智能衛星：歡迎來到“天聯網”時代

李偉

美國的“智能衛星”項目和中國“天智”衛星項目，有著共同的發展方向——衛星智能化。當衛星連接世界的成本和效率優于地面上的基站時，我們就進入了“天聯網”時代。衛星的數據和應用程序有望在手機上接收和操作，衛星也將成為大眾隨時隨地可以調用的工具。

衛星智能化

美國洛克希德·馬丁公司宣布，將在今年年內推出新一代太空技術，實現衛星在太空中變換任務。新一代太空技術名為“智能衛星”（SmartSat），借助該技術，用戶可以通過軟件推送為衛星添加新的功能，分配新的任務。未來這種操作將變得非常簡單，人們通過專用衛星手機就能給衛星添加一些應用程序。

據英國《衛報》報道，中國正在推進的一個新項目與美國洛克希德·馬丁公司的上述新技術有異曲同工之妙。

中國在2018年下半年啟動了“天智”項目，由中科院微小衛星創新研究院研制并測試新型衛星。其主要載荷包括能耗低、計算能力強的小型云計算平臺以及超分相機，地面應用終端為衛星手機。手機可以給衛星添加新的程序，衛星響應終端的需求，能運行新的程序，對相機采集到的數據進行計算分析，并按程序要求執行任務。

《衛報》指出，美國的“智能衛星”項目和中國“天智”項目，有著共同的發展方向——衛星智能化。

“天眼”變“天腦”

在目前的衛星系統中，通信、導航、遙感等衛星各成體系，每種衛星一般只具備一種功能，這造成衛星數量眾多而效率不高。另外，用戶接受衛星服務的過程很復雜，信息的往返必須經過地面控制中心。

衛星實現智能化以后，就成為太空中的開放信息處理平臺，企業和個人都可以為它們開發、推送適配的應用程序，甚至建立一個“航天應用商店”，從而實現衛星功能多樣化。用戶調用衛星也不必再經過地面控制中心，而是可以通過手機訪問衛星，給它們下達任務，并在手機上查看任務執行的結果。

這樣一來，衛星將成為數據傳輸和運算的節點，即“太空中的計算機”。整個衛星系統將從“天眼”變成“天腦”，即“太空中的互聯網”——“天聯網”。當衛星連接世界的成本和效率優于地面上的基站時，我們就進入了“天聯網”時代。由多顆智能衛星組成的星座是“天聯網”的重要基礎架構。衛星的數據和應用程序有望在手機上接收和操作，衛星也將成為大眾隨時隨地可以調用的工具。

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

個人專屬衛星

目前衛星的主要作用分布在通信、導航、遙感等方面，而人們產生了更精準的信息需求以及更快的傳輸速度需求。高分辨率衛星和人工智能技術的結合，激發出巨大的市場空間。

據英國BBC報道，智能衛星和“天聯網”的第一批用戶將是大型管理機構和企業。目前商用衛星服務已經成為很多企業的需求，有些企業還需要具備多種功能的衛星來提供服務。

城市管理機構需要太空感知與信息傳輸系統，為智慧城市的發展提供“眼睛和耳朵”。這就好比給城市做CT掃描，進行周期性觀察。由智能衛星構建的“天聯網”提供的數據，將建立城市的“健康指數檔案”，幫助城市管理機構更好地了解實時狀態，為智慧城市的基礎設施提供強有力的支持。

除了城市規劃和管理，智能衛星和“天聯網”在一些新興技術領域也將率先發揮作用。例如在無人駕駛領域，智能衛星可替代地面基站向車輛發指令。這種指揮系統更安全、精準，成本也更低廉。另外，在應急管理、安防、環保等領域，“天聯網”也有廣泛的應用前景。

