首颗配“大脑”卫星升天拟解决在轨计算难题

2020年起，全球卫星产生的数据量，首次超过卫星传输的数据量，大量数据迫切需要在轨计算处理，卫星亟需实现“智能化”。卫星要步入智能时代，如何克服重量和体积限制，搭建在轨计算平台？如何让精密的计算模块克服严苛太空环境？本期科技能见度为您解答。

从无到有

“天算星座”打破在轨计算壁垒

自1957年太空中升起第一颗人造地球卫星以来，如今太空中的卫星已超3000颗。每一颗在太空中正常运行的卫星，都会产生大量的数据。可传统的卫星都缺乏运算的“大脑”，它们只会记忆，不会运算，需要把海量的原始数据传输回地面中心处理，因此占据大量资源。

当卫星拥有了自己的“大脑”，能够在太空中计算处理数据后，会发生什么样嬗变？近期发射的“天算星座”试验卫星“宝酝号”，或许能提供一些答案。

“天算星座”是什么？天算星座首席科学家、北京邮电大学教授王尚广教授介绍，“天算星座”一期包括2颗主星、2颗辅星及2颗边缘星，由北京邮电大学深圳研究院与天仪研究院共同发起，华为云是首批共建单位，预计2023年完成星座整体建设。王尚广认为，“天算星座”建成后，将成为我国卫星领域的一支重要力量，也将作为全球卫星网络科技创新基地之一，应对世界科技变革。

结合6G核心网系统、卫星边缘计算、星载服务能力开放等任务，“天算星座”也拥有自己的小目标：用6G核心网来管理卫星——为中国构建智能化综合性数字信息基础设施开展前期探索。

什么是6G核心网？据了解，传统的5G网络是陆基通信为主，而6G网络则是面向空天地海一体化的通信架构。“6G不仅仅包括陆基，还有海基、空基、天基。”王尚广分析，“天算星座”提出的‘将地面核心网部署在卫星’这一突破性尝试，将是未来6G的发展方向。

资料显示，“宝酝号”属于标准的立方星：重约20kg，体积仅有12U（0.012立方米）。“宝酝号”实现了在轨计算上“零的突破”，是全球首颗具备云原生与边缘计算能力的智能卫星。

研发团队根据卫星设计要求，对计算平台上的基础软件、应用软件、搭载软件等进行了优化设计，优化内容包括在轨计算时间分配和资源调度，并对计算平台整体进行轻量化“瘦身”，最终大幅减少了程序运行的资源消耗，让在轨计算成为了可能。

利用云原生边缘计算技术，卫星在太空中先对数据进行计算处理，可减少大量传输压力，实现“业务上天、服务在轨”，满足航空航天领域多样化的需求。

以通信、遥感为代表的传统卫星，只有储存能力，只能将存储的数据回传到地面，不具备星上处理能力。此次“宝酝号”上搭载的“天算星座”计算平台载荷，包含由华为云主导并开源的云原生边缘计算平台KubeEdge，可实现卫星在轨计算处理：KubeEdge和它的边缘AI子项目Sedna为“天算星座”提供统一的资源以及应用管理，提高分布式应用协同能力和在轨AI推理能力。结合北邮开发的卫星网络系统、基础通信组件，还可为空天实验提供按需使用的计算能力。

王尚广认为，云原生边缘计算平台的出现，有效降低了空天计算的实验门槛，使得天上卫星的管理，像地面服务器的管理一样简单，“地面鼠标点点，天上卫星颤颤”。

应对高温、高能粒子威胁

“天算星座”如何克服严苛太空环境？

设计、开发、测试、再设计、再开发、再测试……“宝酝号”从实验室到最终卫星成型耗时超半年，全程更是克服了重重困难，“需要保证这其中每个项目环节不能出丝毫差错。”王尚广说。

