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智能卫星:欢迎来到“天联网”时代
发布时间:2019-08-22
 

文/李伟

美国的“智能卫星”项目和中国“天智”卫星项目,有着共同的发展方向——卫星智能化。当卫星连接世界的成本和效率优于地面上的基站时,我们就进入了“天联网”时代。卫星的数据和应用程序有望在手机上接收和操作,卫星也将成为大众随时随地可以调用的工具。

卫星智能化

美国洛克希德·马丁公司宣布,将在今年年内推出新一代太空技术,实现卫星在太空中变换任务。新一代太空技术名为“智能卫星”(SmartSat),借助该技术,用户可以通过软件推送为卫星添加新的功能,分配新的任务。未来这种操作将变得非常简单,人们通过专用卫星手机就能给卫星添加一些应用程序。

据英国《卫报》报道,中国正在推进的一个新项目与美国洛克希德·马丁公司的上述新技术有异曲同工之妙。

中国在2018年下半年启动了“天智”项目,由中科院微小卫星创新研究院研制并测试新型卫星。其主要载荷包括能耗低、计算能力强的小型云计算平台以及超分相机,地面应用终端为卫星手机。手机可以给卫星添加新的程序,卫星响应终端的需求,能运行新的程序,对相机采集到的数据进行计算分析,并按程序要求执行任务。

《卫报》指出,美国的“智能卫星”项目和中国“天智”项目,有着共同的发展方向——卫星智能化。

智能卫星:欢迎来到“天联网”时代

洛·马公司设计的智能卫星SmartSat

“天眼”变“天脑”

在目前的卫星系统中,通信、导航、遥感等卫星各成体系,每种卫星一般只具备一种功能,这造成卫星数量众多而效率不高。另外,用户接受卫星服务的过程很复杂,信息的往返必须经过地面控制中心。

卫星实现智能化以后,就成为太空中的开放信息处理平台,企业和个人都可以为它们开发、推送适配的应用程序,甚至建立一个“航天应用商店”,从而实现卫星功能多样化。用户调用卫星也不必再经过地面控制中心,而是可以通过手机访问卫星,给它们下达任务,并在手机上查看任务执行的结果。

这样一来,卫星将成为数据传输和运算的节点,即“太空中的计算机”。整个卫星系统将从“天眼”变成“天脑”,即“太空中的互联网”——“天联网”。当卫星连接世界的成本和效率优于地面上的基站时,我们就进入了“天联网”时代。由多颗智能卫星组成的星座是“天联网”的重要基础架构。卫星的数据和应用程序有望在手机上接收和操作,卫星也将成为大众随时随地可以调用的工具。

试想,虚拟的“天脑”高悬于地球上方,每颗卫星都是一个“高性能计算单元”。它们接收用户上传的指令,利用“眼”(遥感、导航功能)、“耳”(通信功能)获取的信息进行智能分析,将分析结果下传给用户。

智能卫星:欢迎来到“天联网”时代

“天智一号”卫星

个人专属卫星

目前卫星的主要作用分布在通信、导航、遥感等方面,而人们产生了更精准的信息需求以及更快的传输速度需求。高分辨率卫星和人工智能技术的结合,激发出巨大的市场空间。

据英国BBC报道,智能卫星和“天联网”的第一批用户将是大型管理机构和企业。目前商用卫星服务已经成为很多企业的需求,有些企业还需要具备多种功能的卫星来提供服务。

城市管理机构需要太空感知与信息传输系统,为智慧城市的发展提供“眼睛和耳朵”。这就好比给城市做CT扫描,进行周期性观察。由智能卫星构建的“天联网”提供的数据,将建立城市的“健康指数档案”,帮助城市管理机构更好地了解实时状态,为智慧城市的基础设施提供强有力的支持。

除了城市规划和管理,智能卫星和“天联网”在一些新兴技术领域也将率先发挥作用。例如在无人驾驶领域,智能卫星可替代地面基站向车辆发指令。这种指挥系统更安全、精准,成本也更低廉。另外,在应急管理、安防、环保等领域,“天联网”也有广泛的应用前景。

“天联网”的远期目标,是让每个人都有望体验卫星服务。有条件、有需要的人,可以配备一颗专属卫星,从而拥有“太空中的数据处理器”,打破空间的限制,让他与世界上任何一个原本没有关联的人或事物建立密切的联系。到那个时候,人们与这个世界的互联互通方式将实现革命,进入“天地协同”的时代。

智能卫星:欢迎来到“天联网”时代

国内民营航天企业天仪研究院卫星研发现场,来源:网络

四大特点

作为“天联网”的基础单元,智能卫星与传统的卫星相比有四大特点。

一是需求可定义。卫星可根据需要重构整个系统,可以灵活响应多种不同的空间任务需求,能够满足通信、导航、遥感、科学探测等多种应用场景,提供多种功能,完成多种任务;

二是硬件可重组。卫星采用开放系统架构,具有丰富的接口形式,支持各类有效载荷的即插即用,可以根据任务需求进行有效载荷、计算资源、交换资源、存储资源的重组;

三是软件可重配。卫星具有一致的程序执行环境,拥有丰富的应用软件,可以根据任务需求动态配置和执行不同的APP,完成不同的任务;

四是功能可重构。通过接入不同的硬件、加载不同的软件,可以快速重构出不同的功能。

研发进展

美国洛克希德·马丁公司将发射多颗智能卫星至近地轨道,并使用最先进的太空网络技术。这些卫星能够通过软件进行调整和操控,它们将测试云计算设备,验证基于无线电频率的集群卫星以及它们在太空中的网络架构。

美国还计划用新技术改善空地信息一体化系统,让卫星直接与飞机、舰船和车辆连接,以前所未有的方式实现终端用户与太空运算设备的快速连接。

中国的动作似乎更快一些。“天智一号”卫星配备了能够识别太空飘浮物的软件、三维重构软件等。软件的应用有效降低了卫星的物理载荷,也使卫星能够在太空中执行一些智能任务,例如目标检测识别、云判读、基于强化学习的姿态控制等。虽然与成熟的“天脑”还有一定的距离,但“天智”卫星已经建立了商业化模式,迈出了推动传统卫星向智能卫星演化的第一步。

中国还举办了“卫星软件创新设计大赛”,通过比赛吸引创新应用,入选的软件将登上“天智”卫星,在太空中接受检验。

中国的远期目标是:所有软件开发者都可以为卫星开发软件,适用的软件可以上传给“天智”卫星,进行在轨验证。对于卫星的实时状态,人们可以通过“追星APP”访问查询,并执行“太空自拍”等任务。

无论美国还是中国的“天联网”开发者都很清楚,网络安全是“天联网”技术的核心。基于该技术的卫星可以更快地进行自我重置,以更高的精度诊断问题,并在需要时互相支持,从而显著增强卫星的弹性与灵活性。智能卫星可以更好地自主检测并防御网络威胁,而且卫星上的网络防御系统可以定期更新,以应对不断升级的新威胁。

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