北京三號A/B衛(wèi)星數(shù)傳智能處理器在軌處理關鍵技術及應用

王元樂 張建華 楊玉辰 方火能 李瀟然 韓婷 朱紅 袁素春 韓宇 趙魏 劉聰聰

(1 西安交通大學 微電子學院,西安 710049)(2 西安空間無線電技術研究所,西安 710071)

北京三號A/B衛(wèi)星[1]運行在太陽同步軌道上,兩顆衛(wèi)星探測器載荷有效速率最高近20 Gbit/s左右,B衛(wèi)星相比A衛(wèi)星線陣探測器由4個變?yōu)?個,同時增加1個面陣探測器,兩顆衛(wèi)星均對衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸能力提出了較高要求。衛(wèi)星設計壽命8年,數(shù)傳分系統(tǒng)采用了大量先進技術,首次開展了用戶參與部分遙感影像智能處理功能研制新模式,截止到2022年10月,裝載了國內(nèi)商用衛(wèi)星中數(shù)傳技術水平最高的智能處理器,可滿足衛(wèi)星“動中成像”、立體成像、任意航跡、正南正北等多種創(chuàng)新應用。

秉承“探索一代,預研一代,研制一代”理念,國內(nèi)從第一代數(shù)傳分系統(tǒng)研制開始,經(jīng)過多年發(fā)展,衛(wèi)星高速數(shù)傳技術已形成了系列化產(chǎn)品,完成了共四代數(shù)傳分系統(tǒng)在軌應用,已研制上百套并成功應用于遙感、高分、飛船、空間站、深空、氣象、環(huán)境、海洋等系列航天器。目前以第三代和第四代數(shù)傳分系統(tǒng)為典型應用[2-4];面向北京三號A/B衛(wèi)星高速數(shù)傳需求,重點開展了數(shù)傳智能處理器研制,相比第四代數(shù)傳產(chǎn)品,主要從處理能力和集成度等特征進行區(qū)別,典型處理能力從5～40Gbit/s提升到40～100Gbit/s以上;其中數(shù)傳智能處理器按照最高40Gbit/s接入能力設計,具有更高集成度、更強處理速率、更大存儲容量,完成了智能化、集成化、標準化、高可靠等特點的第五代高速數(shù)傳分系統(tǒng)[5-6]的開創(chuàng)性實踐。相比于前幾代數(shù)傳分系統(tǒng),采用智能處理器的第五代數(shù)傳分系統(tǒng),集成了數(shù)據(jù)處理器、固態(tài)存儲器、數(shù)傳控制器、壓縮編碼器、圖像處理器共5臺傳統(tǒng)數(shù)傳設備能力,在保證高可靠性的同時,首次全面集成云檢測、相對輻射校正、目標檢測、基于地理位置的感興趣區(qū)域(Region of Interest, ROI)提取、用戶自定義功能等多種遙感影像在軌處理功能。

北京三號A/B衛(wèi)星數(shù)傳智能處理器采用了新型高速串口技術、多核異構(gòu)計算技術、深度學習技術、高可靠軟件定義功能等多種先進技術,實現(xiàn)了圖像壓縮、固態(tài)存儲、數(shù)據(jù)復接和編碼等常規(guī)數(shù)傳功能,創(chuàng)新實踐了在軌圖像處理、圖像預處理、高速路由交換、數(shù)傳任務自主管理、在軌刷新重構(gòu)、輔助數(shù)據(jù)格式編排、數(shù)傳高精度星時等智能數(shù)傳功能。本文重點介紹了北京三號A/B衛(wèi)星在軌處理關鍵技術及應用,開展了需求分析,給出了架構(gòu)方案、設備特點、試驗驗證和應用情況。

1 智能處理器設計

1.1 數(shù)傳分系統(tǒng)處理與傳輸需求

北京三號A/B衛(wèi)星主要通過國內(nèi)衛(wèi)星遙感地面站完成數(shù)據(jù)接收任務,通道部分通過配置X頻段編碼調(diào)制發(fā)射機、開關矩陣等設備可完成任務需求;天線部分通過配置伺服控制器和天線等設備可完成任務需求;數(shù)傳基帶部分性能要求較高,需要完成最高近20Gbit/s的實時圖像壓縮、固態(tài)存儲等常規(guī)數(shù)傳任務;同時針對三超平臺衛(wèi)星在軌遙感影像處理需求,需要開展在軌圖像處理、圖像預處理、用戶自定義功能、數(shù)傳自主任務管理等智能數(shù)傳功能。

