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“小米”是怎么上天的?

2020-02-25 10:36:01 向密

来源:PingWest品玩

作者:王飞

把小米10 Pro手机发上天一共分为几步呢?这或许可以简单用“把大象塞进冰箱”理论来解释——第一步把小米绑到卫星上,第二步把卫星打到天上,第三步把卫星数据回收回来。

小米集团CEO雷军在小米10系列发布会上突然宣布这个消息时让我们一惊。一家中国的民营手机公司和一家中国的民营航天公司,两家公司聚在一起突发奇想,就这样把一台“小米10 Pro”手机搞到了离地球表面500公里的太空上。

这台上天的“小米10 Pro”设计使用时限一年,不间断拍照回传是它目前唯一的任务。

有人会问:手机上天,这有什么特殊的意义吗?

其实确实也没有什么特别的、真正科研上的意义。但——这也并非完全只是宣传上的噱头。

小米中国区市场部项目负责人黄友亮认为,这件事情就特别像“当年伊隆马斯克把特斯拉Roadster发到太空一样。”

“我们的电话和微信在发布会后几乎被轰炸了”,发布会之后,谢成荫忙着处理前来问询的科学家,他是天仪研究院负责该项目的负责人。

他说,“对于普通消费者来说,那些太空、荒漠图片不过只是高清手机壁纸”,而相较于消费者,那些科学家们显得更兴奋。

比如大气研究的相关的科学家找他提出了一些需求,他们认为这种照片拍摄的灵活性其实有助于理解台风。原因是——以往的台风遥感图只是一个“天灵盖”的拍摄角度,但如果有大量在太空的小卫星和这种高像素手机摄影头的话,就能够从台风的各个角度去关注它,获取更精准的三维模型数据。

PingWest品玩(公众号:wepingwest)过去几天和小米公司、天仪研究院相关负责人聊了聊关于“小米10 Pro”上太空拍照的故事。

“小米10 Pro”上天背后,其实并不只是一个宣传层面的事情。它是中国民营科技公司和中国民营航天公司的一次太空探险,它背后蕴藏的意义可能有更多。

一部加强版的“小米10 Pro”

按照我们古板的印象里,航天工业是国之重器。传统的航天一般都是几个亿起步,是长达五年甚至是十年以上的长远工程,这种科目是严肃庄严且沉重的。

现在面前的这台“小米10 Pro”上天项目仅仅用了五个月。2019年6月提出项目并且立项,11月就由长征四号乙运载火箭发射上天,一个月之后,首张照片传回陆地。

当我们真正看到手机在卫星上的状态时,确实和我们想象的相差甚远。航天其实对重量有很高的要求——重量增加不只是带来成本的提升,同时还有风险。所以,卫星上所搭载的小米10 Pro并非是一台完整的手机。

与其说上天的是小米10 Pro,不如说是小米10 Pro的一亿像素影像系统。一台小米10 Pro的重量是208g,而上天的模组重量在100g左右。

小米供图
小米供图

“这可以说是一个相对完整的手机模组和相机模组。”谢成荫告诉我们。

手机在上天后并不需要屏幕互动。所以小米方面给一亿像素做了大量瘦身。首先,4个相机模组只保留了1个一亿像素相机模组;同时,手机外壳、电池、触摸屏等元器件通通被去掉,上天的只有一个手机主板和一亿像素相机模组。

如何控制手机拍照?

手机主板和卫星大脑之间通讯。卫星大脑作为整体的控制单元,小米一亿像素系统和卫星大脑之间有一个基于Linux操作系统的微型计算机主板来进行信息中继转达和传输。卫星大脑控制微型计算机,再由计算机来向手机主板发射指令,最终完成相关的拍照以及照片的取回。

实际上,卫星本身是一个更复杂的系统,在星体上也不只是一个一亿像素系统。卫星载荷一般采取客户“拼单”的模式,所以每个系统包括供电系统都要独立定制。

那么,它的一亿像素模组和我们的消费版还是一样的吗?

