“天智一號”下半年將升空

帶著“大腦”上太空能干這些事

本報記者 張佳星

人工智能可利用的數據有哪些？社交數據、棋譜、詩歌、病歷……和它們比起來，有一種數據會將人工智能的高度拉升至寰宇，那就是衛星采集獲得的數據。

4月9日，央視發布消息，中國第一顆軟件定義衛星“天智一號”預計于下半年在酒泉衛星發射中心搭載發射升空。

“天智”即天基智能，“天智一號”的與眾不同之處在于其搭載了一個小型的云計算平臺。衛星項目牽頭單位之一的中國科學院軟件研究所研究員、軟件定義衛星技術聯盟秘書長趙軍鎖在日前召開的軟件定義衛星高峰論壇上介紹，云計算平臺可將獲取數據在“天端”進行計算，“它還可以調用其他計算節點，根據任務需求合理配置計算節點，進行智能計算”。

“人工智能時代，對地觀測衛星要長一個‘大腦’。”中國科學院院士、中國工程院院士、武漢大學教授李德仁說得更形象。他表示，如果建成了“天腦”，衛星數據的應用將可能在手機上接收和操作，到時衛星數據將成為大眾唾手可得的數據。

高性能計算，讓數據處理從地到天

“舉個例子，當我們的海軍在非洲巡邏遇到海盜時，衛星拍到圖像，但它過境到中國上空要花幾個小時，再下載數據到地面站，等地面站處理數據發到海軍時，海盜的船已經走了。”李德仁認為，現在的衛星系統存在系統孤立、信息分離、服務滯后的問題。

反應遲滯之外，效能不高也是當下衛星系統的普遍情況。中國工程院院士、西安電子科技大學教授楊小牛說：“衛星在天上飛來飛去，效能其實并不高，每天大約10分鐘時段內采集到的數據是地面需要的。此外，我國現有的通信、導航、遙感衛星各成體系，每個衛星只擔負一類功能。”

據介紹，衛星目前的平均造價約為每公斤20萬元，隨著中國航天商業化市場的逐漸開放，航天領域開始走上市場化探索之路。“成本”與“產出”這對市場的關鍵要素，開始調動起航天產業內各方力量，讓高居于寰宇的“人類之眼”發揮最大效能。

目前，衛星的運行和數據的下載再分析都是耗費大量時間的環節。為解決這一問題，李德仁提出了從對地觀測衛星到對地觀測腦的應對思路。

李德仁認為，目前的人工智能技術水平越來越高，與地球空間信息科學融合進而完成3件事，即“地球空間信息海量數據的獲取、智慧空間數據處理與挖掘、地球空間數據驅動應用”。這與人工智能獲取信息、深度挖掘和作出反應的3大階段步調一致。

數據的處理將從“地”轉移到“天”。“衛星上的相機和智能處理系統就能將所有的影像快速處理、提取有用的信息并驅動相應的應用。”李德仁說。

在這一系統的概念圖中，一個虛擬的“天腦”高懸于地球上方，被稱為“高性能計算單元”，它在接受地球的上傳指令的同時，通過綜合計算“眼”(遙感、導航衛星等)、“耳”(通信衛星等)捕獲的信息進行智能分析，將分析結果下傳到地球用戶。

“空中飛艇或飛機捕捉到的地球表面空間信息也可以加入進來。”在李德仁的構想中，該系統能夠處理星地協同數據，進行跨越天際的大數據挖掘、計算和判斷，而且能夠實現不超過分鐘級別延時的實時“智能”。

星上識別，比地面數據辨識更難

“我們此前負責過一個關于災害應急的科研項目，要求我們對無人機接收的圖像進行實時自動變化檢測，在災害發生后確定災害中心、災害強度、損毀情況等為救災和災后重建提供重要依據。”李德仁說，該項目的應急響應時間從小時級縮短到了分鐘級，為災后“黃金救援”爭取到寶貴時間，這種自動檢測技術完全可以用在衛星上。

