一群清华的博士，在天上玩起了“卫星智能”
随着遥感卫星为代表的卫星数量的增加和信息收集能力的提升，我们能够通过卫星拍摄的高清影像鸟瞰地球万象，感知地球变化。例如“高分二号”在2017年拍下的故宫，地面分辨率就已经小于一米，让我们从天空俯瞰故宫全貌，欣赏北京城中心的壮阔之美。
“高分二号”在2017年拍下的故宫，地面分辨率小于一米
而越来越清晰的卫星图像背后，则是遥感卫星正在产生海量的数据——根据自然资源部《卫星遥感应用报告》（2020年）[1]，中国在轨的自然资源遥感卫星已经达到19颗，全年数据量达到了1.6PB（1PB = 1024TB）。
但以往中国自己的卫星星地间传输，可不像我们日常生活中使用手机这样的5G网络便捷，想将这么多数据传回国内并不容易。考虑到中国目前卫星地面站建设少，因此只能在路过中国上空时才能获得回传数据的短短几分钟窗口，且一次只能传输几十Gb的有限数据，所以，卫星在数据传输上消耗的时间，远远大于拍摄的时间。
以拍下上面这张图的“高分二号”为例，卫星星上能储存大约4Tb的数据、记录不少于20分钟的拍摄信息；“高分二号”的传输带宽是2x450Mbps，也就意味着回传4Tb数据需要超过75分钟。而每次经过中国上空仅能获得数分钟窗口时间，则需要多次下传和以天计算的时间延迟才能最终完成这一工作。
随着商业卫星的蓬勃发展，不仅仅是遥感卫星的数据的采集和处理越来越成为了一个问题，包括通信、导航、科研、技术试验卫星在内的全产业链乃至最终的卫星互联网和空天地一体化网络，都面临着这样的瓶颈。
如何让卫星变得更高效？如何从卫星数据中获得更高价值？我们今天关注的创新企业“星测未来”就与这个话题有关，这是由一群清华大学的博士们创办的企业，他们就致力于推动卫星智能化来解决卫星算力、星上处理等卫星行业的前端问题，通过全流程的太空实验载荷解决方案、星上智能计算载荷产品、实时卫星应用服务等，赋能助力卫星行业的商业变革。
刘冬宇 | 作者
李拓 | 编辑
更多卫星数据，更广阔的市场
地球空间正在变得忙碌。在果壳硬科技之前的文章中曾提到[2]，根据UCS Satellite Database的统计，截至去年9月1日，地球轨道上已经有了4550颗卫星，其中在过去的一年间，人类就新发射了超过一千颗卫星，这要归功于商业卫星产业的高速发展——特别是卫星最多的美国，并且其中绝大多数都是商业卫星。
UCS Satellite Database 及公开火箭发射数据
中国的商业卫星公司虽然发展势头不错，但还没有像美国那样，把更多商业卫星送上天；而政策的支持，是中国的商业卫星公司们最期待的发展要素。而在春节假期之前，国家就给卫星行业送了一个“大红包”：《2021中国的航天》白皮书，给商业航天定调支持。具体的措施，既包括对商业航天发射的支持——
未来五年，中国将在强化航天产品统一技术体制的基础上，进一步完善现有航天发射场系统……建设商业发射工位和商业航天发射场，满足各类商业发射需求。
也不乏更多商业化机会——
未来五年，中国航天将紧紧抓住数字产业化、产业数字化发展机遇，面向经济社会发展和大众多样化需求，加大航天成果转化和技术转移，丰富应用场景，创新商业模式，推动空间应用与数字经济发展深度融合。拓展卫星遥感、卫星通信应用广度深度，实施北斗产业化工程，为国民经济各行业领域和大众消费提供更先进更经济的优质产品和便利服务。培育发展太空旅游、太空生物制药、空间碎片清除、空间试验服务等太空经济新业态，提升航天产业规模效益。
暂时抛开太空旅游、空间碎片清除等距离商业化还尚需时日的方向，今天目所能及的商业卫星业务，还集中在通信、导航、遥感和科学实验四大领域；对于中国商业卫星公司，由于导航与通信领域主要由“国家队”牵头，遥感便成了商业化突破最为迅猛的领域。
