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建设智能星座要翻几道坎儿

鏃堕棿:2019-07-11 12:01 鐐瑰嚮:
传统上,不同种类卫星间泾渭分明,未来的智能卫星却可以依据安装的软件,完成功能之间的转换。

“天智一号”在轨运行示意图。

  “传统上,不同种类卫星间泾渭分明,遥感卫星就只负责遥感,气象卫星只负责气象,未来的智能卫星却可以依据安装的软件,完成功能之间的转换。”

  在近日举行的中国2019软件定义卫星高峰论坛上,中国科学院软件所研究员赵军锁这样描绘智能卫星愿景。

  “我们的海军在非洲护航,卫星拍到海盗船位置图像,运行到中国上空要数小时,等数据下载到地面站处理,再传回海军时,海盗船已经跑掉了。”

  在2018年4月举办的一个论坛上,中国科学院院士、中国工程院院士李德仁指出,传统卫星系统孤立、信息分离、服务滞后,亟须智能化升级。

  智能卫星也被称为软件定义卫星,是以天基先进计算平台和星载通用操作环境为核心,采用开放系统架构,支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载、系统功能按需重构的新一代卫星系统。简单地说,就是将天基超算平台装载于卫星,从而增强其功能。

  对于中国来说,智能卫星不是遥不可及的未来,当下正在进行在轨试验。2018年11月,中国首颗智能卫星“天智一号”发射升空。在过去半年中,该卫星成功开展了星箭分离成像、自主请求式测控、空间目标成像等10多项在轨试验,涉及智能测运控、智能信息处理等多个方面,性能表现优异。

  星上计算 天基智能

  智能卫星拥有“判云读雾”和“智能驾驶”能力。前者是指判读图像质量能力,智能卫星能够“判读”“筛选”图片并下传,节约信道资源。而传统卫星则不具备这种能力,只负责数据获取和下传,交由地面测控中心筛检处理,造成信道资源的浪费。“智能驾驶”是一种形象说法,是指智能卫星一方面可以自主定轨或调轨,另一方面能够自动向地面发出测控请求,运转更安全高效。据介绍,“天智一号”安装了自主请求式管控APP,能够利用星上实时或历史全球导航卫星系统定位数据进行自主定轨,未来可自行高精度调整轨道,发现自己运行轨道偏差超出设定将会自主向地面发出管控请求。

  实际运行中,“天智一号”的表现可圈可点。在“判云读雾”方面,该卫星成功进行数据判读,在此基础上,进一步完成了对信息初筛后的数据计算,实现了从数据到信息的提取,提升了效率。在“无人驾驶”方面,今年1月7日至3月17日,中国科学院软件研究所、西安卫星测控中心、中国科学院微小卫星创新研究院联合对其开展了自主请求式管控试验,获得成功。

  任务可变、天基计算、请求管控等是智能卫星的重要能力,但这些还不够,赵军锁说:“我们希望构建的是一个智能无限延展的平台。希望把底层算法移植到卫星上,让地面的软件开发者可以参与到天基智能的形成中来。”作为天智系列卫星总设计师,赵军锁带领团队近年来一直致力于智能卫星的研制等工作。

  节能增效 自主可控

  “天智一号”搭载了云计算平台,通过自主感知计算负载实现智能管理、调度计算资源,在轨完成大量数据处理工作,省去了大量不必要的数据传输。作为智能卫星的初步尝试,“天智一号”的计算能力还是相对有限的。

  目前,人工智能的模型大多在地面上,因为高计算能力往往意味着高能源消耗,而卫星的载荷有限,把地面上的超级计算机的处理能力搬到太空困难重重,大量计算无法在天基进行,仍旧下传采集到的大量数据,由人工智能学习后将模型上传至卫星,这需要反复地矫正、训练。

  要增强卫星的计算能力,使其更“聪明”,必须在节能增效方面下工夫。“未来我们希望通过软件针对更低功耗的芯片做算法上的‘翻译’,让现在GPU(图形处理器)上跑的算法能直接在低功耗处理器上跑,把人工智能算法搬到卫星上。这样就能在卫星上做更多的运算,让卫星上的人工智能与地面的差距越来越小。”赵军锁说。

  此外,卫星系统的安全问题也是需要解决的课题之一。有代码的地方就有可被攻击的漏洞。智能卫星离不开系统、应用、算法、软件,而这些都是通过代码实现的。使用开源代码,如果没有吃透、摸清,没有做好充分防护,很容易被攻击。

  确保卫星安全必须实现底层代码的自主可控。中国软件定义卫星联盟正在致力于打造SPUTNIX系统,旨在找到一个面向卫星的开放平台级软件解决方案,在开源、开放的同时,保证卫星系统安全可靠。

  星间链路 建智能群

  单个卫星的智能化为智能卫星星座系统的搭建奠定了基础,而从孤星迈向星座还要解决好两大问题,一是实现稳定的星际通讯,二是达到星际运算能力的最优化。

  “两颗星之间的距离平均为数千公里,并且处于相对高速移动中。”关于星座间的联络,航天行云科技有限公司副总经理杜利介绍,两颗星之间完成建立联系的瞬间精准还只是第一步,稳定地在严苛的太空环境下保持均一、持续的联系和不掉线,对星间通信设备提出了更高要求。

  杜利介绍,建立星间通信链路并保持链路稳定是一项最关键的技术。两颗卫星始终处于相对高速运动,要成功建链并保持稳定需要瞄准、捕获和跟踪。

  “星间激光通信是极远距离、极弱信号的探测,其技术难点来自于超远的距离、链路的动态变化和复杂的空间环境。”杜利说,由于距离超远,星间可采用激光通信技术,这就要求发展功率大、功耗低、线宽窄和温度稳定性好的激光器模块、超高灵敏度的光电探测器,以及高速光电转换器件。

  在星座系统规模上,杜利提醒,一般来说,如果单星质量在百十公斤以下、单一功能的卫星,其投入成本不高,几十、几百颗星座的投资、建设、运营还是可以承受的,以好的商业模式长期运营也可以盈利;但如果单星质量到了吨级,甚至数吨级,其结构和功能往往比较复杂,制造成本很高,其星座系统的建设、运营、管理就更复杂,整个系统投入资金很大,一般很难用商业航天模式去解决,此类商业航天项目通常获利困难,不易成功。

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