研发背后的故事：首都师大遥感成像团队和他们的“直播地球”理想

在直播行业盛行的现在

你想过有朝一日我们也可以直播地球吗？

北京时间2022年2月27日11时06分，在海南文昌卫星发射中心，长征八号运载火箭实现“一箭22星”拼车发射，将承载着首都师范大学“蛙瞳”直播地球概念验证任务的“泰景四号01星”遥感卫星送入预定轨道。整个项目研发由我校钟若飞、杨灿坤老师带领学生共同完成。

发射现场

发射背后的故事

藏着哪些秘密呢？

“蛙瞳”

就可以像青蛙的眼睛一样，看活动的东西很敏锐，对静止的东西却视而不见，敏锐迅速地跟踪运动中的真目标。

“直播

地球”

卫星看向哪里，就可以把动的目标传输回地面。

“突破”

“团队研发的过程并没有一帆风顺，期间遇到了许多意料之外的难题，每次都足以使整个项目停摆......”

让我们跟着项目组

向探索的过程回溯

什么是“蛙瞳”

“蛙瞳”是整个项目的名称，顾名思义，就是要研发出一系列装置来对一切运动或者变化的事物进行灵敏迅速地捕捉。就像青蛙的眼睛在面对猎物时，看活动的东西很敏锐，对静止的东西却视而不见，敏锐迅速地跟踪运动中的真目标。

此次卫星上的“蛙瞳”验证载荷由光学遥感相机和星上处理板卡两部分构成，光学相机相当于卫星的眼睛，星上处理板卡相当于卫星的“智能大脑”。 

卫星光学遥感相机是具有多种模式可以对地球拍照的双线阵全色推扫遥感相机，由我校自主设计、与中科院长春光机所联合研制，相机使用了国产新型多模态超级CMOS传感器（一种成像传感器），这个传感器可以利用自身不同的区域同时或者分别成像，从而达到灵活切换各种模式，可以缩短人们两次观察物体间的时间间隔，又或是对目标大范围的拍摄，亦或者是对一个点的捕捉，它都可以自主改变模式，使我们更全面地观测地球。

星上处理板卡，可以理解为一个小电脑，运行遥感数据处理的各种算法，不用等待卫星传输到地面再进行后处理，提升了卫星系统的整体效率效率。在研制上，团队用较少的科研经费，进行了后续可市场化的低成本开发。在元器件的选择上，选择了一条有别于“国家队”的路线，采用商业级货架元器件，通过各种检验实验，筛选出最适合的元器件，最终将整板的研究制造成本降低了一个数量级。此外，团队的成员们还努力学习了电路设计、软件编写等相关知识，通过电路设计、PCB制板、电路焊接、硬件调试、软件编写、软硬件联调等最终完成了此部分的研发工作。

地球还可以直播？

“直播地球”就是通过遥感卫星对地球上各种各样的物体进行观测，并且在太空中进行快速处理，从而将变化和运动的物体和信息传回地面，实现即时遥感服务。而这一切，是要靠类似“蛙瞳”这样的设备来实现。

不同于其他遥感卫星，“变”、“快”、“准”是这颗卫星的特点，只有变化的信息才有价值，地球大部分区域是不变的，只需要保持对我们感兴趣的变化区域进行监测就可以实现对地球的监测；变化的信息是有时效性的，只有快速处理才能保证它的时效性；准是目标识别准确，地理坐标精确，只要处理准确，甚至可以不需要下传图片，只需要告诉用户什么位置有什么目标，以目标和信息传输取代条带影像传输。为实现“变”、“快”、“准”的目标，团队设计的此次卫星一次推扫任务可以完成两个拥有可控时间差的条带影像采集，根据运动目标在两幅图像上的位移，通过星上处理快速提取出目标信息下传，实现定向采集和增量更新，期望由此实现用更少的卫星达到更实时的对地观测服务，这种对地球实时监测的能力如果能满足全天时、全天候、全地域服务于每个人的目标，则可以看成是目前直播经济中的一部分，从电视直播到网络直播，内容直播已经成为目前这个时代“眼球经济”市场新的增长点，对地球的实时监测有望能创造一个需要频繁使用遥感服务的用户市场，在用户需求和卫星资源到一定规模以后，遥感卫星的实时服务可以扩展到非专业的大众用户和其他潜在用户，实现真正的“直播地球”，以实时的卫星数据来展示地球，在此基础上，承载新闻资讯、自然奇观、娱乐游戏等其他应用内容，以实现卫星遥感由专业化向大众化过渡的目的。

卫星首图（还在优化成像逻辑）

从0到1的突破

第一阶段测试

俗话说，万事开头难。在项目的最开始时，整个研发团队就遇到了很大的问题。团队成立初期，团队的新一届研究生们从上届师兄师姐手中接过工作，新工作和新内容需要熟悉，新事物需要认识，新伙伴要接纳，时间紧任务重，这已经是不小的挑战。再加上研发团队中的学生主要是非计算机专业出身的研究生，缺少硬件开发领域的系统知识，在沟通合作的过程中困难重重。学生们一边学习从未接触过的新知识，一边要寻找全新的突破口解决硬件技术问题，巨大的压力如同一块块巨石压在每个人身上。

