“可編程的‘智能衛(wèi)星’出現(xiàn)，使得衛(wèi)星可以在軌改變?nèi)蝿?wù)、功能，這會(huì)改變?cè)鹊漠a(chǎn)業(yè)鏈，很多相關(guān)產(chǎn)業(yè)會(huì)因?yàn)樾l(wèi)星功能的提升而消失。”在不久前舉辦的2019年美國(guó)衛(wèi)星大會(huì)展會(huì)上，傳統(tǒng)衛(wèi)星制造商洛克希德·馬丁公司的發(fā)言讓人真切意識(shí)到：衛(wèi)星的新時(shí)代來了。
有媒體這樣評(píng)價(jià)發(fā)生的改變，“以前只能從新航天公司那里聽到的詞句，比如人工智能、軟件定義等，多次出現(xiàn)在傳統(tǒng)企業(yè)的發(fā)言中”。傳統(tǒng)勢(shì)力也欣喜“擁抱”新技術(shù)，人工智能衛(wèi)星、天基AI真的要來了。
“原本，衛(wèi)星上天之前定位為遙感衛(wèi)星就只負(fù)責(zé)遙感，氣象衛(wèi)星只負(fù)責(zé)氣象，探測(cè)衛(wèi)星只負(fù)責(zé)探測(cè)，未來的智能衛(wèi)星卻可以依據(jù)上注（安裝）的軟件不同擁有‘轉(zhuǎn)換思維’的能力，做完全不同的事情。”近日，中國(guó)2019軟件定義衛(wèi)星高峰論壇舉辦，中國(guó)科學(xué)院軟件所研究員趙軍鎖解釋，這就是前面提到的“改變?nèi)蝿?wù)、功能”。將天基超算平臺(tái)裝載于衛(wèi)星，不僅可以改變衛(wèi)星用途，還能做很多意想不到的事，目前中國(guó)已經(jīng)有了正在運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)星。
智能衛(wèi)星有何特別之處
據(jù)報(bào)道，智能衛(wèi)星擁有“判云讀霧”和“無人駕駛”的能力。
“判云讀霧”實(shí)際上是對(duì)圖像質(zhì)量的判讀。據(jù)介紹，傳統(tǒng)衛(wèi)星沒有判讀能力，所有拍攝的圖片都會(huì)“原封不動(dòng)”地下載，由地面測(cè)控中心進(jìn)行篩檢、再合成，這將浪費(fèi)大量的信道資源。而裝載了人工智能系統(tǒng)的衛(wèi)星，會(huì)“判讀”“篩選”用得上的圖片下傳，不僅進(jìn)行了初篩還節(jié)約了大量信道資源。
“無人駕駛”的提法卻在業(yè)內(nèi)存在爭(zhēng)議，有業(yè)內(nèi)人士表示，衛(wèi)星不是運(yùn)輸工具，不應(yīng)有“駕駛”一說，衛(wèi)星只存在運(yùn)行維護(hù)、操作操控的說法。“如果是想表達(dá)無人運(yùn)維或無人操控的概念，目前的大多數(shù)低軌衛(wèi)星在測(cè)控不可見弧段本身就是無人操控的（靠自主控制），在可見弧段需要對(duì)其進(jìn)行測(cè)控。”
事實(shí)上，在天基領(lǐng)域，衛(wèi)星會(huì)受到太陽(yáng)、地球等引力的影響，軌道會(huì)發(fā)生一些漂移，多種干擾產(chǎn)生的攝動(dòng)都需要地面對(duì)衛(wèi)星的測(cè)控支持。
“無人操控”雖然難以實(shí)現(xiàn)，但真正的智能衛(wèi)星卻可以“請(qǐng)求”管控。2018年11月中國(guó)科學(xué)院軟件所主導(dǎo)發(fā)射入軌的“天智一號(hào)”上，上注了自主請(qǐng)求式管控APP，能夠利用星上實(shí)時(shí)或歷史全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行自主定軌，未來可自行高精度調(diào)整軌道。衛(wèi)星還有判斷能力，一旦發(fā)現(xiàn)軌道偏差超出設(shè)定門限，衛(wèi)星便會(huì)自主向地面發(fā)出管控請(qǐng)求。2019年1月7日至3月17日，由中國(guó)科學(xué)院軟件研究所、西安衛(wèi)星測(cè)控中心、中國(guó)科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院聯(lián)合開展了自主請(qǐng)求式管控試驗(yàn)，獲得成功。