針對北京三號A/B衛(wèi)星對數(shù)傳分系統(tǒng)處理與傳輸需求,重點開展了智能處理器需求分析,主要包括:①具備與數(shù)傳分系統(tǒng)、整星其他相關設備交互功能,具備與X頻段編碼調(diào)制發(fā)射機、開關矩陣、伺服控制器等分系統(tǒng)內(nèi)部設備的電源、控制、數(shù)據(jù)等接口功能,具備與相機、姿控、星務、擴頻測控一體機等其它分系統(tǒng)接口功能;②具備高速數(shù)據(jù)路由功能,將接收到的高速載荷數(shù)據(jù)進行數(shù)傳內(nèi)部路由功能,支持載荷數(shù)據(jù)靈活路由至壓縮、固存、通道等數(shù)據(jù)通道;③具備最高近20Gbit/s固態(tài)存儲管理需求,支持固存記錄、回放、邊記邊放、擦除、復位、自檢等功能,支持按任務號記錄/回放/擦除、順序文件號記錄/回放、斷點續(xù)傳,同時B衛(wèi)星因為具備S分發(fā)需求,固存需要支持低速回放;④具備近20Gbit/s圖像壓縮處理需求,支持12bit、11bit的無損、2.5∶1、4∶1全色圖像和多光譜圖像壓縮功能;⑤具備在軌圖像處理需求,支持圖像預處理、目標檢測和熱點區(qū)域提取等在軌圖像處理功能;⑥具備用戶自定義功能,支持開放式軟件設計,接入用戶開發(fā)程序,滿足用戶自研軟件集成,實現(xiàn)用戶特定任務功能;⑦具備軟件定義功能需求,可在軌上注功能程序,具備按照總線命令分時加載不同程序,完成特定任務處理。

數(shù)傳分系統(tǒng)采用數(shù)傳基帶處理設備+數(shù)傳通道設備+數(shù)傳天線設備等共11臺設備組成完整的數(shù)傳分系統(tǒng),共需要裝載17個軟件完成多種類型的星地高速數(shù)傳任務;同時,考慮到B衛(wèi)星相對于A衛(wèi)星由于載荷傳感器類型和速率變化,這些變化僅影響數(shù)傳分系統(tǒng)基帶處理設備,不會影響數(shù)傳通道和天線設備。智能處理器采用了軟件定義功能,可滿足智能處理器硬件平臺通用,軟件沿用或進行適應性修改后滿足整星需求。B衛(wèi)星沿用A衛(wèi)星共8個配置項,其他軟件僅需要針對載荷特性進行了適應性修改。

1.2 智能處理器架構(gòu)設計

智能處理器通過采用全路由總線互聯(lián)架構(gòu),具備包括路由單元+計算單元+固存單元+調(diào)制適配單元+控制單元互聯(lián)能力,通過合理配置各個單元數(shù)量,具備高速靈活路由功能,可支持載荷數(shù)據(jù)通過路由單元接收后,通過總線指令靈活路由至計算單元、固存單元或者調(diào)制適配單元;具備主備份或者環(huán)備份特點[7-8],滿足高可靠長壽命應用需求。

如圖1所示,通過配置路由單元A、路由單元B,實現(xiàn)高速載荷數(shù)據(jù)靈活路由至固存單元、計算單元、調(diào)制適配單元;其中,調(diào)制適配單元A、調(diào)制適配單元B、控制單元A、控制單元B具備冷備份,固存單元1、固存單元2、固存單元3、計算單元1、計算單元2、計算單元3具備3取2、3取1環(huán)備份,使得整機可靠性大幅提高的同時盡可能降低成本。

圖1 智能處理器架構(gòu)

智能處理器采用全路由總線互聯(lián)架構(gòu)具備高速靈活特性,支持記錄模式、回放模式、邊記邊放模式、智能處理模式、上注模式等多種模式,通過軟硬件合理功能劃分[9-10],可滿足衛(wèi)星境內(nèi)外各種工作模式要求。

