▲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。

▲天智一号，全球第一颗软件定义卫星，27千克，2008年11月20日发射

“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。

▲神舟7号伴星，我国第一颗伴随小卫星，40kg，2008年9月25日发射

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。

▲光谱微纳双星，我国第一颗高光谱微纳卫星，43kg，2016年12月29日发射

“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。

▲具有大纵深快速轨道转移能力的太空转运车，可为多颗微纳卫星提供空间远距离运输服务。

“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。

▲多颗微纳卫星通过星间网络，构成一个功能强大的有机整体，可灵活搭载各种载荷、自主地协同开展空间任务。

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“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。

作者：许琦敏
编辑：朱颖婕
责任编辑：许琦敏

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