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搭载英特尔技术的首颗AI人造卫星已被送入太空轨道

2020-10-23
来源:英特尔中国

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一颗名为PhiSat-1实验卫星现在正在地球上空大约530公里的太阳同步轨道上以超过27,500公里/小时的速度运行。PhiSat-1搭载了新款高光谱热像仪,具备机载AI处理能力,这要归功于英特尔MovidiusMyriad 2 VPU.

  如今,从手机上显示的娱乐视频到激发人们对宇宙的探索了解,人工智能在现代生活中已随处可见。然而遥远的太空轨道却是人工智能尚未进入的领域。

  直到9月2日,人工智能进入太空轨道实现了重要突破——欧洲航天局发射了一颗大小与台式机相当的实验卫星,一起发送的还有45颗同样大小的卫星。这颗名为PhiSat-1的实验卫星现在正在地球上空大约329英里(530公里)的太阳同步轨道上以超过17,000英里/小时(27,500公里/小时)的速度运行。

  PhiSat-1搭载了新款高光谱热像仪,具备机载AI处理能力,这要归功于英特尔? Movidius? Myriad? 2 VPU,这种芯片与许多智能摄像头中的芯片,甚至售价99美元的地球自拍无人机的芯片相同。PhiSat-1实际上是一对卫星中的一颗,用于监视极地冰层和土壤水分,同时还要通过测试卫星间通信系统来创建未来的联合卫星网络。

  Myriad 2帮助解决的第一个问题是什么?卫星上的摄像头会产生很多数据。作为PhiSat-1背后合作的主导方,欧洲航天局(ESA)数据系统和机载计算负责人Gianluca Furano表示:“传感器产生数据的能力每代增加100倍,而我们下载数据的能力每代仅增加3、4、5倍。”

  另外,地球随时都有约三分之二的表面被云层覆盖。这意味着卫星通常会捕获并保存大量无用的云图像,并通过有限的下行链路带宽将其发送到地球,随后图像会被再次保存,由科学家(或算法)在几小时或几天后通过计算机进行审核——最终结果仍不过是被删除。

  Furano说:“智能边缘,就像西方电影中的天降神兵,拯救了我们。” 团队一致决定使用机载处理来识别和删除无用的云图像——此举节省了大约30%的带宽。

  “太空是终极边缘,” Ubotica(一家机器人公司)的首席技术官Aubrey Dunne说,该公司与摄像头制造商cosine密切合作,构建并测试了PhiSat-1的硬件和软件系统。“Myriad完全是从头开始设计的,它能够以极低功耗提供卓越的计算能力,非常适合太空应用。”

  但是,Myriad 2原本不是为了轨道运行而设计的。Dunne解释说,航天器计算机通常会使用非常专业的“抗辐射”芯片,这些芯片“可能比最先进的商业技术落后二十年”。而且人工智能之前一直没有用在航天器计算机上。

  因此Dunne和团队通过“辐射表征”对Myriad芯片进行了一系列测试,以确定如何处理航天应用中发生的错误或磨损。

  Furano表示,欧洲航天局(ESA)“从未对这么复杂的芯片进行过辐射测试”。“我们不确定测试是否合适……我们还编写了手册,记录如何从头开始对该芯片进行全面的测试和表征。”

  第一项测试是2018年底在欧洲核子研究组织进行的连续36小时的辐射束爆破试验。Dunne表示,这次测试“压力很大”。但幸运的是这次测试和后续两次测试“结果十分乐观”。Myriad 2直接通过了测试,无需改装。

  就这样,这种低功耗、高性能的计算机视觉芯片骤然准备就绪,可以到地球大气层之外去冒险了。没错!但此时又出现了另一个挑战。

  通常,人工智能算法是使用大量数据进行“学习”来构建或“训练”的——在这种情况下,需要学习图片是否属于云图片。但鉴于摄像头是全新的,“我们没有任何数据,” Furano说。“我们必须利用从现有任务中提取的合成数据进行应用程序训练。”

  这些系统和软件的集成和测试由分布在欧洲各地的六个组织耗时四个月完成。欧洲航天局ESA的PhiSat官员Max Pastena表示:“能够做到如此快速,如此高效的灵活性,在这么短的时间内将所有东西准备就绪,我们感到非常自豪。” Furano补充说,从航天器开发的角度而言,这么短的时间“是一个奇迹”。

  “英特尔在我们有需要时、遇到问题或不确定时提供后盾支持。” Dunne说。“我们对此非常感激。”

  遗憾的是,随着火箭发射延迟、冠状病毒肆虐和夏季风干扰等一系列事件的接踵而至,团队不得不等待一年多的时间才能知道PhiSat-1是否能按计划在轨道上运行。

  9月2日,火箭终于在法属圭亚那成功发射,这也是由Arianespace太空公司运营的首例同类卫星共享发射。为了进行初步验证,该卫星保存了所有图像并记录了对每个图像制定的云探测决策,以便地面小组确定机载电脑的表现可达预期。

  经过三周认真观察,Pastena宣布:“太空的历史也有我们的一章了。”

  欧洲航天局(ESA)宣布,联合团队“很高兴在轨道卫星上揭示地球观测图像的首次硬件加速AI推理。”

  由于卫星仅发送有用的像素,因此可以“提高带宽利用率并显著降低下行链路总成本”,还能为地面上的科学家节省时间。

  展望未来,低成本的AI增强小型卫星的用途数不胜数——添加了运行多个应用程序的能力后尤其如此。

  英特尔Movidius技术办事处负责人Jonathan Byrne表示:“卫星不仅可以采用专用硬件来完成特定任务,还可以切换网络。” Ubotica的Dunne将此称为“卫星即服务”。

  想想这样的场景:卫星在容易发生野火的区域上空飞行,可以在数分钟而不是数小时内发现火情并通知当地救援人员。在通常被忽略的海洋上空,卫星可以发现行为异常的船只或环境事故。在森林和农场上空,卫星可以追踪土壤湿度和农作物的生长。在冰上,它可以追踪冰层厚度和正在融冰的池塘,来帮助监测气候变化。

  很多可能性都将很快得到测试:ESA和Ubotica正在打造PhiSat-2,这颗卫星将携带另一颗Myriad 2进入轨道。PhiSat-2将“能够运行可通过简单的用户界面在飞行器运行期间进行开发、轻松安装、验证和操作的AI应用。”

  对于英特尔来说,这是一个需求量较小的市场,但其潜在影响是毋庸置疑的。正如Pastena所说,我们最终将能够把握“地球的脉搏”。


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