北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

李瀟然 朱紅 趙妍 楊玉辰 郭琪 王鵬 王軍 趙魏

(1 西安空間無線電技術(shù)研究所,西安 710071)(2 航天東方紅衛(wèi)星有限公司,北京 100094)

北京三號(hào)B衛(wèi)星是智能型機(jī)動(dòng)成像衛(wèi)星,采用三超(超敏捷、超穩(wěn)定、超精度)平臺(tái)。衛(wèi)星相機(jī)有面陣和線陣2種成像體制。借助三超平臺(tái)的快速姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力和視軸快速穩(wěn)定能力,高分辨率線陣推掃相機(jī)能實(shí)現(xiàn)星下點(diǎn)45°范圍內(nèi)的區(qū)域目標(biāo)成像、連續(xù)條帶成像、多條帶拼接成像和同軌立體成像,并可通過衛(wèi)星姿態(tài)主動(dòng)推掃實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng)中對(duì)地面目標(biāo)推掃成像和對(duì)空間目標(biāo)推掃成像,面陣視頻相機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面目標(biāo)和空間目標(biāo)的凝視視頻成像。

為滿足載荷數(shù)據(jù)高速成像傳輸需求,北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)在采用小型化設(shè)計(jì)的同時(shí),具備20Gbit/s圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理能力,也具有圖像在軌智能處理、大容量存儲(chǔ)、軟件重構(gòu)及高速路由功能,并支持在軌任務(wù)規(guī)劃[1]。

本文主要對(duì)數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)和在軌驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行了介紹。

1 數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)對(duì)地觀測衛(wèi)星一般采用遙感數(shù)據(jù)獲取-數(shù)據(jù)傳輸-地面處理的運(yùn)行模式,嚴(yán)重制約了具有高實(shí)時(shí)性要求任務(wù)的完成效率。敏捷衛(wèi)星在軌圖像智能處理技術(shù)是縮短信息鏈路、提高任務(wù)時(shí)效性的有效途徑。圖像在軌智能處理具有圖像預(yù)處理、感興趣目標(biāo)及區(qū)域提取的能力[2],可以保障和提高對(duì)地觀測任務(wù)的時(shí)效性。針對(duì)災(zāi)害監(jiān)測等突發(fā)事件的快速響應(yīng)需求,北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)具有在軌智能處理功能,通過關(guān)鍵信息篩選可以有效降低地面接收數(shù)據(jù)規(guī)模并提高信息傳遞的速度,支持信息分發(fā)模式,對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的目標(biāo)信息,可在星上自主智能處理并直接傳輸給用戶,以保證對(duì)目標(biāo)信息獲取的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性[3]。

1.1 一體化智能處理器設(shè)計(jì)

北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)負(fù)責(zé)有效載荷數(shù)據(jù)的對(duì)地傳輸、提供信息分發(fā)等功能,由基帶部分、通道部分及數(shù)傳天線組成。分系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)原理框圖

基帶部分由智能處理器組成,智能處理器包含控制板、路由板、計(jì)算板、存儲(chǔ)板、通道適配板,采用全路由架構(gòu),數(shù)據(jù)流向軟件定義,支持衛(wèi)星靈活多樣的工作模式。其所有業(yè)務(wù)功能均采用APP模式,加載不同軟件完成不同功能,業(yè)務(wù)軟件在軌可重構(gòu),支持目標(biāo)檢測,以及圖像壓縮、存儲(chǔ)、格式編排、編碼、控制等多種功能[4]。圖像壓縮采用JPEG-LS無損/近無損壓縮軟件,具有處理速度高、解壓圖像高保真的特點(diǎn)。存儲(chǔ)板采用新型存儲(chǔ)技術(shù),支持按文件、載荷、成像時(shí)間等多種檢索方式,存儲(chǔ)碎片回收和壞塊管理均在后臺(tái)自主維護(hù),無需地面發(fā)送指令維護(hù)。

通道部分包括X頻段對(duì)地?cái)?shù)傳通道。其設(shè)備由編碼調(diào)制發(fā)射機(jī)、微波開關(guān)矩陣組成。

天線相關(guān)設(shè)備由伺服控制器和數(shù)傳天線組件組成。

1.2 數(shù)據(jù)處理與傳輸

一體化相機(jī)采用線陣和面陣2種成像體制。當(dāng)面陣數(shù)據(jù)全部傳輸時(shí),線陣、面陣分時(shí)成像;當(dāng)面陣數(shù)據(jù)采用小窗傳輸時(shí),線陣、面陣同時(shí)成像。對(duì)相機(jī)圖像原始數(shù)據(jù)率及數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理速率進(jìn)行核算,相機(jī)線陣、面陣圖像數(shù)據(jù)率和智能處理器存儲(chǔ)板寫入速率如表1和表2所示。相機(jī)原始數(shù)據(jù)率高達(dá)16.899Gbit/s。低壓縮比情況下,存儲(chǔ)板寫入數(shù)據(jù)率最高,含線陣全色數(shù)據(jù)5.627Gbit/s,線陣多光譜數(shù)據(jù)2.837Gbit/s,面陣(光軸擾動(dòng))數(shù)據(jù)0.131Gbit/s,存儲(chǔ)板寫入總速率為8.596Gbit/s。數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)智能處理器路由板具備20Gbit/s實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接收處理能力,存儲(chǔ)板數(shù)據(jù)寫入速率超過9.000Gbit/s,數(shù)傳通道采用2×450Mbit/s速率對(duì)地傳輸,可以滿足數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理與平衡傳輸?shù)男枨蟆?/p>