为了验证技术应用效果，团队需要研制一款新型遥感相机。那时，团队成员没有任何星上实时处理硬件技术的积累，也无先例可循，但大家还是下定决心，要实现“从0到1”的突破。

第二阶段测试

再多的困难也无法阻挡团队逐个攻克它们的决心。团队负责人钟若飞教授说“创新是一种追求，从无到有正应该是追求创新的极致目标。”在团队的同学们一筹莫展时，钟若飞教授经常以刘先林院士的科学家精神激励大家，刘院士给中国测绘领域带来引领性的突破与颠覆，两次荣获国家科技进步一等奖，即便年龄逐渐老迈，依然在不断创新，这样的工匠精神一直在激励大家突破自我，最大发挥主观能动性，走出一条自己的特色之路。为了促进学生之间沟通，钟教授和青年老师杨灿坤组织了由高年级学生和新生构成的研究小组，同时，为了让大家尽快投入科研环境，团队还聘请了有多年集成电路开发经验的专家作为项目顾问。立大事者，不惟有超世之才，亦必有坚忍不拔之志。即使泰山压顶压力，也要有冲破它的坚韧意志和勇于创新的精神。

“和十几年前刘院士带领我们研制国内首套国产化移动激光测量车一样，没有产品可以参考，这次我们的‘直播地球’遥感卫星载荷在世界上也是一个新东西，没有太多可以借鉴的资料，我们这次大胆放手，对复杂问题进行分解，把好脉、定好位、定准目标，让学生们根据自己特点自主选择小课题、承担研究任务，把科学和工程技术思维融合在教学实践中，通过这种大项目、大的突破、大的创新激发学生的责任感、使命感、科研的幸福感，培养学生攻坚克难的勇气和不懈探索的精神。”钟若飞说。

第三阶段测试

“团队研发的过程并没有一帆风顺，期间遇到了许多意料之外的难题，每次都足以使整个项目停摆。但是大家并没有放弃，虽然有时压力大到偷偷抹眼泪，但压力过后再次收拾情绪，昂起斗志” 团队成员杜鑫和赵可说道。

钟若飞说：“科技创新靠人才，尤其靠更年轻的老师和学生，我是做设备的，以前设备出个问题，自己都得马上解决，该熬夜熬夜，现在精力各方面都跟不上了，必须一代一代不断培养优秀的人才，给他们脱颖而出的机会，只有这样，创新才会不断超前。”卫星项目组成立以来，一届一届硕士、博士、年轻老师、校外专家，还有航天领域一些老先生，传帮接带，大家集思广益，在工程设计、硬件调试、软件编写等工序中攻坚克难，终于成功研制出设备。

星上数据处理板卡上的主控程序是板卡“大脑”。研二学生杜鑫主动担起重担，与赵可、成美智等同学一起完成任务。地检测试仪器是卫星上天之前在地面测试重要辅助设备，必须自研，博士生李清扬带领组内研究生连续奋战，研发出配套的地检设备和软件系统。研一学生郝嘉伟、张琛琛、王远航、佘姜璐、张诗悦共同参与到软硬件联调和测试中。

杜鑫和赵可同学正在进行板卡的高低温实验

2021年11月，开发工作圆满结束，团队还顾不上欣喜，就立即展开全面系统测试和硬件总装工作。为了部件每个性能都能发挥其最好的效果，成员们上百次地对算法进行版本优化，无数次地对设备进行质量筛查，写下了累计上万字之多的测试记录。实验室深夜里亮起的灯，操作台上的汗水和泪水，一双双熬红的眼睛……这一切一切背后，我们看到的是团队每个人一丝不苟的科学态度和对科研赤忱的热情。

利用X射线检测仪对正样板卡的焊接质量进行二次筛查

天下大事，必作于细，日以继夜地工作，是为了保障整个研发工作的完整、精确、有效。在测试转交到北京微纳星空科技公司进行对接和测试时，团队同学们也没有松懈的时候，他们全流程跟进各种测试，及时解决各方面的问题，确保安全、稳定交付。 

团队成员赵可还记得，完成整星对接的那个凌晨，北京下了一场大雪。“大家看着雪花相视一笑，回想自己的成长，感觉一切都值了。”

发射场测试图片

在项目的最后，长征火箭升空，承载着“蛙瞳”的“泰景四号 01星”遥感卫星也进入轨道。看着冉冉升空的火箭，望着蔚蓝的天空白云，团队成员郝嘉伟说：“团队成员一起熬夜一起拼，在看到火箭升空的那一刻，大家都情不自禁热泪盈眶，以往吃的苦，熬的夜，在这一刻，都成为了最珍贵的回忆。在自我的成长中，践行‘以青春报效祖国’的誓言，我们做到了。”

团队成员

首都师范大学副校长李小娟表示：“学校鼓励团队将科技成果产出与课程思政融入人才培养过程，助推学生形成尊重知识、重视实践、不惧困难的良好品格，培养具有家国情怀、勇于创新的新时代高素质人才，为迎接新挑战、全面建设社会主义现代化国家不断作出新贡献。”

厚积才能勃发，努力才会有收获。纵有疾风起，人生不言弃。

往期回顾

编辑：窦可馨、刘禹彤、王祎萍

责任编辑：李嫱