国产商业卫星不卡脖子，卡的是火箭复用 | CCF C³@航天宏图
杨净 发自 凹非寺
量子位 | 公众号 QbitAI
我国可重复使用试验航天器，在轨飞行276天后，近期成功着陆。
有感于技术突破的同时，也引发人思考：我国卫星互联网究竟发展到哪一步了？现在又有什么样的瓶颈有待突破？
前段时间，CCF C³走进航天宏图，以“星链互联，创新未来——商业卫星互联网时代的思考”为主题，邀请了多位专家学者以商业卫星互联网为基点，与现场近40位参会嘉宾共同探讨商业卫星、互联网赋能、算力网络等新理论、新方法，分享新进展、新成果。
在不改变原意的基础之上，量子位做了如下整理：
卫星技术本身不卡脖子，卡脖子的是火箭复用；
太空容下几万颗卫星不是问题，要设立规则；
未来每个人都能调用卫星资源，届时将像互联网一样实现应用场景的爆发；
马斯克批量化能力很强，目前遥感卫星成本在6、7000万左右；
6G业务将会上天，卫星将变成带翅膀的PC。
商业卫星互联网时代的思考
来自北京邮电大学计算机学院王尚广教授、360未来安全研究院卫星安全、太空安全专家郝经利、航天宏图卫星专家付兴科、航天宏图北斗专家张龙平以商业卫星互联网时代的思考为主题进行了探讨。
该论坛由航天宏图副总裁杨政军主持。
卫星技术本身不卡脖子，卡的是火箭复用
杨政军：抛出来第一个问题就是目前国内外发展的这个水平如何？国内目前面临哪些卡脖子问题？
王尚广：从整个卫星设计制造能力，我国不属于卡脖子，也不比国外差。第一颗卫星和第一台计算机出现的时间其实差不多，但卫星发展却面临着高门槛、高封闭以及高开销等挑战。我国很多卫星领域企业都实现了国产化替代。
那卡在什么地方呢？一个是高性能元器件，这是目前通用的挑战。
具体最卡的地方还是在火箭复用。我们一直想把卫星成本降下来。实际上卫星真的不贵，贵在快递，即火箭非常贵。所以有时候看到很多团队一起发卫星“拼车”共享火箭，才能将火箭成本降下来。
付兴科：现在我觉得国内主要面临三个问题：
第一，前段探索与后端应用没有形成合力，也就是高校与企业之间没有形成良好的转化。
第二，商业不考虑得失、承担风险是不可能的。像马斯克前段时间星舰爆炸，可以“为下一步积累经验”，放在国内就需要平衡得失的问题。当然这两年观念也在改变。
第三，核心器件或者关键零部件持续的攻关，比如王教授所说的火箭回收。
张龙平：航天宏图深度参与了北斗三号系统工程建设，在这里简单介绍下北斗的一些技术情况。
国家的北斗团队奋斗了26年，所以到今天非常自豪，北斗性能与GPS相当，功能还要更全面。甚至国外的星座，比如GPS、格洛纳斯或者伽利略星座，已经在学习我们北斗的一些技术，比如短报文通信、星间链路传输等。
未来北斗定位还需要解决很多技术问题，比如导航卫星地面信号增强、低轨星座增强，实现地面、室内、地下、海洋等特殊环境的协同定位等。
郝经利：马斯克之所以成功，核心技术在火箭回收，这也是目前卡脖子技术，星链反倒是它的副产品，你说它用来融资也好，毕竟最终目标是火星移民。
如果我国火箭回收技术达到可用程度，那卫星发射成本、卫星组网成本等都会大大降低，目前已经有单位在做这件事情，并有了突破。
此外卫星计算也很重要。马斯克星链采用工业级的计算配件，而非宇航级，导致它需要几乎每周更新软件和系统来纠错。这放在国内卫星企业几乎是不可能实现的。因为卫星要求的是高稳定、长寿命。如果经常更新的话会对服务、卫星稳定性造成很大影响。
太空容下几万颗卫星不是问题，要设立规则
杨政军：顺着刚刚郝总提到马斯克星链计划，对于计划中4.2万颗卫星，会不会造成严重的太空拥堵，从而威胁其他航空器？国际上是如何规范太空资源的滥用？
付兴科：容下几万颗大卫星不是问题，而是大家要有实际的规矩约束；正如当年北京有几万辆车，现在有几百万辆车一样，背后就是交通规则的约束。包括轨道资源、频率资源，只要遵守规则，我们就可以搞。
但如果4万颗不是问题，10万颗一定会是问题，对于中国来说下一轮得站得住。
