智能衛(wèi)星：歡迎來(lái)到“天聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代

李偉

美國(guó)的“智能衛(wèi)星”項(xiàng)目和中國(guó)“天智”衛(wèi)星項(xiàng)目，有著共同的發(fā)展方向——衛(wèi)星智能化。當(dāng)衛(wèi)星連接世界的成本和效率優(yōu)于地面上的基站時(shí)，我們就進(jìn)入了“天聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代。衛(wèi)星的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序有望在手機(jī)上接收和操作，衛(wèi)星也將成為大眾隨時(shí)隨地可以調(diào)用的工具。

衛(wèi)星智能化

美國(guó)洛克希德·馬丁公司宣布，將在今年年內(nèi)推出新一代太空技術(shù)，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星在太空中變換任務(wù)。新一代太空技術(shù)名為“智能衛(wèi)星”（SmartSat），借助該技術(shù)，用戶(hù)可以通過(guò)軟件推送為衛(wèi)星添加新的功能，分配新的任務(wù)。未來(lái)這種操作將變得非常簡(jiǎn)單，人們通過(guò)專(zhuān)用衛(wèi)星手機(jī)就能給衛(wèi)星添加一些應(yīng)用程序。

據(jù)英國(guó)《衛(wèi)報(bào)》報(bào)道，中國(guó)正在推進(jìn)的一個(gè)新項(xiàng)目與美國(guó)洛克希德·馬丁公司的上述新技術(shù)有異曲同工之妙。

中國(guó)在2018年下半年啟動(dòng)了“天智”項(xiàng)目，由中科院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院研制并測(cè)試新型衛(wèi)星。其主要載荷包括能耗低、計(jì)算能力強(qiáng)的小型云計(jì)算平臺(tái)以及超分相機(jī)，地面應(yīng)用終端為衛(wèi)星手機(jī)。手機(jī)可以給衛(wèi)星添加新的程序，衛(wèi)星響應(yīng)終端的需求，能運(yùn)行新的程序，對(duì)相機(jī)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，并按程序要求執(zhí)行任務(wù)。

《衛(wèi)報(bào)》指出，美國(guó)的“智能衛(wèi)星”項(xiàng)目和中國(guó)“天智”項(xiàng)目，有著共同的發(fā)展方向——衛(wèi)星智能化。

“天眼”變“天腦”

在目前的衛(wèi)星系統(tǒng)中，通信、導(dǎo)航、遙感等衛(wèi)星各成體系，每種衛(wèi)星一般只具備一種功能，這造成衛(wèi)星數(shù)量眾多而效率不高。另外，用戶(hù)接受衛(wèi)星服務(wù)的過(guò)程很復(fù)雜，信息的往返必須經(jīng)過(guò)地面控制中心。

衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)智能化以后，就成為太空中的開(kāi)放信息處理平臺(tái)，企業(yè)和個(gè)人都可以為它們開(kāi)發(fā)、推送適配的應(yīng)用程序，甚至建立一個(gè)“航天應(yīng)用商店”，從而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星功能多樣化。用戶(hù)調(diào)用衛(wèi)星也不必再經(jīng)過(guò)地面控制中心，而是可以通過(guò)手機(jī)訪問(wèn)衛(wèi)星，給它們下達(dá)任務(wù)，并在手機(jī)上查看任務(wù)執(zhí)行的結(jié)果。

這樣一來(lái)，衛(wèi)星將成為數(shù)據(jù)傳輸和運(yùn)算的節(jié)點(diǎn)，即“太空中的計(jì)算機(jī)”。整個(gè)衛(wèi)星系統(tǒng)將從“天眼”變成“天腦”，即“太空中的互聯(lián)網(wǎng)”——“天聯(lián)網(wǎng)”。當(dāng)衛(wèi)星連接世界的成本和效率優(yōu)于地面上的基站時(shí)，我們就進(jìn)入了“天聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代。由多顆智能衛(wèi)星組成的星座是“天聯(lián)網(wǎng)”的重要基礎(chǔ)架構(gòu)。衛(wèi)星的數(shù)據(jù)和應(yīng)用程序有望在手機(jī)上接收和操作，衛(wèi)星也將成為大眾隨時(shí)隨地可以調(diào)用的工具。

試想，虛擬的“天腦”高懸于地球上方，每顆衛(wèi)星都是一個(gè)“高性能計(jì)算單元”。它們接收用戶(hù)上傳的指令，利用“眼”（遙感、導(dǎo)航功能）、“耳”（通信功能）獲取的信息進(jìn)行智能分析，將分析結(jié)果下傳給用戶(hù)。