可以说一样也可以说不一样。在天上一亿像素系统要对抗跨度更大的温度,在轨卫星将覆盖到零下30度到零上70度的温差,对手机主板的可靠性筛选和必要的防护是一项重要工程。

图片为前期试装模组,非实际成品
图片为前期试装模组,非实际成品

在天仪研究院提供的一张照片里,可以清晰的看到防护模块,防护模块经过专门定制,同时应该也兼具了散热的功效。(看上图)

小米一亿像素和主板被安装在这样一个防护板上,而防护板直接外挂在卫星星体。值得一提的是,一亿像素相机模组直接裸露在太空中,并没有设置任何保护。

小米手机产品部产品经理史晓伟提到了更多细节,比如减震方面和辐射方面的基础防护。卫星发射的力学环境很严苛,所以卫星上一般要使用宇航级的器件,还要充分考虑适配器与运载对接处的减震、卫星与适配器对接面的减振、卫星主结构与小米之间的隔振。

但一致的是——“拍照性能的部分完全一样”,史晓伟说。

上天之后?

小米市场部6月提出需求后,雷军在会上火速拍板,认为“项目特别酷,也很符合米10的调性”,最重要的是觉得“这件事情做出来也有意义。”

随后,一个由手机部硬件、软件、相机、测试、系统以及结构等部门组成的虚拟项目组成立。据PingWest品玩了解,整个虚拟项目组连同天仪研究院的人在内共计100人左右,巧合的是,其中参与到项目组的小米员工中有1/3也有类似的航天背景(此前读过航天学校或专业,或过去公司处于航天行业)。

历时168天,小米和天仪研究院基本解决了卫星发射前的一亿像素系统包括能源系统、结构减震以及热控方面的问题。2019年11月3日,搭载小米一亿像素相机系统的天仪TY15卫星由长征四号乙运载火箭发射上太空。

项目组很多同事是第一次看火箭发射,北京到山西辗转小20个小时,但还是要过去看看,“就像看着自己的孩子出生了一样。”

黄友亮的心其实是一直悬着的,直到第一张图片比预计晚了接近一个月才收到。

天仪TY15卫星的飞行速度很快,每秒钟达到7.6千米,需要精准的在轨姿态控制。比如要拍上海,就需要让相机的摄像头在经过上海上空时准确的指向拍摄目标。同时,时间的精准度也很重要。

按照计划,第一张照片应该会在发射后的一周左右时间收到,但还是出了岔子。

天仪TY15卫星除了小米一亿像素相机系统,还有很多载荷。卫星载荷有点类似于滴滴的“拼单”。“可能是各个载荷的在轨调试有一些耽误。”黄友亮说,当时所有的数据都下不来。

“你也可以理解为软件上有一些bug。”实际上,这是卫星上各家客户的模块对卫星的数据传输出了问题。

数据传输分为两方面。小米一亿像素相机系统的照片一张大概20MB到40MB,每次在轨任务连续拍摄数十张照片,拍摄之后需要将小米相机拍摄的照片传输到卫星载荷管理计算机进行保存。

另一方面,照片在卫星上拍好了,图片数据从载荷管理计算机传输到数传模块然后到地面测控站和地面数传站。

图片引用自网络
图片引用自网络

数传站的作用很好理解,大锅天线接收数据。而地面测控站的作用就是操作员在地面发射无线电波告诉天上的卫星,什么时候开始拍照,以什么样的卫星姿态来拍照,什么时候开始将拍好的照片压缩打包,什么时候以何种姿态开始下传数据。

但卫星通讯并非互联网,并不能随时都可以发送命令和接收数据。“卫星满地球转,基本上每天大概只有四五次卫星过境,每次大概只有15分钟左右的时间去接收新的指令任务以及下载数据。”谢成荫说。