人眼捕捉圖像，人腦辨識變化，這個任務完成迅速，但讓人工智能了解人類的知識和判斷非常困難，尤其在弱人工智能階段。地球上的AI，經常被專家學者比喻成一個孩子，人類手把手教它成千上萬次，直到它們能得出與人類認知相似的結論。在圖像、聲音辨識方面，當下的AI技術發展迅速，尤其在圖像辨識方面，特定的識別領域已經做到了低于1%的誤識率。

但星上識別要遠難于地面的數據辨識和分析。

為此，我國學者進行了大量的有益嘗試，例如通過高分衛星獲得圖像，直接輸入“立交橋”等字樣可以實現實時定位與成像。“在技術上，這涉及星上高精度實時幾何定位方法、星上數據的智能壓縮方法、變化檢測及建模等關鍵問題。”李德仁說。

與地球上的AI一樣，星上AI同樣面臨數據基礎的獲取問題，目前的星上數據無法共享共用，通信、導航、遙感衛星各成體系。“部門協同可能是最難解決的問題。”總參通訊部原副部長楊千里說得直接，衛星的單一功能，更多地是因為部門條塊之間分割很明顯。此外還由于不同任務的衛星應用著不同的硬件。楊小牛介紹，不同頻段的天線用于不同功能的衛星上，例如導航和電子偵察對抗的衛星使用的天線并不相同。此外，空天環境的高輻射、離子風暴、溫度劇烈變化等外在環境也對系統的穩定性提出了高難度的挑戰。

“天腦”雛形，邁出智能衛星演化第一步

“以前的相機，為了防止邊緣曲面變形，鏡頭越大越好。現在手機上的相機鏡頭很小，但也能拍攝寬幅的畫面。因為軟件的進步彌補了硬件的不足。”中國科學院院士、中國科學院軟件研究所研究員林惠民說，軟件定義衛星就是通過軟件“最大化”，實現硬件“最小化”，既能夠降低衛星的研發成本、也能縮短研發周期。

將于今年下半年發射的“天智一號”就是一顆這樣的衛星。“我們建立了一個開放平臺，鼓勵各個企業、單位為它研制適配的應用。”趙軍鎖介紹，這是一顆可以不斷更新軟件的衛星，與其他衛星不同，這顆衛星真的設有“航天應用商店”，人們還可以通過手機訪問它，給它下任務，并在手機上查看執行結果。

“天智一號”由中科院軟件所牽頭、中科院微小衛星創新研究院承擔研制和測試工作，主要載荷包括能耗低、計算能力強的小型云計算平臺，一臺超分相機和4部國產智能手機。太空中的嚴酷環境中，云平臺需要智能調配計算節點，響應地面的需求，對相機和手機采集到的數據進行計算分析，并傳輸到地面的測控站點或應用端。

為了豐富充實這顆衛星，中科院軟件所2017年主辦了“軟件定義衛星軟件創新設計大賽”，嘗試通過比賽引來創新應用，勝出的軟件將登上“天智一號”，在真正的太空獲得檢驗。一款簡化衛星運維系統，降低衛星應用成本的應用勝出。“在太空中，冗余和繁瑣的程度非常有限，這款軟件能夠提升衛星自動化運控能力。”獲獎代表廖翔表示。

此外，漂浮物等目標識別軟件、3維重構軟件等也將上星。軟件的應用有效降低了衛星的物理載荷，并使得“天智一號”有望成為一顆智能衛星。“通過軟件或是在地面訓練好的神經網絡模型，在軌實時執行一些智能任務，例如智能目標檢測識別、智能云判讀、基于強化學習的智能姿態控制等。”趙軍鎖說，這是全新的嘗試，雖然距離成熟的“天腦”還差得遠，但它是通過商業化的模式，推動傳統衛星向智能衛星演化邁出第一步。