.设计了面向强时间窗口争用冲突下的大规模任务协同规划方法。构建了面向复杂操作约束的多星多任务混合整数线性规划模型与约束满足最优化模型，设计了面向强时间窗口争用冲突的多敏捷卫星联合调度规划算法，实现了大规模高维优化问题最优可行解的快速生成，显著地提高了调度规划方案最优解的生成及其求解效率。

图3资源可用性和时间窗口争用冲突

二、构建国产软件平台，打破国外技术封锁

目前，STK软件成为国际航天领域广泛应用的一款商业化航天分析工具，中国作为航天大国迫切需要一款自主可控的国产化航天基础工具软件，为我国的航天安全保驾护航。戴光明教授带领的科研团队潜心研发的自主可控国产化航天专业工具软件CSTK（China Satellite Tool Kit），实现了对国外软件的完全替代，为我国的航天强国建设作出了贡献。

CSTK软件集精确轨道计算、姿态控制、访问目标计算、地基雷达覆盖分析、通道安全性分析、星座设计、星间链路分析、卫星机动变轨、任务规划、天线布局等功能于一体，成为国内独树一帜、经受工程实践检验的一个功能强大、支持航天任务全过程的专业化卫星工具软件，可广泛应用于导航定位、通信链路、国土资源监测、农业监测、生态环境监测、气候变化监测、自然灾害监测、气象灾害监测、灾害评估等领域。

图4CSTK软件平台主界面

CSTK软件平台具有丰富的功能，其主要功能包括：

1.CSTK软件支持航天器高精度轨道计算。软件可对各种摄动轨道进行计算，计算精度达到工程应用需求。

2.CSTK软件具有丰富的场景对象类型，能够支持六类集合类场景目标，以及三类虚拟场景目标的管理。场景目标之间进行组合，能够对各种复杂空间任务场景进行可视化展示，实现复杂任务场景的构建与推演仿真。

3.CSTK软件具有强大的星座设计能力。软件可对各类经典卫星星座进行精细化的仿真，并集成了多种单目标与多目标演化算法，可设计优化各种需求的卫星星座。

4.CSTK软件具备强大的星座性能分析能力。软件集成了多种经典星座性能分析方法，并创新性地提出了多种高效求解星座对地覆盖问题的求解算法，可对全球目标及任意形状区域目标的瞬时覆盖范围、累积覆盖范围与连续性覆盖范围进行快速计算并进行可视化展示，能够对覆盖时间间隙、重访时间、覆盖重数、时间覆盖率等典型星座性能分析指标进行计算。

5.CSTK软件具有丰富的矢量分析功能，能够对矢量、夹角、平面等进行展示。可以通过坐标系的坐标轴，场景对象的速度位置信息，坐标系的特定坐标位置，或通过已有矢量运算进行矢量生成，可以定义任意两个矢量之间的夹角并对其相关信息进行管理，可以通过坐标系或者场景对象的速度位置，或者以矢量为法向量定义平面，从而对复杂场景实现强大且直观的矢量分析能力。

6.CSTK软件具备强大的调度规划功能。CSTK软件提供了场景资源管理、场景任务管理、调度规划预处理、调度规划模型与算法、调度方案展示等调度规划全过程的功能。软件集成了成像规划、数传规划及成像数传协同规划功能，并集成了多种规划算法供用户选择。软件提供了应急任务规划操作，并在可视化结果中，展示所有常规任务和应急任务的执行状态，以及将调度规划结果回传到CSTK中进行仿真。

7.CSTK软件具有视角变换及视角动画功能，从而对仿真结果实现更丰富的展示。在视角变换方面，能够在地心视角、地平视角、场景对象中心视角From/To视角进行切换，从而对整个仿真场景以多角度进行观看，并构建视角动画。

8.CSTK软件具备强大的仿真功能，支持对整个场景的二维仿真，天球系三维仿真、地固系三维仿真及墨卡托三维仿真四种典型的仿真模式。

三、以国家需求为使命，服务国家重大工程

戴光明教授团队始终面向国家经济建设主战场、面向国家重大需求，以服务国家为已任，聚焦航天工程国家需求，为国家重大型号任务提供了各种服务。近些年开展的研究工作包括：

1.与国防科工局重大专项工程中心合作，为国家民用空间基础设施部分卫星组网及顶层设计论证提供了支撑，在复杂航天任务协同推演体系设计过程中发挥了作用，为我国的民用空间基础设施的实施做出贡献，社会效益明显。

2.与航天五院钱学森空间技术实验室合作，为国家兆瓦级空间太阳能电站前沿重大研究项目中的姿轨控多学科一体化设计等提供了技术支持，帮助解决了项目中的总体任务设计技术，其设计方案为本项目的顺利实施做出了贡献。