遥感卫星在全球范围内已实现高度商业化。根据SIA数据及头豹研究院的整理，在2020年，全球卫星遥感服务市场已经达到24.2亿美元，在2025年预计将达到43.6亿美元[3]。另一份数据则表明，2020年，中国遥感卫星市场估计为81.8亿人民币，从2018年至2020年，每年增长率在8.23%~8.34%。[4]
全球卫星遥感服务行业市场规模。图丨SIA、头豹研究院[3]
中国遥感卫星行业市场规模。图丨前瞻产业研究院[4]
蓬勃的市场，也时刻面临着文章开头的难题：数据量大，但有效数据少；传输时间过长，导致数据的时效性差，限制了遥感卫星的应用场景。
比如一颗典型的光学卫星，如果在某一圈飞行中开机拍摄10分钟，那么数据的回传还需要再绕地飞行十圈甚至更多，且只能在每次路过中国上空时传回一部分原始数据。星测未来联合创始人、COO曹德志向果壳硬科技介绍，在耗费大量时间、卫星能源下传的原始数据中，又会因为云层遮挡等原因，无效数据的占比可能超过一半。
还有另一类蓬勃发展的遥感卫星，SAR卫星，SAR即“合成孔径雷达”（Synthetic Aperture Radar）。这是一类使用微波雷达进行探测的卫星，且不受天气与云层影响，具有全天时、全天候的优点，并且对地表物体的高度非常敏感（最高可达毫米级精度），还能分析地表植被、含水量等信息，因此格外适用于气象灾害、应急、农业、海事等需求，服务于金融、国防与公共事业[5]。
在去年七月的河南暴雨中，河南省自然资源卫星应用技术中心就调用了国内外SAR卫星数据，以分析洪涝淹没区、城市道路淹没情况等。[6]
SAR卫星的商业应用，同样受到数据处理的限制。SAR卫星的典型工作模式为“条带成像”，即随着卫星在轨道上的移动，雷达以相对匀速扫描地面，连续采集雷达反射图像，然后经历漫长的原始数据回传，才能拼接出最终的遥感信息。
对于如何更好地挖掘卫星数据价值，并应用于各类商业场景中，一个容易理解的解决方法，是在卫星上压缩数据甚至筛选数据，只回传最重要的信息。
而这个方法必然要基于运算，就像在手机上，我们为了处理照片，给手机塞进了几颗ISP、NPU等芯片、一系列场景识别与图像处理算法。但在卫星上，起码的算力和算法问题，该如何解决？
卫星智能化如何实现？
“星测未来”目前的主要工作之一，就是为这些遥感卫星提供高能效的边缘算力平台与结合场景的应用解决方案，通过在轨压缩、在轨处理等方式升级卫星的数据计算和传输处理能力，从而为金融、应急、地区安全等下游应用市场提供服务。实际上，对遥感信息的智能处理，也分为不同的层次，不仅可以解决数据传输问题，更重要的是提升卫星数据价值与运行效率。
最基础的工作，是在星上压缩数据，以减少回传数据包的尺寸，降低通信带宽压力。
光学卫星图像压缩（长光卫星、星测未来）
初级的智能化，是筛选无效数据，比如去除被云层遮挡的图像，或者在有明确工作任务，比如扫描地面时，舍弃掉拍摄的海洋的部分。这部分工作也可以节省数据流量。
更高级的智能，则是在星上直接完成例如目标识别、跟踪等工作。这也是让卫星数据产生较高商业价值的关键，原本它需要将数据完全回传后在地面完成，而如果在卫星上识别，则可以直接获得有效的切片数据或目标信息，甚至可以针对性地调整卫星星座的工作模式，进一步精确采集局域的重要信息。
SAR卫星识别船只（天仪研究院，星测未来）
SAR卫星舰船监测与水体识别
（天仪研究院、厦门大学、星测未来）
更进一步的是，如果卫星的工作任务中包括识别走私货船等特定目标，智能的卫星甚至可以只向地面实时汇报一个短信息，“某位置出现某物”，与回传图像相比，具备更强的实时性。