数传站一秒大概可以接收50Mb的数据。在卫星过境时,数传站的大锅天线会不停的对准卫星,15分钟最多可以下传几个GB的数据。

而为了防止手机在太空中因为高能粒子导致手机死机,进而发热导致烧坏模块。这台一亿像素相机系统在太空中被设置为不拍摄的时候让手机关机,而在需要拍摄的时候再启动手机。

民营航天的更多可能

直到11月底,传输bug解决后,一亿像素的图像数据终于通过卫星传输到了地面。第一张照片成功了,但“也有不少拍废了”。

谢成荫显得很兴奋,“现在这台‘小米手机’,已经是人类历史上离地球最远的消费级手机了。”

实际上,我们也搜索了过去海内外发射携带手机的卫星的案例:2013年,NASA曾把改造过的Nexus手机发上太空,离地250公里。他们所处的轨道不同,“卫星在那上面的寿命大概就几天时间”。

图片引用自网络
图片引用自网络

还有另外一款手机进过国际轨道空间站,“但空间站对手机提供了如同地球上一样的舒适环境,并没有对手机有严苛的要求,且空间站是离地距离400多公里的高度。”

回到开头的问题:用一亿像素相机系统在太空上拍照究竟有什么意义呢?

天仪研究院给我们举了个例子:2013年2月11日发射升空的美国Landsat 8对地遥感观测卫星,在经过100天测试运行后,开始获取影像。

相较于专业的对地成像光学相机,一亿像素相机系统能够拍到的整体的影像跟景致确实完全不一样。

Landsat 8携带的对地成像的光学相机(OLI)有9个光谱段,而小米手机相当于只在可见光光谱段内有R、G、B3个光谱段,OLI的单个光谱段的分辨率是30米,几乎是小米手机对地分辨率(60米)的1倍,但是OLI的覆盖宽度只有小米手机的1/4。

照片更易理解。Landsat 8拍得是这样的:

而小米一亿像素的图片是这样的:

图片经过裁切
图片经过裁切

Landsat 8具备仪器级的稳定度和精确度,它的色彩丰富程度和分辨率确实是小米手机所不能比的。但Landsat 8的单星造价也达到了数十亿美元。

谢成荫认为,这就算是个人计算设备和超级计算机一样。性能上,个人计算永远无法匹敌超算,但信息时代的开启却来自于个人计算机的普及而非超级计算机。“大量的日常出行,甚至包括短期的旅游,我们其实更希望是带一个小快灵的设备,那就是一个手机。”

这部上天的一亿像素相机系统目前已经拍了几千张照片。“我们并不指望用小卫星去取代大卫星”,他进一步补充说,“但是如果在应急搜救、科学研究等小快灵的应用上,我还必须要用一个大卫星,如同还需要扛着一个单反相机,需要扛着一个超大型计算机,我才能去完成工作。这就有点不合适了。”

在他看来,这是“小、快、灵”应用在“大、准、稳”航天工作上做出的一个变革。

天仪研究院收到了很多科学家的反馈。他们认为图片的单幅影像的覆盖范围达到了大约720*540公里。如果有大量在轨的同类相机,多角度、多分辨率、多模式、高频次的获取地球影像,一定会在气象观测、环境预警、海洋科学、冰川极地甚至金融分析等诸多领域,为科学家提供更多的科研手段,助力科学研究。

除去太空拍照,民营航天还有更多的应用案例,比如物联网卫星通讯。天仪研究院CEO杨峰认为,“民营航天未来会是中国航天的重要的组成部分,就和现在汽车行业、计算机行业和通信行业一样。”

小米也在一篇文章中介绍称,米粉也给了他们一些反馈,还挺有意思:可不可以开放拍照权限,让我们自己定位想拍的台风、火山、战争等地球大事件?能不能做太空8K直播?拍一个太空Vlog?能不能让一万张1亿像素照片合成一个全景地球?毕竟这样一个“太空航拍机”能不能像当年航拍无人机一样开启一个新的市场,我们需要用实践来检验。

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