相關(guān)試驗(yàn)還證明了，智能衛(wèi)星的判讀數(shù)據(jù)還可以更進(jìn)一步進(jìn)行初篩后的計(jì)算工作，實(shí)現(xiàn)從數(shù)據(jù)到信息的提取，如民航機(jī)場(chǎng)流量監(jiān)測(cè)、植被監(jiān)測(cè)、突發(fā)事件監(jiān)測(cè)等。例如要比對(duì)一個(gè)機(jī)場(chǎng)每天起降航班的次數(shù)，衛(wèi)星可以在天基進(jìn)行運(yùn)算，直接給出數(shù)據(jù)，不需要把圖片傳下來再計(jì)算，數(shù)據(jù)傳輸量很可能消減近百倍。
任務(wù)可變、天基計(jì)算、請(qǐng)求管控等，都是更智能的衛(wèi)星的能力。但這并不是全部，趙軍鎖說：“我們希望構(gòu)建的是一個(gè)智能無限延展的平臺(tái)。人工智能要發(fā)展起來單靠一個(gè)單位是無法完成的，為此軟件所希望把底層算法移植到衛(wèi)星上，讓地面的軟件開發(fā)者可以參與到天基智能的形成中來。”
功耗、算力、衛(wèi)星數(shù)據(jù)安全等難題待解
對(duì)于更高級(jí)別的人工智能來說，功耗和算力是兩大“攔路虎”。衛(wèi)星的載荷有限，在太空中運(yùn)行也很難得到大量的運(yùn)行能源，因此，如何在低功耗的情況下發(fā)揮最大的算力是必須要解決的問題。
“天智一號(hào)”還搭載了云計(jì)算平臺(tái)，通過自主感知計(jì)算負(fù)載實(shí)現(xiàn)智能管理、調(diào)度計(jì)算資源，在軌完成大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理工作，省去了大量不必要的數(shù)據(jù)傳輸。
目前人工智能的模型大多在地面上，無法在天基進(jìn)行，仍舊需要采集大量的數(shù)據(jù)下傳，學(xué)習(xí)后將模型上傳，要進(jìn)行反復(fù)地矯正、訓(xùn)練比較困難。
但把地面上的超級(jí)計(jì)算機(jī)的處理能力搬到天上，難以實(shí)現(xiàn)，主要是無法克服載重和功耗的問題。“未來我們希望通過軟件的方法，針對(duì)更低功耗的芯片做算法上的‘翻譯’，讓現(xiàn)在GPU（圖形處理器）上跑的算法能直接在低功耗處理器上跑，把人工智能算法搬到衛(wèi)星上。這樣就能在衛(wèi)星上做更多的運(yùn)算，讓衛(wèi)星上的人工智能與地面的差距越來越小。”趙軍鎖說。
此外，衛(wèi)星系統(tǒng)的安全問題也是需要解決的課題之一。據(jù)報(bào)道，美國(guó)衛(wèi)星大會(huì)上，洛克希德·馬丁公司表達(dá)了對(duì)智能衛(wèi)星安全性的擔(dān)憂。
有代碼的地方就會(huì)有可被攻擊的漏洞。讓衛(wèi)星獲得人工智能，離不開系統(tǒng)、應(yīng)用、算法、軟件，而這些都是通過代碼實(shí)現(xiàn)的。無疑，使用開源代碼，如果沒有吃透、摸清，很容易被攻擊。
因此確保衛(wèi)星安全，必須實(shí)現(xiàn)底層代碼的自主可控。
軟件定義衛(wèi)星聯(lián)盟正在打造的SPUTNIX系統(tǒng)就是一個(gè)定制的系統(tǒng)，在開源、開放的同時(shí)保證衛(wèi)星系統(tǒng)的安全可靠。
建設(shè)人工智能星座，星間通信鏈路是關(guān)鍵
單個(gè)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)人工智能之后，才能進(jìn)行人工智能星座的構(gòu)建。當(dāng)系統(tǒng)從一個(gè)變?yōu)橐蝗海情g的數(shù)據(jù)傳輸便成為需要解決的問題，數(shù)據(jù)傳遞如何最迅速、算力分配如何最優(yōu)等問題隨之而來。
在茫茫太空中，彼此距離遙遠(yuǎn)的衛(wèi)星發(fā)射的激光又如何能夠抵達(dá)另一顆衛(wèi)星的接收設(shè)備呢？
