全球首颗云原生边缘计算卫星云边一体方案在太空验证

2020年起，全球卫星产生的数据量，首次超过卫星传输的数据量，大量数据迫切需要在轨计算处理，卫星亟需实现“智能化”。 云原生边缘计算平台的出现，有效降低了空天计算的实验门槛，使得天上卫星的管理，像地面服务器的管理一样简单，“地面鼠标点点，天上卫星颤颤”。

背景：卫星上天拟解决在轨计算难题​

传统卫星都是封闭架构，为特定任务定制卫星，为特定卫星定制载荷，为特定载荷定制软件等，一星一任务，一箭定终生。封闭系统架构的结果必然导致硬件、软件不兼容，无法互换复用，技术迭代很慢。

为了解决上述问题，国内外卫星厂商从软件定义的角度提出了软件定义卫星。软件定义卫星是一种以天基计算为核心，采用开放系统架构，支持有效载荷即插即用、应用软件按需加载，能够方便地通过更新软件去重新定义卫星功能，从而灵活适应多种任务、多类用户的新型智能卫星，如SmartSat、GSky-1、Eutelsat Quantum、OneSat、天智一号等。

然而软件定义卫星仍然面临软件或应用在打包、分发、部署、升级、维护方面存在诸多困难，难以满足卫星在轨业务的快速迭代、即时部署、灰色发布、持续演化等需求，为此国内外都在试图退出新一代智能卫星。

突破：从无到有，打破在轨计算壁垒​

2021年12月7日，成功发射了全球首颗云原生卫星。作为全球首颗云原生卫星，它利用容器技术，基于微服务，借助敏捷方法，通过DevOps来实现应用的持续交付，具有以下优点：

• 快速部署：云原生卫星使用敏捷开发和DevOps，不但可以让用户快速开发程序，自动化部署应用，同时还能持续的更新星载应用，让应用随时跟得需求变化，甚至是引导需求；
• 弹性扩展：云原生卫星天生具有云计算的特点，其资源是可以按照实际情况进行伸缩，提高资源的利用率；
• 安全可靠：云原生卫星依托于容器编排与微服务的组合，使得星上应用具有自动恢复、容错、故障隔离等能力，应对太空复杂环境，让星上应用时刻处于可用状态；
• 高度自治：云原生卫星使用容器化技术，星上应用运行于容器之中，与位置和环境无关，同时构建应用所需要的依赖包、配置文件和后端服务等都是和应用构成一个整体，实现自治管理。

利用云原生边缘计算技术，卫星在太空中先对数据进行计算处理，可减少大量传输压力，满足航空航天领域多样化的需求。以通信、遥感为代表的传统卫星，只有储存能力，只能将存储的数据回传到地面，不具备星上处理能力。

意义：给卫星装APP，实现“业务上天、服务在轨”

如下图所示，通过将KubeEdge系统和轻量级AI推理模型Sedna根据卫星特点进行重构，赋能卫星云原生边缘计算能力，实现了卫星与地面站的协同AI推理，在遥感场景下，地面目标在轨识别精度提升了50%以上，卫星回传数据量减少了90%，并支持AI模型的在轨持续更新。

云原生卫星的到来，给洪水防灾减灾领域带来巨大变革。过去发生洪水时，需先在地面将“拍摄灾区图像”的指令传输给卫星，卫星将拍摄的影像回传。卫星的在轨计算需求迫切。尤其在中国西南地区，80%-90%的数据都是云层遮挡，是没有用的，但是卫星上没有处理，还要传到地面。卫星将所有影像回传后，地面再统一进行云检测与水域提取，生成监测报告通常需要1天时间。由于卫星没有筛选处理能力，所有的数据还是要传到地面才能进一步应用，因此卫星的在轨计算功能是迫切需求。

当卫星有了云原生边缘计算后，洪水来临时，卫星可以通过在轨AI推理，将被云雪覆盖超50%的低质量图像数据丢弃，减少传输压力。并在有效图片回传后，在地面算力资源丰富的中心节点使用高精度AI模型进行运算，进一步缩短影像预处理、水域提取、监测报告生成的时间，防灾减灾响应缩短至1小时。

除了将应急响应时间从天级降低到小时级，卫星边缘任务还可按需更新，通过在轨AI推理，比较暴雨前后图片，发现山体坍塌风险，提前发现地质灾害隐患，并进行预警。

此次云云原生边缘计算在太空成功验证后，后续将在太空中形成协同计算网络，未来有望更好地服务于航空航天、应急通讯、生态监测、防灾减灾以及城市建设。