“天聯網”的遠期目標，是讓每個人都有望體驗衛星服務。有條件、有需要的人，可以配備一顆專屬衛星，從而擁有“太空中的數據處理器”，打破空間的限制，讓他與世界上任何一個原本沒有關聯的人或事物建立密切的聯系。到那個時候，人們與這個世界的互聯互通方式將實現革命，進入“天地協同”的時代。

四大特點

作為“天聯網”的基礎單元，智能衛星與傳統的衛星相比有四大特點。

一是需求可定義。衛星可根據需要重構整個系統，可以靈活響應多種不同的空間任務需求，能夠滿足通信、導航、遙感、科學探測等多種應用場景，提供多種功能，完成多種任務;二是硬件可重組。衛星采用開放系統架構，具有豐富的接口形式，支持各類有效載荷的即插即用，可以根據任務需求進行有效載荷、計算資源、交換資源、存儲資源的重組;三是軟件可重配。衛星具有一致的程序執行環境，擁有豐富的應用軟件，可以根據任務需求動態配置和執行不同的APP，完成不同的任務;四是功能可重構。通過接入不同的硬件、加載不同的軟件，可以快速重構出不同的功能。

智能衛星是以操作系統為核心的開放式系統，符合標準的軟件組件和硬件部件都可以在平臺上平滑遷移、無縫接入和靈活運用，迅捷地擴充整個系統的能力。通過靈活增加、減少、改變系統的軟硬件組成，配備多種有效載荷，加載豐富的應用軟件，動態構建出能夠滿足各種任務需求的衛星系統，進而完成復雜多變的空間任務。

簡而言之，智能衛星就是在一個標準化硬件平臺上運行一個具有強大容錯能力的操作系統，基于這個操作系統，可以開發各種類型的APP，開展衛星的應用。就像智能手機一樣，在保證通話的前提下，充分利用各種傳感器，豐富系統能力——智能衛星在太空中也做著同樣的事情。

智能衛星與傳統衛星相比，增加了記憶、自處理、自適應功能，讓更多的工作直接在太空中完成，在星上就可以對數據進行及時識別和處理，而不是回到地面中心。這大幅提高了效率，減少了低效的星地數據傳輸。

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

研發進展

美國洛克希德·馬丁公司將發射多顆智能衛星至近地軌道，并使用最先進的太空網絡技術。這些衛星能夠通過軟件進行調整和操控，它們將測試云計算設備，驗證基于無線電頻率的集群衛星以及它們在太空中的網絡架構。

美國還計劃用新技術改善空地信息一體化系統，讓衛星直接與飛機、艦船和車輛連接，以前所未有的方式實現終端用戶與太空運算設備的快速連接。

中國的動作似乎更快一些。“天智一號”衛星配備了能夠識別太空飄浮物的軟件、三維重構軟件等。軟件的應用有效降低了衛星的物理載荷，也使衛星能夠在太空中執行一些智能任務，例如目標檢測識別、云判讀、基于強化學習的姿態控制等。雖然與成熟的“天腦”還有一定的距離，但“天智”衛星已經建立了商業化模式，邁出了推動傳統衛星向智能衛星演化的第一步。

中國還舉辦了“衛星軟件創新設計大賽”，通過比賽吸引創新應用，入選的軟件將登上“天智”衛星，在太空中接受檢驗。

中國的遠期目標是：所有軟件開發者都可以為衛星開發軟件，適用的軟件可以上傳給“天智”衛星，進行在軌驗證。對于衛星的實時狀態，人們可以通過“追星APP”訪問查詢，并執行“太空自拍”等任務。

無論美國還是中國的“天聯網”開發者都很清楚，網絡安全是“天聯網”技術的核心。基于該技術的衛星可以更快地進行自我重置，以更高的精度診斷問題，并在需要時互相支持，從而顯著增強衛星的彈性與靈活性。智能衛星可以更好地自主檢測并防御網絡威脅，而且衛星上的網絡防御系統可以定期更新，以應對不斷升級的新威脅。

編輯：姚志剛