王尚广：分两个方面来说。对外，传统太空观测的研究人员将会遇到很大挑战，以后一眼望去都是卫星。对内，正如刚才所说，不要觉得太空很小。
但太空物件多了之后确实会有很多问题，比如卫星撞击、太空垃圾。有数据统计，有记录的10cm的太空垃圾大概有20万个，太空其实没有想象中那么干净。
郝经利：我说下太空资源的问题，虽然刚才说太空很大，但很多卫星都集中在特殊轨道面上，以及卫星数量增加，导致碰撞风险加剧。
从侧面反应出太空霸权，马斯克星链卫星很大优势在于低成本、也不担心碰撞。近几年统计显示，每年太空碰撞预警排名第一就是星链。
未来规范管理到来之前，现在还是间接实行着先到先得的策略，当然现在国际上也正在探讨这个问题。
张龙平：如果这4.2万颗卫星仅仅做民用通信肯定没什么问题，但要去做其他事情，就会带来很大风险。目前大家担心4.2万颗卫星主要在两方面，一是怕碰撞，二是撞后碎片如何处理。
第一个问题，4.2万颗卫星不算多，就像付总所说，只要守规矩就可以避免。
第二个就空间碎片，一个航天器解体或碰撞可能产生数万个空间碎片。对空间碎片的监控、处理亟需解决。
目前很多卫星互联网数据在裸奔
杨政军：从无序到有序需要一定的规范和规则，卫星网络失控会产生极大的危害，目前国内是否有系统性规范和手段来防范这种风险？
郝经利：我一直在做这方面的研究，目前国内卫星网络安全有很大的挑战，很多通信卫星连加密都没有，换言之是裸奔的状态，还包括遥感卫星、光学卫星等都是这样的状态。
近几年也开始关注这些风险。未来卫星数据会呈现出大数据化，会有相应措施去保障国家卫星数据得到安全的应用。
付兴科：现在卫星整个大的领域，还都是基于所有人都是合作者的考虑。如果是非合作性质，情况近期就会比较复杂。但下一步就是卫星加密、数据加密肯定都是要做的。现在我们也在考虑通道加密的事情，但由于商业有时采用硬件加密的方式成本太高。
王尚广：我来补充下之所以有的商业卫星没有加密，有部分原因是目前加密没有必要。一是原来卫星少；二是卫星存在三高的问题：高门槛、高开销以及高封闭，一般人接触不到，本身其实相当于加密了，基本上原来民用不太考虑这种风险。现在大多了之后，相当于林子大了什么鸟都有，肯定需要考虑。
未来每个人都能调用卫星资源
杨政军：未来卫星互联网如何更好服务于普通用户，对普通消费者而言，他们能感受到什么样的变化？
王尚广：从两个角度来说，第一，手机直连卫星将很快会实现，估计最快就在今年年底。
第二，卫星对整个行业影响是潜移默化的，与我们衣食住行都有关系，只是分解到个人可能感知不到。但随着卫星数量增加、每个人都可以调用卫星资源时，就与大家关联很深了。
从互联网角度来思考，届时一定会爆发新的大规模应用场景，就像当年3G诞生微信、4G诞生抖音，只不过目前还处于早期的阶段。
付兴科：我期望卫星应用最终面向大众一定是无感的。就像大家使用手机，不会关注连了哪个基站。现在的天气预报、交通导航大家不会关注是那颗卫星做的。
当然也需要一部分专业用户去开拓场景，需要不同行业用户去实践验证、集思广益。接下来还会形成一类企业超级用户，对某些场景感知特别敏感，就像现在一些食品，会关注原产地的气象条件、土壤条件等。总之我认为这将是个很大产业。
郝经利：随着卫星产业壮大，最终目的还是以服务为主。无论遥感还是通信，其实都是给大众服务的。
现在服务层面可能还停留在专业用户，但我预计未来一定是面向大众化的，即每个人都能接触到、并应用到卫星的数据。就像当年谷歌推出谷歌地球一样。
比如像遥感，未来一个农民打开手机就可以看到农田农作物的状态，我觉得是个非常好的场景。
张龙平：我还是从北斗导航应用跟大家分享一下。目前北斗已经给老百姓带来了一些变化，最易被感知到三项服务：时间、位置以及通信。
像农机自动作业、车辆导航、渔船监管、测绘领域、金融系统里的授时等，其实都用到了北斗。
