中科院研究員秦日安：“天智一號”軟件定義衛星開啟衛星智能化時代
當一顆衛星變成一部安卓手機，程序人人可寫、軟件人人可用，你能想象嗎？2018年11月20日7時40分，全球首顆實際開展工程研製並發射的軟件定義衛星——“天智一號”在中國酒泉衛星發射中心搭載成功發射，為推動傳統衛星向智能衛星演化邁出了第一步。
文| 北京 秦日安
2018年11月20日，中國在酒泉衛星發射中心以“一箭五星”方式，用長征二號丁運載火箭成功將試驗六號衛星及天平一號A星、B星、嘉定一號、軟件定義衛星等4顆微納衛星發射升空，衛星均進入預定軌道（圖：中新社）
更智能：數據處理從地到天
“天智一號”是中國規劃“天智”系列的首顆技術驗證星，所謂“天智”取自天基智能，是中國人工智能發展的第三階段。智能，正是“天智一號”有別於其它衛星的最大亮點和特色。
“天智一號”整星重約27公斤，運行在500公里高度的太陽同步軌道。它的主要載荷包括，一個小型雲計算平台、一台超分相機和四部大視場相機。
其中，“天智一號”所搭載的雲計算平台能耗低、計算能力強，能在太空嚴酷的環境下根據成像場景自動選擇最佳的工作模式和參數，並將獲取的數據直接在“天端”進行計算和分析，再根據需要將處理結果傳輸到地面的測控站點或應用端。雲計算平台猶如賦予了衛星一個智能化大腦，將傳統的衛星數據處理從地面轉移到了天上。
為什麼要這樣做呢？在天上處理數據是不是更麻煩呢？其實不然。
傳統情形下，衛星在天上採集的數據需要下載到地面站，由地面站分析後給出可使用的結果。這些數據的上行、下載和再分析等環節會耗費大量時間，難以適用於有實時要求的場景。
比如，假使衛星拍到了我國商船在亞丁灣遭遇索馬里海盜的圖像，它需要花幾個小時過境到中國上空才能把數據下載到地面站，等地面站處理完數據再發送至相關部門時，那些海盜們很有可能早已“滿載而歸”了。所以，這也體現出了目前的衛星系統所普遍存在的信息分離和服務滯後等問題。
“天智一號”的出現，將極大改變傳統衛星的數據處理方式並大幅縮短數據處理所耗費的時間。省時又省力，這不正是智能化給人類生活提供的最大便利嘛。
更開放：
普通程序員可為衛星寫軟件
傳統衛星按應用劃分，主要包括通信、導航、遙感等類別。衛星功能的單一，使得各成體系，各星使用的硬件不同，各星數據也無法共享，協同劣勢明顯。直觀來說，傳統衛星是一個硬件不能直接互換、軟件不能直接複用的封閉系統，因此其研製模式一般都是“為特定任務定製衛星、為特定衛星定製載荷、為特定載荷定製軟件”。
然而，正是傳統衛星的封閉性弊端，催生了“天智”衛星的誕生。“天智一號”是由中科院軟件所牽頭，中科院微小衛星創新研究院、航天九院771所、中科院光電院等單位參與研製。早在2003年，中科院天基綜合信息系統重點實驗室最初的主要工作是處理衛星相關的數據，當時實驗室人員在工作中發現大部分衛星軟件複用性差，為一個衛星研發的軟件到了另一個衛星上沒法直接用，還要做大量針對性修改和測試，於是便萌發了研製軟件定義衛星的想法。
“天智一號”作為中國第一顆軟件定義衛星，採用開放型軟件系統架構，有效解除了傳統衛星軟硬件之間的緊耦合關係，從而實現軟件動態化、最大化，硬件模塊化、最小化。
這樣一來，雲計算平台就好比安卓的平台，開放的軟件系統將為這一平台賦能。自此，“天智”衛星將突破以往衛星的單一功能格局，各類豐富的軟件應用可在平台上不斷更新迭代，令衛星可按需重構，成為一個多面能手。
“天智一號”的開放還不止於此。對所有人、尤其對廣大懷揣喬布斯夢想的程序員來說，“天智一號”將為他們創造書寫衛星的機遇。為此，“天智”研發團隊正在抓緊搭建“天智星雲”開放式軟件開發平台。未來，程序員們只需登錄雲端賬號就可為衛星編寫程序，並可根據一定流程將開發的程序上注衛星，開展在軌試驗。
為了集思廣益、為“天智”“眾籌”最具創新性的軟件應用，中科院於2017年主辦了“軟件定義衛星軟件創新設計大賽”，一款簡化衛星運維系統、降低衛星應用成本的應用勝出。今後，中科院還將繼續舉辦此類比賽，更多的創新應用將登上“天智”衛星經受太空檢驗。
“天智一號”衛星發射前在地面進行測試（圖：中新網）
更共享：人人都可成為“追星者”
對大多數人來說，無論衛星、火箭、飛船或是國際空間站，這些太空活動費用都太過“高昂”而觸不可及。所謂“高昂”，首先是指昂貴的物質成本。僅就衛星而言，目前衛星的平均造價約為每公斤20萬元；運載發射的費用就更高，一千克物體的發射費用等價於一千克黃金；衛星上天運行時還需要繼續投入大量的人力物力成本來實施遠距離測控。另一種“高昂”，當然就是指高精尖的專業科技知識了，畢竟能被稱為航天科學家或是航天工作者的都是學霸。
所以，如果有一天，當一個普通人也可以與衛星建立直接聯繫，那必然將是對人類太空發展史的一個重大突破。“天智一號”正是開啟這扇大門的鑰匙，共享衛星的時代已經到來。
既然“天智一號”的程序人人可寫，那麼這些成功上天的應用也將供人人使用。舉個例子，屆時普通大眾只需下載“追星APP”，就可以在手機上查看“天智一號”的實時狀態，甚至還能與之互動，在“天智一號”空閑的時候，指揮它執行“太空自拍”等空間任務。
2018年11月30日，“天智一號”在進入預定軌道10天後，即成功通過其搭載的“星箭分離成像APP”和“對地成像APP”，向地面測控中心發回了兩個它所捕捉的太空視頻，效果良好。接下來，除了完成既定的在軌科學技術試驗外，“天智一號”還將擇機上注更多的軟件應用開展在軌驗證。
為了進一步豐富用戶的應用選擇，“天智”系列衛星還將推出專門的“航天應用商店”。這樣一來，衛星、開發者與用戶之間將形成一個完整的航天生態鏈。從某種意義上來說，“天智”的開放與共享將推動航天領域的市場化發展變革，這意味著一大批獨立的衛星軟件公司或將誕生。
實際上，“天智”研發團隊的初衷並非為了單純向太空發射衛星，而是要最終建設一個猶如手機安卓系統一樣的天基智能系統sputnix。屆時，“一星一功能”的傳統開發路徑將被打破。只需為衛星開發和上注不同應用，它就可以執行不同任務。衛星的研發成本和周期都將大幅縮減，效能得到最大發揮。
“天智一號”於2015年8月開始預研，2017年獲中科院重大科技任務局正式立項啟動，2018年11月發射成功。目前，已經規劃的“天智二號”至“天智十號”共17顆衛星（部分為衛星星座）將在未來5至8年內陸續發射。其中，“天智二號”的論證和研製工作已經啟動，預計將於2019年下半年擇機發射。
（作者係中科院研究員）
本文發表於《紫荊》雜誌2019年1月號
責編：莫潔瑩、趙珊
編輯：周琦、李倩妍、史帥