個(gè)人專(zhuān)屬衛(wèi)星

目前衛(wèi)星的主要作用分布在通信、導(dǎo)航、遙感等方面，而人們產(chǎn)生了更精準(zhǔn)的信息需求以及更快的傳輸速度需求。高分辨率衛(wèi)星和人工智能技術(shù)的結(jié)合，激發(fā)出巨大的市場(chǎng)空間。

據(jù)英國(guó)BBC報(bào)道，智能衛(wèi)星和“天聯(lián)網(wǎng)”的第一批用戶(hù)將是大型管理機(jī)構(gòu)和企業(yè)。目前商用衛(wèi)星服務(wù)已經(jīng)成為很多企業(yè)的需求，有些企業(yè)還需要具備多種功能的衛(wèi)星來(lái)提供服務(wù)。

城市管理機(jī)構(gòu)需要太空感知與信息傳輸系統(tǒng)，為智慧城市的發(fā)展提供“眼睛和耳朵”。這就好比給城市做CT掃描，進(jìn)行周期性觀察。由智能衛(wèi)星構(gòu)建的“天聯(lián)網(wǎng)”提供的數(shù)據(jù)，將建立城市的“健康指數(shù)檔案”，幫助城市管理機(jī)構(gòu)更好地了解實(shí)時(shí)狀態(tài)，為智慧城市的基礎(chǔ)設(shè)施提供強(qiáng)有力的支持。

除了城市規(guī)劃和管理，智能衛(wèi)星和“天聯(lián)網(wǎng)”在一些新興技術(shù)領(lǐng)域也將率先發(fā)揮作用。例如在無(wú)人駕駛領(lǐng)域，智能衛(wèi)星可替代地面基站向車(chē)輛發(fā)指令。這種指揮系統(tǒng)更安全、精準(zhǔn)，成本也更低廉。另外，在應(yīng)急管理、安防、環(huán)保等領(lǐng)域，“天聯(lián)網(wǎng)”也有廣泛的應(yīng)用前景。

“天聯(lián)網(wǎng)”的遠(yuǎn)期目標(biāo)，是讓每個(gè)人都有望體驗(yàn)衛(wèi)星服務(wù)。有條件、有需要的人，可以配備一顆專(zhuān)屬衛(wèi)星，從而擁有“太空中的數(shù)據(jù)處理器”，打破空間的限制，讓他與世界上任何一個(gè)原本沒(méi)有關(guān)聯(lián)的人或事物建立密切的聯(lián)系。到那個(gè)時(shí)候，人們與這個(gè)世界的互聯(lián)互通方式將實(shí)現(xiàn)革命，進(jìn)入“天地協(xié)同”的時(shí)代。

四大特點(diǎn)

作為“天聯(lián)網(wǎng)”的基礎(chǔ)單元，智能衛(wèi)星與傳統(tǒng)的衛(wèi)星相比有四大特點(diǎn)。

一是需求可定義。衛(wèi)星可根據(jù)需要重構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)，可以靈活響應(yīng)多種不同的空間任務(wù)需求，能夠滿(mǎn)足通信、導(dǎo)航、遙感、科學(xué)探測(cè)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，提供多種功能，完成多種任務(wù);二是硬件可重組。衛(wèi)星采用開(kāi)放系統(tǒng)架構(gòu)，具有豐富的接口形式，支持各類(lèi)有效載荷的即插即用，可以根據(jù)任務(wù)需求進(jìn)行有效載荷、計(jì)算資源、交換資源、存儲(chǔ)資源的重組;三是軟件可重配。衛(wèi)星具有一致的程序執(zhí)行環(huán)境，擁有豐富的應(yīng)用軟件，可以根據(jù)任務(wù)需求動(dòng)態(tài)配置和執(zhí)行不同的APP，完成不同的任務(wù);四是功能可重構(gòu)。通過(guò)接入不同的硬件、加載不同的軟件，可以快速重構(gòu)出不同的功能。