可以看出，伴随着智能化水平的提高，卫星数据更贴近商业需求，并且可以补充拓展很多传统遥感流程无法实现的应用场景。
想实现卫星智能化，则需要为卫星引入低成本、高效能比的算力。什么样的芯片以及星上算力平台适合在太空中开展计算工作呢？通常卫星的芯片都是航天专用的产品，往往采用成熟制程，稳定性更高，但在性能、功耗与价格上没有优势。而采用大公司标准化的芯片，成了低成本、大算力的选择，但它却不一定适合在太空环境下工作。
而星测未来正是从这里打开突破口，曹德志向果壳硬科技介绍，CEO仓基荣与COO曹德志是清华工程物理系核电子学实验室毕业的师兄弟，核电子学实验室以往参与过与CERN（欧洲核子中心）的合作，提供了不少辐照环境下的高性能软硬件平台，以完成每秒数百Gb的大通量数据筛选和处理工作，因此团队的专业背景，是对辐射环境下的软硬件计算平台及其应用有着充分的了解。
从2016年起，实验室的本科和研究生们同时发起了一个空间探测项目——“天格计划”，通过采用商业立方卫星平台搭载的空间探测载荷，开展伽马射线暴勘测的星座组网计划。这也启发了创业团队利用立方星开展太空实验的业务，不断加深对空间粒子探测、太空辐照的认知，并将芯片和星上算力平台在充分的地面测试后送至太空在轨验证，帮助星测未来不断迭代可靠性加固的方案设计：包括异构体系的硬件筛选，软件系统的冗余备份，以及通过神经网络架构搜索建立算法的容错设计和校验优化等等。
因此，团队自研多款“星溪”系列星上算力平台，均采用商用级器件（比如FPGA、GPU或ASIC芯片等）替代宇航级器件，降低行业成本，但却具备较高的冗余可靠性特色。
“星溪”自2020年至今已经迭代数次，目前成熟产品星溪02采用了FPGA+GPU的运算方案，能实现20W功耗、20TOPs算力。根据发射计划，本月（2022年2月）星溪02将搭载卫星平台升空并完成在轨部署，实现全流程的工业级器件在轨验证与后续的长时间运行考验。
星溪02产品概念图
据介绍，星测未来的星上智能方案，已经与多家中国头部商业卫星企业达成合作，比如在可见光遥感领域与长光卫星合作，SAR卫星领域则是与天仪研究院合作。通过广泛的产业链的合作，星测未来获得了更多在轨验证、商业场景拓展等关键机会，实现从科研、工程样机走向市场化的过程。
技术服务科研
星测未来的另一项业务——“星测”系列太空实验平台，则是通过搭载科研卫星的载荷形式，开展包括太空辐照测试、空间粒子探测、通用数据采集及处理等产品及服务。
曹德志向果壳硬科技介绍，“星测”平台同样源于他们在空间探测领域的技术积累，其产品优势在于：
第一，较低成本地实现科学载荷研制，较快时间验证新技术。一颗大型科研卫星通常搭载多个实验载荷组成复杂系统，而许多新技术所带来的系统性风险则需要前期开展关键技术在轨测试。星测太空实验平台则是结合载荷研制能力以及空间辐照测试服务共同完成该项任务，帮助大型科研卫星降低风险。
第二，独立采用小卫星搜集数据，快速推动空间科学研究成果诞生。一颗大型科研卫星通常需要5~10年的研发周期，而基于低成本、高可靠商用现货的载荷产品与立方星搭载模式，则短至一年即可完成科学目标的观测与数据收集，发表科研的新成果。
第三点，开辟空间科学的新观测模式，多星组网实现阵列、接力等科学观测模式，比如面向宇宙瞬变源天体事件的爆发位置观测，比如面向太阳和星云的长时间接力观测等，都将从新的角度打开天文学和宇宙学观测的一扇新的窗。
“星测”平台一方面服务于科学家的科学探索，起到降本、提速与推动科研行业发展的效果，另一方面，也加强星测未来的自身技术验证，使得星测未来始终处于空间探测、卫星数据采集、星载边缘处理等领域的新技术前沿。