大家关心的手机，目前国内90%以上、全球50%以上手机都支持了北斗定位，还有前阵子“捅破天”技术突破，利用手机实现和北斗卫星的通信，这都是北斗大众应用的体现。
杨政军：好的，因为时间关系，我想随着业界的共同努力一定能推动产业快速发展，让普通民众能享受到我们商业卫星互联网的便利，这个Panel环节就告一段落。
付兴科：马斯克批量化能力很强，目前遥感卫星成本在6、7000万左右
此外，航天宏图卫星专家付兴科从企业的维度分享了「遥感卫星互联网商业发展考虑」的主题报告。
分享中主要介绍了航天宏图“女娲星座”建设布局及公司业务发展，并围绕“女娲星座”计划详细阐述了建设目标、战略定位、地面系统以及多领域应用能力等。
在不改变原意的基础上，量子位做了如下整理：
一直很期待和计算机协会之间的跨行交流，因为未来各种卫星必须解决大数据、互联网以及向广大用户推广的问题。与各行业深入交流，可以为商业航天的大众化应用提供新思路。
航天宏图成立于2008年，深耕国家航天遥感领域，致力于卫星整体设计、运行系统开发以及后期业务化应用。
这几年公司发展迅速，从不到10人到现在的5000人团队，其中200多人是博士及以上学位，200多人为各行业应用专家。特别是在遥感卫星领域，公司建立了160多个分支机构，覆盖重要地级市；全球已经有15个分支机构，以备下一步遥感卫星发展。我们认为，遥感卫星的特点是全球化。
目前国内卫星上中下游产业布局是比较分散的，需要形成合力。航天宏图将发力于中游卫星运营，为产业链提供数据和信息服务。
航天产业未来前景广阔。虽然卫星看起来昂贵，但实际上在应用方面成本很低。与此同时，也存在一些问题，即如何将卫星、无人机的数据与网络和计算机结合。
我们整体解决思路是是建立数据+平台+应用的框架，将卫星数据传输到云平台上，在此之上叠加应用，这样可以降低用户门槛，提高用户数量。
这一思路也正在得到实际验证——女娲星座。该星座主要有两大功能。
首先是通导遥一体化。女娲星座以遥感卫星为主体，辅以通讯卫星。通过星间链路快速分发卫星数据，实现覆盖全球服务。通讯、导航和遥感是密不可分的。导航方面，北斗10米左右的定位精度将提升到亚米级，以支持更多的行业应用。
其次是多目标多尺度多要素、全天时全天候全自主的遥感服务。最近发射的宏图一号01组卫星是测绘卫星的一种，本质上是做全球的坐标框架，美国欧洲都有布局。我们目标是一年多实现国产自主，应用效果和信息提取效率都将显著提高。
女娲星座的初步计划是包括100颗卫星，首期计划从2023年到2025年，主要发射低轨高分辨率遥感卫星共计38颗，这一规模比美国、芬兰等地区商业遥感卫星的整体规模还要大。
这背后得益于国内商业卫星的成本，是传统卫星研制思路的六分之一、七分之一的水平。
马斯克星链的批量化能力很强，但在遥感卫星方面，目前中美等国家都不具备大批量生产能力。造价也较高，大概一颗星在六七千万左右。因此第一期我们筹备接近35亿规模。放眼国内，走商业遥感卫星这条路径的，航天宏图算走在前列的。
另外从技术先进性来看，女娲星座在分辨率和精度等方面都做到了全国领先。这是如何做到的呢？最简单的解释就是四只眼睛同时盯着一个地方，其他卫星最多两只眼睛盯着同一个地方。
整个女娲星座包含了这样几个战略地位：高分定量遥感、空间导航增强、实时自主运控、以及空间搭载试验。
此外，未来女娲星座一定会与AI算法形结合。宏图一期发完之后，原始数据估计每天会达到200T的范围，这么大的数据量靠人工解译不现实。
能力这块，下一步是面向全球的遥感数据获取达到分钟级，10分钟以内即完成。整个全球覆盖大概在一星期左右时间完成。应用场景方面，可以从传统的面向国家政府、进一步下沉到一些特殊行业、面向特定区域环境以及碳排放等。
未来我们有这样几个计划。
第一个就是将遥感卫星应用从原来的定性走到定量，怎么去利用信息数据去做好服务。我认为不服务实体经济是没有出路的。
第二个是打造实时空间链路，实现自主经济可控。