“兩顆星之間的距離平均為數(shù)千公里，并且會(huì)相對(duì)快速移動(dòng)。”關(guān)于星座間的聯(lián)絡(luò)，行云航天公司副總經(jīng)理杜利介紹，兩顆星之間完成建立聯(lián)系的瞬間精準(zhǔn)還只是第一步，穩(wěn)定地在嚴(yán)苛的太空環(huán)境下保持均一、持續(xù)的聯(lián)系，不掉線也對(duì)星間通信設(shè)備提出了更高要求。
杜利介紹，建立星間通信鏈路并保持鏈路穩(wěn)定是一項(xiàng)最關(guān)鍵的技術(shù)。兩顆衛(wèi)星始終處于相對(duì)高速運(yùn)動(dòng)，要成功建鏈并保持穩(wěn)定需要瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。
“星間激光通信是極遠(yuǎn)距離、極弱信號(hào)的探測(cè)，其技術(shù)難點(diǎn)來自于超遠(yuǎn)的距離、鏈路的動(dòng)態(tài)變化和復(fù)雜的空間環(huán)境。”杜利說，由于距離超遠(yuǎn)，星間可采用激光通信技術(shù)，這就要求發(fā)展功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩(wěn)定性好的激光器模塊，超高靈敏度的光電探測(cè)器，以及高速光電轉(zhuǎn)換器件。
此外，在星座系統(tǒng)規(guī)模上，杜利提醒，一般來說：如果單星質(zhì)量在百十公斤以下、單一功能的衛(wèi)星，其投入成本不高，幾十、幾百顆星座的投資、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)還是可以承受的，以好的商業(yè)模式長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)也可以盈利；但如果單星質(zhì)量到了噸級(jí)，甚至數(shù)噸級(jí)，其結(jié)構(gòu)和功能往往比較復(fù)雜，制造成本很高，其星座系統(tǒng)的建設(shè)、運(yùn)營(yíng)、管理也很復(fù)雜，整個(gè)系統(tǒng)投入像個(gè)天文數(shù)字，一般很難用商業(yè)航天模式去解決，此類商業(yè)航天項(xiàng)目通常獲利困難，不易成功。
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智能衛(wèi)星“天智一號(hào)”能做這些事
據(jù)悉，“天智一號(hào)”衛(wèi)星的核心是一個(gè)小型高性能星載云計(jì)算平臺(tái)，支持有效載荷即插即用、應(yīng)用軟件按需加載，可以通過上注不同的應(yīng)用軟件，讓衛(wèi)星完成不同的任務(wù)。與傳統(tǒng)衛(wèi)星相比，“天智一號(hào)”具有三大特點(diǎn)：一是智能程度高，衛(wèi)星所獲大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理均可在軌完成，根據(jù)需要下傳地面；二是衛(wèi)星為開放型系統(tǒng)，用戶可以為衛(wèi)星開發(fā)軟件，并可根據(jù)一定流程將開發(fā)的軟件上注衛(wèi)星，開展在軌試驗(yàn)；三是衛(wèi)星的實(shí)時(shí)狀態(tài)，普通大眾可通過手機(jī)利用“追星APP”訪問查詢，并與衛(wèi)星互動(dòng)，甚至在“天智一號(hào)”空閑時(shí)指揮衛(wèi)星在軌實(shí)時(shí)執(zhí)行“太空自拍”等空間任務(wù)。
此外，“天智一號(hào)”衛(wèi)星是“天智”系列新技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星中的第一顆。在接下來的5到8年時(shí)間里，已經(jīng)規(guī)劃的“天智二號(hào)”到“天智十號(hào)”共17顆星將陸續(xù)發(fā)射。（記者 張佳星）