1.3 智能處理器功能和指標

智能處理器具備圖像壓縮、固態(tài)存儲、數(shù)據(jù)復接和編碼、遙感影像在軌處理、數(shù)傳任務自主管理、高速數(shù)傳路由等功能;①采用新型高速串口技術,設備具備最高40Gbit/s接入能力,實際接口有效數(shù)據(jù)速率達到20Gbit/s,具備實時數(shù)據(jù)接收能力,通過更換更高速率接口芯片,可以進一步提升設備接入能力;②具備圖像壓縮功能,壓縮算法選用JPEG-LS靜止圖像壓縮標準,完成靜態(tài)連續(xù)色調(diào)圖像壓縮,壓縮比連續(xù)可調(diào),兼容無損、2.5∶1、4∶1壓縮比;③具備在軌圖像處理功能,支持開放式軟件設計,滿足用戶自研軟件集成功能,具備相對輻射校正精度優(yōu)于3%、厚云檢測精度優(yōu)于93%、目標檢測準確度優(yōu)于80%等功能;④采用新型固態(tài)存儲技術,單板具備最大記錄速率優(yōu)于9.3Gbit/s,回放速率適應通道速率450Mbit/s/0.9Mbit/s,存儲容量優(yōu)于3Tbit,全部擦除時間≤5min,具備文件回放記錄獨立操作、文件回放暫停啟動、記錄容量預留、碎片主動回收等能力,提升固態(tài)存儲操作能力;⑤按照標準CCSDS高級在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting Systemt, AOS)完成格式編排、加擾等功能;⑥采用軟件定義功能技術,具備路由軟件、固存軟件、計算單元軟件的在軌重構(gòu)能力,能提升在軌數(shù)據(jù)處理靈活性和可維護特性。

1.4 智能處理器特點

智能處理器可滿足北京三號A/B衛(wèi)星高速數(shù)據(jù)處理需求,完成了數(shù)傳分系統(tǒng)全部的數(shù)字基帶處理功能,具備與調(diào)制發(fā)射機、擴頻測控一體機之間的交叉?zhèn)浞萁涌?具備與伺服控制器之間的主備份接口,具備靈活高效備份能力,降低成本的同時能提升可靠性,具有智能化、集成化、標準化、高可靠等特點:

(1)集成化,集合供配電、總線控制、圖像壓縮、在軌處理、數(shù)據(jù)處理、固態(tài)存儲功能于一體;

(2)標準化,基于VPX架構(gòu)[11],單板和整機尺寸標準化,同時滿足結(jié)構(gòu)力學要求;

(3)智能化,支持相對輻射校正、云檢測、目標檢測、基于地理位置的ROI提取、用戶自定義功能等多種在軌圖像智能處理能力;

(4)高可靠,硬件方面采用模塊環(huán)備份及冷備份設計,接口交叉?zhèn)浞菰O計,同時選用具有高等級、飛行經(jīng)歷豐富的元器件;軟件方面采用模塊化成熟軟件,同時采用三模冗余和定時刷新[12]設計,提高抗單粒子能力。

2 智能處理器在軌處理關鍵技術

2.1 軟件定義功能的高性能異構(gòu)計算單元

通過高可靠最小系統(tǒng)可保證正確讀取高性能芯片的功能程序,完成現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)、數(shù)字信號處理器(Digital Signal Processor, DSP)芯片等功能加載。采用軟件定義功能的高性能異構(gòu)計算單元[13-15]的可靠性幾乎與傳統(tǒng)的宇航計算機相當,成本有效降低,兼顧實現(xiàn)了星載計算單元低成本與高可靠特性。

如圖2所示,配置FPGA高性能模組、DSP高性能模組,選用高可靠NorFlash存儲器,用于存儲重要程序和參數(shù);通過高可靠最小系統(tǒng)接收到的控制命令,通過FPGA控制通信接口轉(zhuǎn)發(fā)至高性能FPGA芯片,通過DSP控制通信接口轉(zhuǎn)發(fā)至高性能DSP芯片,完成程序和參數(shù)加載,并具備上注重構(gòu)等能力;同時,通過高速串行輸入輸出(Serial Rapid I/O, SRIO)接口支持模組間高速數(shù)據(jù)通信,充分發(fā)揮最小系統(tǒng)和各個模組間聯(lián)合計算能力。

