从“遥不可及”到“触手可得”再到“‘星’随我动”

发布日期:2019-09-03    作者:南南

  2015年是最为公认的商业航天元年,以2015年10月7日中国首个商业遥感卫星“吉林一号”发射成功为起点。自此,中国商业航天正式启航,从“翎客航天”的第一笔815万投资开始,迅速发展壮大起来,孕育了蓝箭航天、星河动力、空天动力、零壹空间、星际荣耀、深蓝航天、九天微星、银河航天、微纳星空、千乘探索、国星宇航、天仪研究院、珈和科技、零重力实验室、宇航智科等几十家商业航天公司,迅速为中国航天以及军民融合事业注入了新的活力。

星空的遥不可及


  在2015年中国商业航天兴起之前,航天器只是少数人能够接触到的高科技领域产品。高深莫测、深奥神秘,确确实实给人一种仰望星空遥不可及的感觉。卫星能干什么、卫星如何工作、卫星数据如何传输、地面如何管控,也同样只是少数国有单位和专业机构能够干的事情。更谈不上数据如何应用,进而服务于普通大众的日常生活。
  此前普通消费者对卫星本身的了解仅仅限于了解导航卫星有GPS,北斗,伽利略,通信卫星有铱星通信星座,遥感卫星有快鸟、GeoEye、Landsat、高分系列等,不少人还会关注一部分科学试验卫星如天宫、国际空间站等。
  为了满足普通大众对卫星的了解,很多与卫星位置相关的软件孕育而生。这些软件的名称和简介如下所示:

  这些软件有一个共同的特点,都是从地面看天空,从地球上任意一个位置查看头顶上方有哪些航天器、天体、过顶的时间是什么,可以观测到的方位是什么。这个阶段的软件我们称之为WHAT CAN I SEE(我能看到谁)的应用软件阶段。航天、天文爱好者通过这种方式能够观测到他们所关注的航天器,例如观测跟踪国际空间站的过顶时间,测试无线电卫星的上行和下行链路,调整地面天线的角度接收射频信号等。
  其中VSAT卫星跟踪软件是太空网ViaSpace的软件产品,也是中国第一个全功能版WHAT CAN I SEE(我能看到谁)类型软件,他的一个特点是囊括了目前几乎所有的公开在轨卫星数据库,而且可以使用语音、AR等技术手段查看我们头顶上方的航天器和天体。
  在这个阶段,虽然我们有不少应用的软件来解决一些实际应用的需求,但大多数都是远距离看看,不真操作,天上的航天器依然对我们遥不可及。

卫星数据的触手可得


  自商业航天元年的开始,国家级高分系列卫星的陆续入轨投入使用。我国也进一步加强遥感卫星数据政策的制定和推广,加大了数据开放和共享的力度。在此之前,卫星遥感数据,无论是可见光、红外还是SAR卫星图像产品,很大程度上依赖数据进口,依赖国外的卫星。卫星数据价格昂贵、时效性低。
  幸运的是,这是一个最好的时代,近几年由于商业航天公司的兴起和国有航天企业的投入,成功发射新增加了上百颗能够应用于商业领域的卫星。
  吉林长光卫星公司的吉林一号遥感星座是最具代表性的商业遥感星座。2015年发射4颗卫星,2017年又发射4颗卫星,2018年继续发射2颗,目前共计发射了10颗卫星,涵盖高分辨率遥感卫星,视频遥感卫星。吉林一号星座设计目标是全球任意地点10分钟重访能力。
  欧比特公司的珠海一号是另一个成功的商业卫星星座,目前已经发射7颗卫星,2019年9月即将要发射4颗高分辨率遥感卫星和1颗视频遥感卫星。
  天仪研究院的潇湘一号卫星星座前两天也成功发射了其星座的第七颗高分辨率遥感卫星,在轨卫星数量达到了12颗。

  这些卫星的加入,增加了对特定区域遥感图像、视频的数量、提高了时效性,使得卫星遥感数据触手可得。这样大众用户使用不同卫星类型传感器、不同分辨率的遥感数据应用也变得更加便捷。这些高分辨率,高时效的卫星数据可以满足国土资源监测、土地测绘、矿产资源开发、智慧城市建设、交通设施监测、农业估产、林业资源普查、生态环境监测、防灾减灾以及国防军事等方面的需求。
  为了能够解决上述需求,软件的研发则进入到另一阶段WHO CAN SEE ME(谁能看到我)。目前这样的软件并不多,其中一个是国内ViaSpace太空网出品的叫做WhoSpyMe,另一个是国外Orbit Logic公司的SpyMeSat。他们共同能够解决的问题是,对于地面的任意目标点,在任意时段内,计算分析哪些卫星以及传感器能够观测到它。当然这里的观测不是简单的人眼的观测,也不是空间距离的通视,而是卫星的传感器观测,传感器需要考虑可见光与雷达的不同,要考虑不同分辨率,不同幅宽、不同的光照条件和观测方位角仰角的限制。

