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  • 用手机让星星为你拍张照

    来源:文汇报2019.01.20 2019-01-25 14:11:15 点击:586 赞美:16

    我国首颗软件定义卫星可在太空根据地面指令完成指派任务,未来你或许可以——

    用手机让星星为你拍张照

     

     

    未来的微小卫星通过百星组网,提供厘米级定位服务应用于未来高精度智能定位产业,同时构建全球通信万物互联安全网络。

        双子座流星雨来临的时候,有没有对着星空许愿?或许再过若干年,你就不用再苦盼流星实现愿望了,而是打开手机App,直接给天上的星星发消息,告诉它你希望它做什么。当然,这些星星不是木星、火星,也不是天狼星、比邻星,而是我们的人造卫星。

        全球首颗软件定义卫星“天智一号”日前在酒泉卫星发射中心成功发射。它最与众不同的地方,就是搭载了不同任务应用的App,如可用手机访问的“追星”App,公众可以通过App查看卫星状态,甚至有可能通过App指挥“天智一号”执行不同空间任务。

        “天智一号”的升空虽只是一次技术验证,却意味着一个历史性的开端:卫星应用迎来了万众参与、大众创新的崭新时代。

        ■本报首席记者 许琦敏

        “天基智能”有多酷

        在天上转悠的“天智一号”,每天上午九点到十点、下午四点到六点会途经我国境内,科研人员就通过位于西安的测控中心,接收它发回的信息,并将新指令发送给它。

        听上去,这一切与“天智一号”的前辈们所经历的并没什么区别,但实际上却有着相当不同的内涵。

        “天智”的名字源于“天基智能”,寓意微小卫星将从此“智能”起来,就像地面上的很多电脑、电器一样,可实现即插即用、实时数据处理、更新应用软件、加载不同任务等更多功能,如同功能手机迭代为智能手机。

        怎样理解呢?“这要与传统卫星对比着来看,才能感觉到其中划时代的不同。”中国科学院微小卫星创新研究院微纳卫星研究所“天智一号”卫星总负责人张科科研究员说,传统卫星是一个“一卫星一任务”的封闭专业系统:国家提出一个特定的任务需求,通过发布项目完成相应设备的研制,组装成卫星,由火箭送上太空轨道。卫星在轨道上完成既定任务,直到寿命终结。在短则几个月、长则十几年的过程中,地面工作人员只能接收卫星数据,发送一些既定的操作指令,如果想改变卫星用途,几乎没有可能。

        2011年起,中国科学院开始了新一轮技术试验卫星的研制。“技术试验卫星和执行任务的卫星不同,它们需要根据试验进展,不断修改后续任务。”张科科说,也由于大量新技术和高性能处理器的出现,使得卫星上的计算能力大幅提升,通过软件应用来给卫星下达各种新任务成为可能。“现在‘天智一号’卫星上所采用的多核处理器,比传统卫星的数据处理能力足足提升了100倍,原本每秒只能处理二三十条指令,现在每秒可处理3000条以上。”

        这会带来什么好处?原本需要卫星传到地面再处理的数据,可以在星上先处理好再发到地面了。举个例子,如果卫星拍了100张图,其中80张有云遮挡,属于废片,通过星上计算机处理判断后就可以直接剔除,只需将有用的照片或缩略图传到地面,这可以减少80%的无效数据传输。由于我国绝大部分地面基站都在国境之内,提高卫星数据传输效率,在卫星与地面通信带宽并不十分“宽裕”的情况下,真是非常实用的好技术。

        “目前,利用‘天智一号’携带的相机,我们可以让它对天、对地、对远、对近、对点、对面的不同目标进行拍摄。”张科科说,入轨过程中,“天智一号”拍下了星箭分离的过程,蔚蓝的地球在视场徐徐划过,带有国旗标志的火箭末子级清晰可见;进入轨道后,它又执行了对地面的遥感任务;接下来还准备让它拍几张宇宙深处的星空照。至于还能再拍点啥,有待大家一起来开脑洞。

        卫星对公众不再神秘

        卫星正在进入一个平民化的时代。

        随着微小卫星、皮纳卫星的兴起,卫星的研制费用从过去动辄上亿元,下降到了千万、甚至百万元级别。比如,一颗立方星的大小就像普通的餐巾纸盒,但三四个、五六个组网起来,就有可能抵上一颗以往中小型卫星的功能。而且,当卫星变小、变轻,火箭一次发射十几、二十颗星,已不再是问题。

        随之而来的是,未来面向全球空间信息网络的卫星也将越来越多。有数据预测,未来五六年,全球将发射7000多颗卫星,组网卫星动辄上百颗的规模将成为常态。所以,现在国家提出“卫星必须在工作满25年后主动离轨”,腾出更多空间给后来者。“天智一号”的设计工作寿命只有半年,五年之内将会自动离轨,在大气中陨落。

        这又意味着什么?尽量用足这25年啊!让发射升空的微纳卫星发挥尽可能多的作用。张科科告诉记者,随着工业产品的性能和工艺的不断发展,现在一些成熟的商业元器件,只要符合航天应用要求,完全可以用到卫星上。于是,原先相对自闭环的航天工业体系,也将逐步向大众开放,商业航天让更多工业化产品和应用加入到航天工业中来。