表1 相機(jī)線陣圖像數(shù)據(jù)率

表2 相機(jī)面陣圖像數(shù)據(jù)率

1.3 分系統(tǒng)信息流處理

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)智能處理器路由板接收相機(jī)圖像數(shù)據(jù)。智能處理器路由板主份接收相機(jī)圖像數(shù)據(jù)接口示意如圖2所示,主份高速串行輸入接口為4路,16差分對(duì),32芯傳輸。

圖2 智能處理器接收相機(jī)圖像數(shù)據(jù)接口

智能處理器路由板接收3片線陣、1片面陣數(shù)據(jù),完成線陣和面陣相機(jī)數(shù)據(jù)的輔助數(shù)據(jù)格式編排,將格式編排后的相機(jī)載荷數(shù)據(jù)與星務(wù)小固態(tài)存儲(chǔ)器低電壓差分信號(hào)(LVDS)、三超平臺(tái)LVDS數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)復(fù)接,并根據(jù)工作模式選擇傳輸?shù)酱鎯?chǔ)板或計(jì)算板。

智能處理器計(jì)算板根據(jù)控制總線命令完成全色和多光譜圖像的緩存、分塊,對(duì)3路全色和多光譜圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行JPEG-LS壓縮,根據(jù)壓縮比控制信號(hào)選擇完成低壓縮比或高壓縮比壓縮并完成碼流拼接,拼接后碼流按照896幀長的幀格式輸出,經(jīng)路由板最終將壓縮碼流輸出至存儲(chǔ)板記錄。

通道適配板根據(jù)RS485控制總線完成向路由板的數(shù)據(jù)回放請(qǐng)求,接收來自路由單元的回放數(shù)據(jù),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的幀格式編排、加密、加擾等處理,再送至X頻段調(diào)制器、信息分發(fā)系統(tǒng)。

基帶信號(hào)由調(diào)制發(fā)射機(jī)進(jìn)行調(diào)制、放大、濾波,再由數(shù)傳天線發(fā)送到地面站。數(shù)據(jù)處理過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)處理過程

1.4 分系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)

目前,國內(nèi)對(duì)地觀測衛(wèi)星系統(tǒng)已具備良好數(shù)據(jù)獲取能力,但缺乏智能化觀測及處理能力,北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)突破星上數(shù)據(jù)處理關(guān)鍵技術(shù),具備輻射校正、幾何校正、目標(biāo)檢測、基于地理位置感興趣區(qū)域提取、基于目標(biāo)識(shí)別感興趣區(qū)域提取功能,可以對(duì)星上數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理,提取用戶感興趣圖像,剔除無效數(shù)據(jù),提高數(shù)據(jù)到信息的時(shí)效性,節(jié)省星地鏈路資源。另外,智能處理器具備開放軟件平臺(tái)、支持第三方靈活開發(fā)及應(yīng)用軟件上注的架構(gòu),可根據(jù)后續(xù)業(yè)務(wù)需求上注程序,拓展處理功能[5]。

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)一般包含多臺(tái)設(shè)備,多種指令類型,在軌應(yīng)用模式復(fù)雜,模式組合使用及指令執(zhí)行順序、時(shí)間間隔要求導(dǎo)致遙控指令序列繁瑣,用戶交互性不友好。針對(duì)敏捷衛(wèi)星任務(wù)靈活、在軌處理等服務(wù)需求,北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)支持定義面向業(yè)務(wù)的數(shù)傳任務(wù)在軌規(guī)劃,用戶僅需要上注期望拍攝區(qū)域的地理位置和可用數(shù)據(jù)傳輸窗口,智能處理器可自主計(jì)算元任務(wù)對(duì)應(yīng)的可用計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、數(shù)傳天線預(yù)置時(shí)間等約束條件,配合整星在數(shù)分鐘內(nèi)完成全天的任務(wù)規(guī)劃,滿足敏捷衛(wèi)星用戶易用性需求[6]。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 圖像智能處理