圖2 軟件定義功能的高性能異構(gòu)計算單元

2.2 高性能遙感影像在軌處理技術

針對敏捷小衛(wèi)星平臺的遙感影像在軌處理需求[16-19],開展基于FPGA+DSP計算單元構(gòu)建高性能遙感影像在軌處理系統(tǒng),該系統(tǒng)可以作為一種通用星載遙感影像在軌處理的異構(gòu)計算系統(tǒng)。路由單元接收衛(wèi)星平臺傳感器高速載荷數(shù)據(jù),完成星載計算系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)的路由管理等功能。針對目標識別、熱點區(qū)域提取、用戶自研任務等近實時處理需求,通過固存單元完成數(shù)據(jù)記錄后再進行數(shù)據(jù)回放,在控制單元與星務的控制命令下,完成近實時圖像在軌處理任務;同時支持后續(xù)算法實時性速率提升后,通過提高固存回放速率,可提高近實時處理速度。針對實時性要求高的圖像預處理等任務,可以滿足邊記邊放或記錄模式下進行圖像預處理任務,包括云判別、輻射校正功能;通過配置云判、輻射校正開關的參數(shù)配置,可同時支持圖像預處理+近實時處理任務流水線功能。

具體特性包括:①圖像預處理功能,通過GTH高速總線接收圖像數(shù)據(jù),利用FPGA完成圖像預處理功能,實現(xiàn)約20Gbit/s實時相對輻射校正、實時云檢測處理能力;②基于深度學習的目標檢測功能,通過固存單元回放遙感影像數(shù)據(jù),利用FPGA完成目標檢測,通過DSP完成目標經(jīng)緯度信息計算,可根據(jù)算法性能靈活調(diào)整處理能力;③基于地理位置的ROI提取功能:通過固存單元回放遙感影像數(shù)據(jù),利用FPGA完成圖像分塊及輔助數(shù)據(jù)分離,通過DSP完成輔助數(shù)據(jù)經(jīng)緯度計算,針對輔助數(shù)據(jù)解析的行列號信息,按照上注提取的熱點經(jīng)緯度進行判別并提取有效熱點區(qū)域圖像;④用戶自定義功能,通過ROI提取后的切片圖像,開展用戶應用程序支持,按照用戶要求進行處理,包括偽彩色圖像處理、水體檢測、快速幾何校正等。

2.3 數(shù)傳任務自主管理技術

控制單元作為數(shù)傳分系統(tǒng)和智能處理器的核心,其能力提升將有效支持敏捷衛(wèi)星自主任務執(zhí)行等功能,提高敏捷衛(wèi)星開展業(yè)務化遙感服務。控制單元必須確保高可靠特性,同時滿足面向敏捷衛(wèi)星對高集成、易用性、自主化需求,采用國產(chǎn)高可靠嵌入式管理執(zhí)行單元SIP模塊,完成了高可靠工程化實現(xiàn)方案;可滿足控制單元力、熱、強度測試等需求,大幅提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸效能;特別在數(shù)傳任務自主管理功能、在軌智能處理任務支持方面有效提升了衛(wèi)星應用的靈活性和自主性。數(shù)傳自主任務支持數(shù)傳分系統(tǒng)內(nèi)各設備和智能處理器各個單元開關機、工作模式切換等;采集分系統(tǒng)遙測并按要求返回給星務;同時,除了執(zhí)行單條指令外,支持數(shù)傳任務自主管理,根據(jù)當前工作模式、前一任務結(jié)束狀態(tài)以及后一任務的狀態(tài),自主生成相應的執(zhí)行指令序列,并按照預先設置的指令執(zhí)行時間及間隔定時發(fā)送等功能;滿足衛(wèi)星單次成像任務提升到優(yōu)于20個子任務需求,保證遙感敏捷衛(wèi)星高集成、易用性和自主化等需求。

2.4 小結(jié)