3.与航天五院钱学森空间技术实验室合作，设计开发了脉冲星角位置测量演示验证软件，实现了对脉冲星导航系统的仿真验证，满足了工程应用的要求，为国家相关计划的进行起到重要的支撑作用。

4.与航天八院509研究所合作，在科技部国家重大研发计划可重构航天遥感技术任务中，解决了多载荷类型、探测目标多样、探测需求多样等卫星覆盖计算方法无法统一通用的关键技术瓶颈，在航天体系的系统论证与对地观测应用等工作中发挥了巨大的作用，显著地改善了星座覆盖计算的效率。

5.与中国航天科工集团第二研究院合作，为某天基仿真系统提供了技术支撑，特别是为星座覆盖能力的定性、定量计算与分析提供了技术基础，为项目的顺利实施作出了贡献。

6.与中国国防科技信息中心合作，为国家自然灾害空间信息基础设施专项立项认证暨数据采集卫星系统DCSS立项论证，以及国家民用空间基础设施体系论证国家重大专项的方案设计做出了重要贡献。

7.与中国科学院空天信息创新研究院合作，在民用航天遥感天地一体化卫星应用评价课题的系统论证、方案设计、性能评估、灾害遥感应用等工作中都发挥了作用，为我国民用航天遥感系列卫星的工程应用作出了较大的贡献。

8.与中国航天标准化研究所合作，在导航卫星星地星间链路分析、卫星星座可靠性建模与分析等方面提供了技术支撑，为北斗系统可靠性专项等国家重大工程项目的顺利实施提供了必要的工具支持。

团队还先后为“嫦娥二号”“天问一号”进行了轨道论证，为国家高分重大专项、国家民用空间基础设施、国家自然灾害空间信息基础设施等重大工程设计了许多轨道，为我国从航天大国到航天强国的建设作出了自己的贡献。

四、潜心探索二十载，团队一直在路上

团结拼搏，成果斐然。经过近20年的研究，CSTK软件团队分别获得国家民用航天“十一五”“十二五”“十三五”和“十四五”预研项目连续四个五年计划的持续支持，并多次获得装备预研教育部联合基金、国防科技创新特区项目、国家重点研发计划、国家863计划等课题的资助，获得国家自然科学基金课题6项，中国博士后科学基金特别资助2项。出版学术专著7部，发表高水平期刊论文100余篇。已获湖北省科技进步奖等省部级奖励7项，获发明专利授权15项、计算机软件著作权18项。

图5 学术专著组图

CSTK软件团队成果2016年、2017年先后入选并参展了由中央军委装备发展部主办的第二届、第三届军民融合发展高科技成果展览，第二十一届中国国际高新技术成果交易会，为我国基于航天技术的立体化对地观测分析软件的自主可控与安全性作出了贡献。

图6 第二届军民融合成果展 图7第三届军民融合成果展

团队在航天器初轨设计中，对传统的圆锥曲线拼接法进行了深入的分析，引入多参数演化技术，克服了先设计日心转移轨道再推演出逃逸轨道和捕获轨道的设计方法效率不高的问题，创新了初轨设计的演化圆锥曲线拼接法；在精确轨道设计阶段，充分考虑到数学模型的强非线性特征，从设计合适微分修正步长和改善线性收敛域两个方面，创新了精轨设计的逐次逼近打靶法，解决了精轨设计初值敏感性问题，极大地提高了精确轨道设计算法的鲁棒性；以轨道鲁棒设计为基础，研制出了具有完全自主知识产权的航天器轨道优化设计平台。研究成果“航天器轨道鲁棒性设计方法及应用”获得2019年度湖北省科技进步二等奖。

图8 2019年度湖北省科技进步二等奖

以卫星星座覆盖分析和规划调度为核心，构建了从卫星星座覆盖分析形式化理论体系和算法框架、大规模任务协同规划方法到卫星对地观测应用的“理论-算法-应用”三位一体创新技术体系，取得了一批具有前沿性和影响力的创新成果，具有重要的理论和工程应用价值。其研究成果“卫星星座覆盖分析与调度优化推演仿真平台”突破了航天领域对地观测与智能仿真优化的核心关键技术，获2021年度中国仿真学会创新技术一等奖。

图9 2021年度中国仿真学会创新技术一等奖

围绕卫星星座覆盖的关键技术，在卫星时空覆盖计算与能力评估方向，团队的研究成果“卫星星座覆盖分析关键技术与应用”获首届全国博士后创新创业大赛优胜奖。

二十年来，团队培养的博士后、博士生、硕士生累计150余人，毕业的同学分别在航天院所、知名高校、党政机关、互联网大厂等各行各业熠熠生辉，屡建新功。

团队始终秉持家国情怀，面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求，不忘初心、砥砺前行、矢志笃行、攻坚克难，为我国航天强国建设谱写地大担当，贡献地大力量！

通讯员：陈晓宇

审核：李国昌

校对：石剑峰