        “这次,‘天智一号’上实现的多核处理器,其实就是把四个手机的主板拆下来重新封装,再结合四块高性能计算板,一起构成星上的云计算平台。”张科科说,采用这种做法的,他们是全球第一家。不仅硬件系统变得平民化,软件系统更要能让大众参与。因此,“天智一号”采用了Linux和安卓操作系统,大多数工程师对这两种系统都比较熟悉,可以有更多人参与到卫星的各种应用软件的开发中。

        2017年,中科院软件所主办了“软件定义卫星应用软件创新设计大赛”,其目的就是为了吸引更多民间高手来开发软件定义星的各种可能性。“开发者可为卫星开发软件,并可根据一定流程将开发的软件上注卫星,开展在轨试验。”据软件定义卫星技术联盟秘书长赵军锁研究员介绍,在“天智一号”接下来开展的一系列科学技术试验中,将择机安排上注部分软件定义卫星应用大赛中的优秀作品,开展在轨试验验证。

        据悉,“天智二号”到“天智十号”共17颗卫星已在规划中,“天智二号”预计将在今年下半年择机发射。

        未来逛“航天应用商店”

        “‘天智二号’是一颗可进行无线电软件定义的卫星。”张科科介绍,这样卫星就具备了多模式、多频和多功能通信能力,可以便捷传输不同的图像、视频、语音、文本等数据。随着软件定义系列卫星的发射升空,将会打开更多的应用开发空间。

        目前,围绕软件定义卫星,已经成立了一个技术联盟,拥有100多家成员单位。除了传统的航天单位、科研院所外,商业航天公司、相关投资商以及供应链厂商等,占据了联盟中约一半的席位。“就像现在的智能手机应用商店里,有各种功能丰富的应用软件,我们今后也希望航天应用也能发展起一个类似的商店。”张科科说,软件定义卫星的划时代意义,就是让卫星走下了神坛,进入了平民时代,商业应用的介入,今后将使普通人也有机会利用卫星来完成自己想做的事情。

        当然,卫星应用平民化,可能会涉及软件的安全性与合法性问题。“让卫星变得开放化、智能化、网络化,肯定要有一整套制度保障,才能使大量指令能够有序、高效、安全地运行。”张科科说,目前要上注卫星的指令,还必须通过审核和相应流程,根据卫星任务的进度来安排,肯定做不到让用户随时发送指令。毕竟,“天智一号”上只搭载了一台可见光遥感相机和四部手机,能够做的事情相当有限。不过,随着今后这类“通用型”卫星越来越多,就像计算机、网络一样,也会需要防范黑客攻击、病毒入侵。他相信,一个全新的开放式卫星网络产业生态,将会在未来几年逐步形成。

        微小卫星:太空探索新方式

        “天智一号”重量约27千克,属于微小卫星,具有高集成、低成本、模块化、智能化、开源化等特点。它采用中科院微小卫星创新研究院商业化卫星平台,在该平台上,卫星功能模块能够像搭积木一样组合拼装,实现卫星平台的快速集成。

        近年来,全球微小卫星的发射数量在快速增长,呈现出两个发展趋势——

        微型化

        卫星的体积和重量正在朝微小型方向发展。去年8月,三颗微型卫星——“立方星”从国际空间站释放到轨道。目前,共有800多个立方星在轨道运行。它们大都由手掌大小的模块构成,边长约10厘米,重量在1千克左右。

        航天领域一般把重量在1000千克以下的人造卫星称为“微小卫星”,其中又分“小卫星”(100-1000千克)、“微卫星”(10-100千克)、“纳卫星”(1-10千克)、“皮卫星”(0.1-1千克)。

       

        不久的将来,越来越多的卫星体积可能只有1立方毫米,却能装下几百万个晶体管和盐粒般大小的“大脑”。这些皮纳卫星重量越轻、体积越小,发射所需的费用也就越低。

        星座化

        和传统卫星一颗星执行一项任务不同,微小卫星将组成卫星星座编队飞行,它们不但具备单颗大型卫星的同等能力,在覆盖性、时效性等方面更具优势。

        我国计划于2020年发射的引力波暴高能电磁对应体全天监测器(GECAM),将由两颗微小卫星组成。目前规模最大的卫星星座由几十颗卫星串在一起。例如,全球定位系统(GPS)卫星星座大约需要30颗作业卫星才能有效覆盖全球,眼下,GPS还在努力增加卫星的数量。

        日本北海道大学和东北大学与其他组织合作,计划在2050年前将50颗微型卫星送入太空,监测自然灾害的后果。美国太空探索技术公司(SpaceX)计划发射1.2万颗小型卫星来建立天基互联网  “星链”,该网络最早可能于2020年开始运行。通信公司OneWeb的目标是通过600至2000颗小型卫星组成的星座,向全球提供廉价的互联网服务。

        在卫星星座中,每一颗卫星的仪器一起工作,就如同运行在一个大得多的平台上一样。未来,卫星星座还可能像神经网络或人工智能一样运作,具备自组织、可变形、自学习,以及同时感知大范围空间能力等卫星群体属性。

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