智能衛(wèi)星是以操作系統(tǒng)為核心的開(kāi)放式系統(tǒng)，符合標(biāo)準(zhǔn)的軟件組件和硬件部件都可以在平臺(tái)上平滑遷移、無(wú)縫接入和靈活運(yùn)用，迅捷地?cái)U(kuò)充整個(gè)系統(tǒng)的能力。通過(guò)靈活增加、減少、改變系統(tǒng)的軟硬件組成，配備多種有效載荷，加載豐富的應(yīng)用軟件，動(dòng)態(tài)構(gòu)建出能夠滿(mǎn)足各種任務(wù)需求的衛(wèi)星系統(tǒng)，進(jìn)而完成復(fù)雜多變的空間任務(wù)。

簡(jiǎn)而言之，智能衛(wèi)星就是在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化硬件平臺(tái)上運(yùn)行一個(gè)具有強(qiáng)大容錯(cuò)能力的操作系統(tǒng)，基于這個(gè)操作系統(tǒng)，可以開(kāi)發(fā)各種類(lèi)型的APP，開(kāi)展衛(wèi)星的應(yīng)用。就像智能手機(jī)一樣，在保證通話的前提下，充分利用各種傳感器，豐富系統(tǒng)能力——智能衛(wèi)星在太空中也做著同樣的事情。

智能衛(wèi)星與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，增加了記憶、自處理、自適應(yīng)功能，讓更多的工作直接在太空中完成，在星上就可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)識(shí)別和處理，而不是回到地面中心。這大幅提高了效率，減少了低效的星地?cái)?shù)據(jù)傳輸。

智能衛(wèi)星重新定義了衛(wèi)星軟硬件之間的關(guān)系，有助于軟件獨(dú)立演化，為提高衛(wèi)星智能化程度提供了更多可能。

研發(fā)進(jìn)展

美國(guó)洛克希德·馬丁公司將發(fā)射多顆智能衛(wèi)星至近地軌道，并使用最先進(jìn)的太空網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。這些衛(wèi)星能夠通過(guò)軟件進(jìn)行調(diào)整和操控，它們將測(cè)試云計(jì)算設(shè)備，驗(yàn)證基于無(wú)線電頻率的集群衛(wèi)星以及它們?cè)谔罩械木W(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

美國(guó)還計(jì)劃用新技術(shù)改善空地信息一體化系統(tǒng)，讓衛(wèi)星直接與飛機(jī)、艦船和車(chē)輛連接，以前所未有的方式實(shí)現(xiàn)終端用戶(hù)與太空運(yùn)算設(shè)備的快速連接。

中國(guó)的動(dòng)作似乎更快一些?！疤熘且惶?hào)”衛(wèi)星配備了能夠識(shí)別太空飄浮物的軟件、三維重構(gòu)軟件等。軟件的應(yīng)用有效降低了衛(wèi)星的物理載荷，也使衛(wèi)星能夠在太空中執(zhí)行一些智能任務(wù)，例如目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別、云判讀、基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的姿態(tài)控制等。雖然與成熟的“天腦”還有一定的距離，但“天智”衛(wèi)星已經(jīng)建立了商業(yè)化模式，邁出了推動(dòng)傳統(tǒng)衛(wèi)星向智能衛(wèi)星演化的第一步。

中國(guó)還舉辦了“衛(wèi)星軟件創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽”，通過(guò)比賽吸引創(chuàng)新應(yīng)用，入選的軟件將登上“天智”衛(wèi)星，在太空中接受檢驗(yàn)。

中國(guó)的遠(yuǎn)期目標(biāo)是：所有軟件開(kāi)發(fā)者都可以為衛(wèi)星開(kāi)發(fā)軟件，適用的軟件可以上傳給“天智”衛(wèi)星，進(jìn)行在軌驗(yàn)證。對(duì)于衛(wèi)星的實(shí)時(shí)狀態(tài)，人們可以通過(guò)“追星APP”訪問(wèn)查詢(xún)，并執(zhí)行“太空自拍”等任務(wù)。

無(wú)論美國(guó)還是中國(guó)的“天聯(lián)網(wǎng)”開(kāi)發(fā)者都很清楚，網(wǎng)絡(luò)安全是“天聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)的核心。基于該技術(shù)的衛(wèi)星可以更快地進(jìn)行自我重置，以更高的精度診斷問(wèn)題，并在需要時(shí)互相支持，從而顯著增強(qiáng)衛(wèi)星的彈性與靈活性。智能衛(wèi)星可以更好地自主檢測(cè)并防御網(wǎng)絡(luò)威脅，而且衛(wèi)星上的網(wǎng)絡(luò)防御系統(tǒng)可以定期更新，以應(yīng)對(duì)不斷升級(jí)的新威脅。

編輯：姚志剛