  其中太空网ViaSpace的WhoSpyMe(谁在监视我)App比SpyMeSat具有更加灵活的卫星资产以及传感器类型,更加智能的定义观测时段,更加方便的设置卫星传感器的拍照约束。最大一个特点是,WhoSpyMe不仅支持固定位置点的卫星拍照分析,还支持运动目标的拍照计算分析。
  举个例子,如果一架飞机从北京飞往上海,在整个航路1个多小时的飞行过程中,考虑天上有多少颗不同卫星的传感器可以动态的拍摄到这架飞机,可以通过这个App迅速计算分析得出结果并能以图形和动画形式展示给用户。更进一步,这些卫星拍到的遥感图片,也可以通过软件第一时间下载到用户手机中进行查看、数据提取以及分析。
  软件不仅可以分析普通高分辨率图片还可以分析类似吉林一号视频卫星下传的数据,如下图所示:

  这些优秀的商业航天公司以及优秀的卫星软件公司,他们做出的贡献是巨大的,第一次真正让卫星离我们如此的接近,真正实现的卫星数据的触手可得。

卫星软件的“星”随我动


  2019年虽然过去了三分之二,剩下的几个月依然是商业卫星发射的高产月份,卫星数量不断增多,各个低轨星座不断完善。亲爱的看官,你以为这就结束了吗?No, No, No,这恰恰是一个卫星新时代的开始。
  今年3月20日,美国洛克希德马丁公司公开了其研制的新一代太空技术“SmartSat“技术,这是一种叫做软件定义卫星技术架构。并将于2019年内发射10颗微小试验卫星。这些微小卫星有如下特点:

  可调通信带宽、波束范围可调,卫星采用高性能多核处理器,星上处理数据能力激增,灵活结构、制造时间周期很短。
  借助该项技术,用户可以通过软件推送功能向卫星添加新能力并分配新任务,就像在智能手机上添加应用程序一样。SmartSat将为卫星提供超凡的灵活性以改变任务需求与技术,并极大提升卫星的在轨处理能力。
  无独有偶,由中国中科院软件所牵头成立的软件定义卫星技术联盟也是这项技术的开拓者和创新者。2018年11月发射的天智一号卫星能够通过地面上注管控App,实现卫星利用星上时间和历史导航数据进行自主定轨,从而更加聪明的在轨运行。
  天仪研究院和银河航天的小卫星研制过程也同样运用了这种先进的技术框架。以非常快的速度把卫星当作计算机或者是小汽车造出来,所有的软件系统全部放到天上在轨注入,在轨测试,在轨迭代。这样不但节省了研制周期、研制经费、还能迅速的修改卫星的故障问题、改变卫星的功能。
  软件定义卫星技术的出现,让作者突然想起十多年前的卫星运管工作经历,从测控站回传的数据经过解码传到运管中心,运管中心对这些数据监测、分析。当遇到故障时,排除故障的自由度很小,受制于卫星上传指令的有限能力。因此为了保障卫星在天上万无一失,地面的测试费时费力。
  现在像天仪研究院这样快速制造卫星的企业,这种短周期的能力已经成为了现实。这要归功于卫星技术的发展、芯片技术、通信技术、软件技术的不断创新。使得现代商业航天企业有能力让新型智能卫星自主导航、自主诊断故障、自主能源管理和自主任务规划,让新一代的测运控技术支持天地一体化网络和卫星应用。
  软件定义卫星技术给卫星制造业带来的新的血液,同时也给卫星应用产业带来了新的要求。人类制造卫星的目的,到最后还是卫星应用,服务客户,服务大众。
  目前航天类应用软件还是处于产业链下游,有什么样的卫星用什么样的卫星,有什么样的图像用什么样的图像。未来随着卫星数量的增多,卫星可控能力的增强,卫星星上App的安装权限回归用户。航天应用软件的发展阶段也将从WHAT CAN I SEE(我能看到谁)WHO CAN SEE ME(谁能看到我)升级到 HOW CAN SEE ME(如何看到我)的星地互动软件。航天类应用软件将不再是产业链的末端,而是一个涉及星上APP软件、星地传输软件、地面端应用、手机端应用的星地互动软件生态。

  制造和发射卫星已经不是一件难事,如何控制卫星,让卫星心随所动是一件特别有挑战的事情。前几天美国总统特朗普在推特上发布的伊马姆·霍梅尼太空中心卫星影像就说明了这个问题的重要性。

  很多人关注在卫星影像的分辨率上,其实分辨率只是一部分内容。问题的关键在于如何通过软件控制卫星、调整轨道预先“蹲点“监视某个区域,这说明了软件如何控制卫星才是其最为核心的问题,也是未来卫星发展的趋势。
  设想有一天我们能够通过手机来调动一颗微小卫星查看自家门窗有没有关好,或者调动卫星查看一下某个旅游景点的景色,而且只需要支付很少的费用,是不是也是一件很让人激动的事情。
  航天器的发展,从遥不可及到触手可得再到心随我动,不仅给卫星制造和软件研发提出了新的要求,同时也给予了我们无限的应用想象空间。


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