曹德志表示，尽管科研卫星服务的市场空间受限于研究经费，大致在数十亿元/年，但对星测未来而言，已经通过“星测”平台业务在行业内打开了局面，树立了品牌，成为公司第一阶段业务的主要现金流来源。
博士怎么经营公司？
我们还很好奇一个问题：星测未来的团队成员主要来自清华大学、斯坦福、中科院等知名高校和研究所，大多在从事产品研发；对于两位创始人和几位核心管理团队成员，这也是他们的第一份工作，他们是如何实现从研究者到企业管理者的切换的？
据介绍，星测未来团队目前人员并不多，大约全职十余人，兼职实习三十人左右，但在公司成立之初，就面临疫情居家、研发生产调试多地分工等情况，由此也开启了远程协作的工作方式。而由于团队的高校背景，星测未来团队从一开始就非常注重文档的留存和信息的流转。“这可能是我们公司一种习惯或者说文化，很多东西如果你想不清楚就写下来，用文档来传达更加完整、体系化。”曹德志这样说。
这与飞书的理念不谋而合。因此，他们在调研了多个办公协作平台后，最终选择用飞书来承载公司进行文档记录和远程会议的平台。因为作为国内办公协作的代表之一，飞书也着重推出过一种开会的方式——“飞阅会”，一种基于飞书文档的阅读+评论的开会方法。
曹德志说，“初创企业最重要的是不失真，人和人之间可以坦诚地交流，把信息升华，把客户需求跟产品快速对接起来，最后达成整个业务的推进”。而在使用飞书文档的过程中，团队也根据公司发展和业务需求开发出了一些适合自己的工作模式，一个是用文档搭建的知识库，另一个则是用多维表格建立的客户管理系统。
对于一家初创公司来说，成熟的CRM或者低代码工具虽好，但不代表能解决业务流程中的核心问题，“首先是想清楚怎么做，然后工具才能发挥应有的作用”，而用简单的表格和文档背后，是把想做的事情、想传达的理念表达清楚，然后才能加速推动初创企业的业务发展。
“通过文档和多维表格的形式，能够把信息从一个地方搬运到另一个地方，飞书提供的这种信息流转的机制，成了我们业务当中很重要的一环。飞书承载的代码和文档，最终都会带到天上去。”曹德志这样总结飞书在具体工作中的作用。
就在最近，飞书团队与星测未来团队聊了聊创新的工作方法——
关于星测未来
References：
[1] 自然资源部《卫星遥感应用报告》（2020年）http://gi.mnr.gov.cn/202108/P020210819458522247403.pdf
[2] 2021年，投资人为什么不爱商业航天了？
https://mp.weixin.qq.com/s/L-o3DCDRL3uprTN3-ujo4g
[3] 头豹研究院，2021年中国卫星遥感行业概览 https://pdf.dfcfw.com/pdf/H3_AP202104141484676278_1.pdf?1618397017000.pdf
[4] 2020年中国遥感卫星行业市场现状及发展趋势分析
https://bg.qianzhan.com/report/detail/300/210421-315dfa8b.html
[5] 商业小卫星蓝海：穿云透雨的雷达卫星，中美商业航天竞争新焦点
https://36kr.com/p/1432823355096708
[6] 省自然资源卫星应用技术中心为郑州市特大暴雨灾害提供应急测绘保障服务
http://dnr.henan.gov.cn/2021/07-26/2188928.html
[7] 高性能星上计算，「星测未来」助力卫星智能化升级
https://36kr.com/p/827382040060038
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