智能處理器關鍵技術包括:①軟件定義功能的高性能異構(gòu)計算單元,采用了具有高性能FPGA、多核DSP等芯片,完成高性能異構(gòu)計算單元構(gòu)建,作為在軌處理的核心硬件平臺。②高性能遙感影像智能在軌處理技術,不僅計算單元支持軟件定義功能,路由單元和固存單元也具備軟件定義功能,可滿足A衛(wèi)星和B衛(wèi)星智能處理器硬件平臺通用,軟件沿用或進行適應性修改后滿足整星需求;其中,B衛(wèi)星沿用A衛(wèi)星共8個配置項,其他軟件僅需要針對載荷特性進行了適應性修改;通過軟件定義功能,實現(xiàn)高性能遙感影像在軌處理技術。③數(shù)傳任務自主管理技術:通過采用具備CPU、CAN總線、直接遙控遙測等功能SIP和抗輻射存儲器,通過控制指令、遙測收集、上注協(xié)議和程序,CAN協(xié)議、RS422協(xié)議及RS485協(xié)議等合理設計,構(gòu)建高可靠抗輻射軟硬硬件環(huán)境,完成分系統(tǒng)外、分系統(tǒng)內(nèi)、單機內(nèi)各種控制數(shù)據(jù)交互,實現(xiàn)數(shù)傳任務自主管理技術。

智能處理器采用VPX一體化機箱設計,具備12插槽設計,包括2塊路由單元(1主1備),1塊控制單元A/B,1塊調(diào)制適配單元A/B,3塊計算單元(環(huán)備份)、3塊固存單元(環(huán)備份),2塊配電單元1、2,底板1塊;整機考慮散熱優(yōu)化,采用底部安裝DC/DC電源盒體。同時,針對關鍵技術開展技術攻關,通過軟硬件聯(lián)合設計、軟硬件模塊化等設計思路,集成了數(shù)據(jù)處理器、固態(tài)存儲器、數(shù)傳控制器、壓縮編碼器、圖像處理器等數(shù)傳基本功能;通過硬件復用、軟件分時工作及軟件定義功能[12-14]實現(xiàn)圖像在軌智能處理功能。通過合理的研制技術流程,完成了各個階段的工作,性能和功能滿足需求;研制過程質(zhì)量受控,產(chǎn)品數(shù)據(jù)包記錄完整、可追溯。

3 試驗驗證及應用

3.1 A衛(wèi)星在軌驗證及應用情況

北京三號A衛(wèi)星2021年6月11日發(fā)射后,智能處理器隨整星進行了在軌測試,完成了所有工作模式及功能測試,已交付用戶;截止2022年10月,已在軌16個月左右,智能處理器在軌飛行狀態(tài)穩(wěn)定,通過北京等多個地面站接收獲取了海量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)結(jié)果解析后獲得了大量高分辨率遙感影像,功能性能滿足要求,促進了國內(nèi)商業(yè)遙感衛(wèi)星應用。

3.2 B衛(wèi)星在軌驗證及應用情況

北京三號B衛(wèi)星2022年8月24日發(fā)射后,智能處理器隨整星進行了在軌測試,完成了所有工作模式及功能測試,已交付用戶;截止2022年10月,已在軌3個月左右,智能處理器在軌飛行狀態(tài)穩(wěn)定,通過北京等多個地面站接收獲取了海量數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)結(jié)果解析后獲得了大量高分辨率遙感影像,功能性能滿足要求,進一步促進了國內(nèi)商業(yè)遙感衛(wèi)星應用。

3.3 小結(jié)

智能處理器通過北京三號A衛(wèi)星和B衛(wèi)星的地面階段、在軌測試以及在軌應用各個階段的充分驗證,各項功能和指標滿足設計要求,相關關鍵結(jié)果如表1所示;通過對比各個階段測試指標,測試結(jié)果一致性較好,符合相關設計要求,可滿足整星需求。

表1 智能處理器試驗驗證關鍵結(jié)果

4 結(jié)束語

北京三號A/B衛(wèi)星數(shù)傳智能處理器采用全路由總線互聯(lián)架構(gòu),通過合理的軟硬件功能劃分,使用了高可靠SIP+高性能FPGA/DSP等芯片,大幅提升了衛(wèi)星的常規(guī)數(shù)傳能力,創(chuàng)新實踐了多種智能數(shù)傳功能,首創(chuàng)形成了高集成功能強大的第五代數(shù)傳分系統(tǒng)。北京三號A/B衛(wèi)星智能處理器目前已在軌得到了成功驗證并開展業(yè)務應用,兩顆衛(wèi)星智能處理器硬件平臺完全一致,通過軟件定義功能技術實現(xiàn)了不同功能,所有功能和性能均滿足衛(wèi)星系統(tǒng)設計要求。智能處理器通過北京三號A/B衛(wèi)星成功在軌驗證及應用,可作為成熟產(chǎn)品應用于后續(xù)空間高速數(shù)傳任務。