卫星进入太空以后，首先需要面对因真空而产生的温度问题。王尚广说，真空意味着没有导热介质，卫星也就无法像在实验室里一般，利用空气散热。如果不控制热量，卫星内部积热过多，将严重威胁卫星整体以及各类零部件的安全。与此同时，因为昼夜温差以及太阳朝向的不同，卫星对着太阳的一侧温度较高，背对太阳的另一侧温度较低，环境一般温差高达±100℃。极热与极冷的环境之下，卫星还要同时考虑散热以及保温的问题。

为了解决这些问题，“天算星座”首先严控任务计算时间，防止载荷过热。然后在计算平台上加入热设计的考量，并在不同零部件中使用特定材料，利用热辐射把热量导走。

“除了在卫星内部CPU使用铝板导热外，我们还在卫星壳体和元器件外部安装隔热材料，涂抹高发射—吸收比值或低发射—吸收比值的涂层。”王尚广介绍，他们还利用导热板将热量从温度高的一面导到温度较低的一面。

高能粒子对卫星的威胁也不容忽视。研究发现，宇宙中的单个高能粒子射入半导体器件灵敏区，会使器件逻辑状态翻转：原来存储的“0”变为“1”或者“1”变为“0”，从而导致系统功能紊乱，严重时会产生不可挽回的影响。“外太空的高能粒子可穿透卫星本体，导致单粒子翻转。于是额外的冗余备份也很关键。”王尚广说。

1988年，风云一号A卫星（FY-1A）在太空中遭遇了强烈的太阳高能粒子“攻击”，单粒子翻转引起仪器错误，最后导致姿态失控。这颗极地轨道气象卫星，仅工作了39天就发生故障并最终失效。

为了避免单粒子翻转造成恶劣影响，“天算星座”采用了软硬备份的双重保护措施，通过增加冗余备份，设立“数据替身”，保护卫星免遭高能粒子“攻击”。

“给卫星装APP”

防灾减灾响应缩短至1小时

王尚广介绍，过去的卫星在研制时就有相应的任务，发射升空之后也只能完成特定任务，“有了云原生后，基于云原生的环境，我们可以在卫星上实现服务生成、更新或应用上注，将原来的任务A，升级或变更为任务B任务C。”

王尚广解释说，当卫星有了云原生边缘计算平台KubeEdge之后，科研人员可以在卫星上构建一个对所有资源进行统一管理的环境，像手机一样可以装各种各样的APP，分门别类用于环境监测或是科研实验，“以往的卫星就像老款手机只能打电话，做不了其他任务。有了云原生后的卫星就像现在的智能手机，可以安装各种APP和软件，功能更强大，也就是智能卫星。”王尚广说。

王尚广举例解释了智能卫星的应用：过去发生洪水时，需先在地面将“拍摄灾区图像”的指令传输给卫星，卫星再将拍摄到的影像回传。待卫星将影像回传后，地面再统一进行云检测和水域提取，到最终生成监测报告通常需要1天。“我们分析了回传的数据发现，很大部分影像都有云层遮挡，是没有用的，但由于卫星没有筛选处理能力，所有的数据还是要传到地面才能进一步应用。”王尚广说，“因此卫星的在轨计算功能是迫切需求”。

当卫星有了云原生边缘计算能力后，卫星可以在轨进行AI推理，将被云层覆盖超50%的低质量图像数据丢弃，减少传输无效数据，降低传输压力。有效图片回传后，在地面再利用高精度AI模型进行运算，进一步缩短影像预处理、水域提取、监测报告生成的时间，最终生成监测报告只需1小时左右。

智能卫星的投入使用，将给防灾减灾领域带来巨大变革。除了将应急响应时间从“天级”降低到“小时级”外，卫星边缘任务还可按需更新，通过在轨AI推理，比较暴雨前后图片，推测山体坍塌风险，提前预判地质灾害隐患，并发出预警。

据了解，此次华为云的云原生边缘计算在太空成功验证后，将继续部署“天算星座”一期的6颗卫星，在太空中形成协同计算网络，更好地服务航空航天、应急通讯、生态监测、防灾减灾和城市建设等。