建設智能星座要翻幾道坎兒

建設智能星座要翻幾道坎兒

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　　「天智一號」在軌運行示意圖。

　　「傳統上，不同種類衛星間涇渭分明，遙感衛星就只負責遙感，氣象衛星只負責氣象，未來的智能衛星卻可以依據安裝的軟體，完成功能之間的轉換。」

　　在近日舉行的中國2019軟體定義衛星高峰論壇上，中國科學院軟體所研究員趙軍鎖這樣描繪智能衛星願景。

　　「我們的海軍在非洲護航，衛星拍到海盜船位置圖像，運行到中國上空要數小時，等數據下載到地面站處理，再傳回海軍時，海盜船已經跑掉了。」

　　在2018年4月舉辦的一個論壇上，中國科學院院士、中國工程院院士李德仁指出，傳統衛星系統孤立、信息分離、服務滯後，亟須智能化升級。

　　智能衛星也被稱為軟體定義衛星，是以天基先進計算平臺和星載通用操作環境為核心，採用開放系統架構，支持有效載荷即插即用、應用軟體按需加載、系統功能按需重構的新一代衛星系統。簡單地說，就是將天基超算平臺裝載於衛星，從而大大增強其功能。

　　對於中國來說，智能衛星不是遙不可及的未來，當下正在進行在軌試驗。2018年11月，中國首顆智能衛星「天智一號」發射升空。在過去半年中，該衛星成功開展了星箭分離成像、自主請求式測控、空間目標成像等10多項在軌試驗，涉及智能測運控、智能信息處理等多個方面，性能表現優異。

　　星上計算 天基智能

　　智能衛星擁有「判雲讀霧」和「智能駕駛」能力。前者是指判讀圖像質量能力，智能衛星能夠「判讀」「篩選」圖片並下傳，節約信道資源。而傳統衛星則不具備這種能力，只負責數據獲取和下傳，交由地面測控中心篩檢處理，造成信道資源的浪費。「智能駕駛」是一種形象說法，是指智能衛星一方面可以自主定軌或調軌，另一方面能夠自動向地面發出測控請求，運轉更安全高效。據介紹，「天智一號」安裝了自主請求式管控APP，能夠利用星上實時或歷史全球導航衛星系統定位數據進行自主定軌，未來可自行高精度調整軌道，發現自己運行軌道偏差超出設定將會自主向地面發出管控請求。

　　實際運行中，「天智一號」的表現可圈可點。在「判雲讀霧」方面，該衛星成功進行數據判讀，在此基礎上，進一步完成了對信息初篩後的數據計算，實現了從數據到信息的提取，大大提升了效率。在「無人駕駛」方面，今年1月7日至3月17日，中國科學院軟體研究所、西安衛星測控中心、中國科學院微小衛星創新研究院聯合對其開展了自主請求式管控試驗，獲得成功。

　　任務可變、天基計算、請求管控等是智能衛星的重要能力，但這些還不夠，趙軍鎖說：「我們希望構建的是一個智能無限延展的平臺。希望把底層算法移植到衛星上，讓地面的軟體開發者可以參與到天基智能的形成中來。」作為天智系列衛星總設計師，趙軍鎖帶領團隊近年來一直致力於智能衛星的研製等工作。

　　節能增效 自主可控

　　「天智一號」搭載了雲計算平臺，通過自主感知計算負載實現智能管理、調度計算資源，在軌完成大量數據處理工作，省去了大量不必要的數據傳輸。作為智能衛星的初步嘗試，「天智一號」的計算能力還是相對有限的。

　　目前，人工智慧的模型大多在地面上，因為高計算能力往往意味著高能源消耗，而衛星的載荷有限，把地面上的超級計算機的處理能力搬到太空困難重重，大量計算無法在天基進行，仍舊下傳採集到的大量數據，由人工智慧學習後將模型上傳至衛星，這需要反覆地矯正、訓練。

　　要增強衛星的計算能力，使其更「聰明」，必須在節能增效方面下工夫。「未來我們希望通過軟體針對更低功耗的晶片做算法上的『翻譯』，讓現在GPU（圖形處理器）上跑的算法能直接在低功耗處理器上跑，把人工智慧算法搬到衛星上。這樣就能在衛星上做更多的運算，讓衛星上的人工智慧與地面的差距越來越小。」趙軍鎖說。

　　此外，衛星系統的安全問題也是需要解決的課題之一。有代碼的地方就有可被攻擊的漏洞。智能衛星離不開系統、應用、算法、軟體，而這些都是通過代碼實現的。使用開原始碼，如果沒有吃透、摸清，沒有做好充分防護，很容易被攻擊。

　　確保衛星安全必須實現底層代碼的自主可控。中國軟體定義衛星聯盟正在致力於打造SPUTNIX系統，旨在找到一個面向衛星的開放平臺級軟體解決方案，在開源、開放的同時，保證衛星系統安全可靠。

　　星間鏈路 建智能群

　　單個衛星的智能化為智能衛星星座系統的搭建奠定了基礎，而從孤星邁向星座還要解決好兩大問題，一是實現穩定的星際通訊，二是達到星際運算能力的最優化。

　　「兩顆星之間的距離平均為數千公裡，並且處於相對高速移動中。」關於星座間的聯絡，航天行雲科技有限公司副總經理杜利介紹，兩顆星之間完成建立聯繫的瞬間精準還只是第一步，穩定地在嚴苛的太空環境下保持均一、持續的聯繫和不掉線，對星間通信設備提出了更高要求。

　　杜利介紹，建立星間通信鏈路並保持鏈路穩定是一項最關鍵的技術。兩顆衛星始終處於相對高速運動，要成功建鏈並保持穩定需要瞄準、捕獲和跟蹤。

　　「星間雷射通信是極遠距離、極弱信號的探測，其技術難點來自於超遠的距離、鏈路的動態變化和複雜的空間環境。」杜利說，由於距離超遠，星間可採用雷射通信技術，這就要求發展功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩定性好的雷射器模塊、超高靈敏度的光電探測器，以及高速光電轉換器件。

　　在星座系統規模上，杜利提醒，一般來說，如果單星質量在百十公斤以下、單一功能的衛星，其投入成本不高，幾十、幾百顆星座的投資、建設、運營還是可以承受的，以好的商業模式長期運營也可以盈利；但如果單星質量到了噸級，甚至數噸級，其結構和功能往往比較複雜，製造成本很高，其星座系統的建設、運營、管理就更複雜，整個系統投入資金很大，一般很難用商業航天模式去解決，此類商業航天項目通常獲利困難，不易成功。