從一到百并不簡單 人工智能星座還在路上

張佳星

“可編程的‘智能衛星出現，使得衛星可以在軌改變任務、功能，這會改變原先的產業鏈，很多相關產業會因為衛星功能的提升而消失。”在不久前舉辦的2019年美國衛星大會展會上，傳統衛星制造商洛克希德·馬丁公司的發言讓人真切意識到：衛星的新時代來了。

有媒體這樣評價發生的改變，“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，多次出現在傳統企業的發言中”。傳統勢力也欣喜“擁抱”新技術，人工智能衛星、天基AI真的要來了。

“原本，衛星上天之前定位為遙感衛星就只負責遙感，氣象衛星只負責氣象，探測衛星只負責探測，未來的智能衛星卻可以依據上注（安裝）的軟件不同擁有‘轉換思維的能力，做完全不同的事情。”近日，中國2019軟件定義衛星高峰論壇舉辦，中國科學院軟件所研究員趙軍鎖解釋，這就是前面提到的“改變任務、功能”。將天基超算平臺裝載于衛星，不僅可以改變衛星用途，還能做很多意想不到的事，目前中國已經有了正在運轉的試驗星。

智能衛星有何特別之處

據報道，智能衛星擁有“判云讀霧”和“無人駕駛”的能力。

“判云讀霧”實際上是對圖像質量的判讀。據介紹，傳統衛星沒有判讀能力，所有拍攝的圖片都會“原封不動”地下載，由地面測控中心進行篩檢、再合成，這將浪費大量的信道資源。而裝載了人工智能系統的衛星，會“判讀”“篩選”用得上的圖片下傳，不僅進行了初篩還節約了大量信道資源。

“無人駕駛”的提法卻在業內存在爭議，有業內人士表示，衛星不是運輸工具，不應有“駕駛”一說，衛星只存在運行維護、操作操控的說法。“如果是想表達無人運維或無人操控的概念，目前的大多數低軌衛星在測控不可見弧段本身就是無人操控的（靠自主控制），在可見弧段需要對其進行測控。”

事實上，在天基領域，衛星會受到太陽、地球等引力的影響，軌道會發生一些漂移，多種干擾產生的攝動都需要地面對衛星的測控支持。

“無人操控”雖然難以實現，但真正的智能衛星卻可以“請求”管控。2018年11月中國科學院軟件所主導發射入軌的“天智一號”上，上注了自主請求式管控APP，能夠利用星上實時或歷史全球導航衛星系統定位數據進行自主定軌，未來可自行高精度調整軌道。衛星還有判斷能力，一旦發現軌道偏差超出設定門限，衛星便會自主向地面發出管控請求。2019年1月7日至3月17日，由中國科學院軟件研究所、西安衛星測控中心、中國科學院微小衛星創新研究院聯合開展了自主請求式管控試驗，獲得成功。

相關試驗還證明了，智能衛星的判讀數據還可以更進一步進行初篩后的計算工作，實現從數據到信息的提取，如民航機場流量監測、植被監測、突發事件監測等。例如要比對一個機場每天起降航班的次數，衛星可以在天基進行運算，直接給出數據，不需要把圖片傳下來再計算，數據傳輸量很可能消減近百倍。

任務可變、天基計算、請求管控等，都是更智能的衛星的能力。但這并不是全部，趙軍鎖說：“我們希望構建的是一個智能無限延展的平臺。人工智能要發展起來單靠一個單位是無法完成的，為此軟件所希望把底層算法移植到衛星上，讓地面的軟件開發者可以參與到天基智能的形成中來。”

功耗、算力、衛星數據安全等難題待解

對于更高級別的人工智能來說，功耗和算力是兩大“攔路虎”。衛星的載荷有限，在太空中運行也很難得到大量的運行能源，因此，如何在低功耗的情況下發揮最大的算力是必須要解決的問題。

“天智一號”還搭載了云計算平臺，通過自主感知計算負載實現智能管理、調度計算資源，在軌完成大部分數據處理工作，省去了大量不必要的數據傳輸。

目前人工智能的模型大多在地面上，無法在天基進行，仍舊需要采集大量的數據下傳，學習后將模型上傳，要進行反復地矯正、訓練比較困難。

但把地面上的超級計算機的處理能力搬到天上，難以實現，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，針對更低功耗的芯片做算法上的‘翻譯，讓現在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星上。這樣就能在衛星上做更多的運算，讓衛星上的人工智能與地面的差距越來越小。”趙軍鎖說。

此外，衛星系統的安全問題也是需要解決的課題之一。據報道，美國衛星大會上，洛克希德·馬丁公司表達了對智能衛星安全性的擔憂。

有代碼的地方就會有可被攻擊的漏洞。讓衛星獲得人工智能，離不開系統、應用、算法、軟件，而這些都是通過代碼實現的。無疑，使用開源代碼，如果沒有吃透、摸清，很容易被攻擊。

因此確保衛星安全，必須實現底層代碼的自主可控。

軟件定義衛星聯盟正在打造的SPUTNIX系統就是一個定制的系統，在開源、開放的同時保證衛星系統的安全可靠。

建設人工智能星座，星間通信鏈路是關鍵

單個衛星實現人工智能之后，才能進行人工智能星座的構建。當系統從一個變為一群，星間的數據傳輸便成為需要解決的問題，數據傳遞如何最迅速、算力分配如何最優等問題隨之而來。

在茫茫太空中，彼此距離遙遠的衛星發射的激光又如何能夠抵達另一顆衛星的接收設備呢？

“兩顆星之間的距離平均為數千公里，并且會相對快速移動。”關于星座間的聯絡，行云航天公司副總經理杜利介紹，兩顆星之間完成建立聯系的瞬間精準還只是第一步，穩定地在嚴苛的太空環境下保持均一、持續的聯系，不掉線也對星間通信設備提出了更高要求。

杜利介紹，建立星間通信鏈路并保持鏈路穩定是一項最關鍵的技術。兩顆衛星始終處于相對高速運動，要成功建鏈并保持穩定需要瞄準、捕獲和跟蹤。

“星間激光通信是極遠距離、極弱信號的探測，其技術難點來自于超遠的距離、鏈路的動態變化和復雜的空間環境。”杜利說，由于距離超遠，星間可采用激光通信技術，這就要求發展功率大、功耗低、線寬窄和溫度穩定性好的激光器模塊，超高靈敏度的光電探測器，以及高速光電轉換器件。

此外，在星座系統規模上，杜利提醒，一般來說：如果單星質量在百十公斤以下、單一功能的衛星，其投入成本不高，幾十、幾百顆星座的投資、建設、運營還是可以承受的，以好的商業模式長期運營也可以盈利;但如果單星質量到了噸級，甚至數噸級，其結構和功能往往比較復雜，制造成本很高，其星座系統的建設、運營、管理也很復雜，整個系統投入像個天文數字，一般很難用商業航天模式去解決，此類商業航天項目通常獲利困難，不易成功。