第三个是形成一个空间搭载平台，让更多航天发烧友只需要在地上提需求，就能在卫星上完成各种事情。
王尚广：6G业务将会上天，卫星将变成带翅膀的PC
随后，北京邮电大学教授、计算机学院副院长从科研的角度，以天算星座为例介绍了目前国内的卫星计算探索。从研究背景与基本概念、天算星座与目标定位、以及研究实践与未来工作三方面进行介绍。
在不改变原意的基础上，量子位做了如下整理：
今天很荣幸跟大家分享我们在卫星计算探索方面的一些案例。3C（计算、通信和控制）加上一个N（网络），这就是卫星计算概念一个基本阐述。我们知道，地上计算蓬勃发展，但天上计算其实任重道远。
有个案例，卫星数据拿到以后如果传回地面，黄花菜都凉了。最好的方案就是直接在轨计算识别决策等，然后把结果传回地面。
但这只是一个侧影，卫星计算做的远远不止这些。
长远来看，卫星计算可以提升人类的生活服务质量，比如6G的业务将会上天、服务覆盖更多地面网络；维护人类健康发展，包括碳中和、应急救援等场景，都需要在轨计算、处理、识别和决策；更进一步地，拓展人类生存空间。未来在外太空发现新资源都有可能。
所以全球都在朝着卫星这个方向在做，目前国内外现状是，美国以多家齐头并进之势一枝独秀；英国紧随其后，多国仍在奋斗，中国是后起之秀。
因此我国作为后起之秀，需要不断实现技术创新。
目前来看，有这些方面的困难。比如网网不同，要实现天地一体化，有协议体制多样、管理困难等问题。还有像卫星之间系统孤立、互联互通性差，以及因为数据到地难下达、地面计算多繁杂导致的算算失衡。从2021年开始，卫星自己产生的数据已经超过本身传输的数据量，因此天上计算压力还是比较大的。
卫星计算主要分为四种：星上计算、星间计算、星地计算以及站地计算，但分别都有很大的挑战性。
比如星上计算受到空间、算力、能源以及散热等限制；星间计算则包括时空连通动态性、高维资源复杂性以及混合业务多样性等繁杂的难题；星地计算受限于各种各样的协议；站地计算聚焦于融合难的问题，比如地面站缺乏、测控数据割裂。
但对于科研工作者，地上千仿万算不如星上一遍的计算。因此学术界提出了很多设想：能不能有个公共实验平台，让更多学者在卫星上做些计算。
为此北邮发起了天算星座——空天计算在轨试验开放开源平台，立足于产学研一起用，最终目的是服务人类社会。
目前天算星座包括5星7站3发起。5星包括一颗主星、两颗辅星，两颗边缘星；7个地面站，其中两个站自建。“3发起”包括发起了天算联盟、CCF YOCSEF卫星计算工作组、IEEE Satellite国际会议。与此同时还有一些合作，比如与华为合作「代码上太空」竞赛。
那么具体展开了哪些研究实践？
第一个是全球首个星载5G核心网系统，比NASA提前近一年实现在轨部署，为未来6G在轨业务上线做准备。
第二个是云原生卫星计算平台，目前在宝酝号、创星雷神号做了些实验，实现包括目标识别精度提升50%、卫星回传数据量减少90%。
还有北邮一号云原生卫星，目的是将卫星做成带翅膀的PC；脑机控制卫星，在家里一个简单的脑机接口通过互联网直接访问卫星。这时候可以说卫星已经是触手可及，并非大家想象那么遥远。
在学术上面，主要有星地协同联邦学习训练架构、地面站辅助的遥感影像服务框架等进展。
未来工作我们要做一软一硬。软，就是卫星操作系统，今年7-8月份可以上天了。
今天着重强调的是太空服务器，其实就是星载高性能计算智能平台。前面提到星上计算受到空间、算力、能耗、散热等限制，那么如何做呢？手机SoC芯片——将50台手机绑在一起做计算，有功耗小、制程高、散热好，以及异构计算等优势。
最后总结一下，传统卫星领域有“三高”：高封闭、高门槛、高开销；我们整个卫星计算工作组一个诉求是“三开”：开放、开源、开心，目的是让卫星变成带翅膀的PC。
— 完 —
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