數(shù)傳智能處理器匯聚平臺(tái)、載荷等多種數(shù)據(jù),除了進(jìn)行壓縮、編碼、存儲(chǔ)和格式編排等傳統(tǒng)處理外,還具備在軌圖像處理功能。例如:包括輻射校正、幾何校正、云檢測等圖像預(yù)處理功能;基于地理位置的感興趣區(qū)域(ROI)提取、基于目標(biāo)檢測的ROI提取、目標(biāo)檢測與識(shí)別處理(如航母、巡洋艦、驅(qū)逐艦等典型目標(biāo))等圖像處理功能。在軌智能處理結(jié)果形成的目標(biāo)切片,通過信息分發(fā)實(shí)時(shí)下傳,可以使用戶盡快獲取高時(shí)效性要求的觀測數(shù)據(jù),可應(yīng)用于自然災(zāi)害搶險(xiǎn)救助[7]。在軌智能處理軟件支持參數(shù)庫、算法模塊和具體功能軟件的在軌重構(gòu),可利用上行資源對(duì)智能處理功能進(jìn)行更新拓展。

在智能處理技術(shù)中,云檢測技術(shù)對(duì)全色圖像和多光譜圖像進(jìn)行在軌輻射校正及聯(lián)合云檢測,并將檢測結(jié)果信息標(biāo)注云圖?；诘乩砦恢玫腞OI提取技術(shù),是針對(duì)用戶關(guān)心的局部區(qū)域數(shù)據(jù)進(jìn)行準(zhǔn)實(shí)時(shí)提取,并進(jìn)行校正,生成二級(jí)產(chǎn)品,快速下傳?；谀繕?biāo)檢測的ROI提取技術(shù),是由存儲(chǔ)板將已記錄的原始數(shù)據(jù)慢速回放至計(jì)算板,計(jì)算板對(duì)全色圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)指定目標(biāo)的檢測,并對(duì)檢測的目標(biāo)圖像切片,同時(shí)根據(jù)目標(biāo)數(shù)據(jù)庫匹配識(shí)別生成目標(biāo)位置、特征等信息。智能處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)接和編碼等處理后,進(jìn)行信息分發(fā)。

2.2 高速路由

數(shù)據(jù)傳輸與處理分系統(tǒng)智能處理器內(nèi)部使用高速路由進(jìn)行數(shù)據(jù)流控制,完成有效載荷數(shù)據(jù)流在數(shù)傳智能處理器內(nèi)部各功能模塊間的互聯(lián)互通,解決以往數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)數(shù)據(jù)流向受硬件連接關(guān)系控制、流向單一的問題。路由板中包括2片F(xiàn)PGA,其中1片F(xiàn)PGA根據(jù)工作模式完成不小于20.000Gbit/s載荷數(shù)據(jù)的路由管理。路由板接收3片線陣數(shù)據(jù)、1片面陣數(shù)據(jù),以及CAN總線解析的載荷數(shù)據(jù),完成線陣和面陣相機(jī)數(shù)據(jù)的輔助數(shù)據(jù)格式編排,具備適應(yīng)地面系統(tǒng)應(yīng)用的能力。

數(shù)據(jù)傳輸與處理分系統(tǒng)采用多源異速載荷數(shù)據(jù)復(fù)接技術(shù),在記錄模式,將輔助數(shù)據(jù)格式編排后的相機(jī)載荷數(shù)據(jù)與星務(wù)小固態(tài)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)、三超平臺(tái)數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)復(fù)接,并根據(jù)工作模式選擇分別記錄到2塊存儲(chǔ)板或計(jì)算板上。在回放模式和在軌智能處理模式,根據(jù)RS485總線控制完成不同速率下通過存儲(chǔ)板的數(shù)據(jù)回放。在記錄模式、邊記邊放模式和在軌智能處理模式,根據(jù)RS485總線控制完成不同速率下數(shù)據(jù)由計(jì)算板到存儲(chǔ)板的傳輸[8]。

2.3 高速大容量存儲(chǔ)技術(shù)

為滿足衛(wèi)星對(duì)數(shù)據(jù)傳輸與處理分系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能的需求,智能處理器存儲(chǔ)板以NAND FLASH非易失性芯片作為存儲(chǔ)介質(zhì),選用具有高可靠性、輸入輸出管腳豐富的FPGA作為核心控制器,通過高速接口實(shí)現(xiàn)與外部高速數(shù)據(jù)的交互。存儲(chǔ)板要具有速率高、容量大、質(zhì)量小、耗電省、性價(jià)比高的存儲(chǔ)特點(diǎn),并且存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)在掉電后不丟失。針對(duì)這些特殊的需求,采用半導(dǎo)體存儲(chǔ)芯片NAND FLASH作為存儲(chǔ)介質(zhì),因其具有存儲(chǔ)密度高、無轉(zhuǎn)動(dòng)部件、可靠性高、體積小、質(zhì)量小的特點(diǎn),可滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的任務(wù)需求。

數(shù)據(jù)通道采用超大規(guī)模并行處理和多線程流水技術(shù),在數(shù)據(jù)緩沖模式下,數(shù)據(jù)讀寫速率也能達(dá)到9.000Gbit/s。為實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)帶寬和同時(shí)讀寫的要求,存儲(chǔ)陣列包含8個(gè)獨(dú)立的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元,每個(gè)單元具有1.600Gbit/s的數(shù)據(jù)讀寫帶寬、768.000Gbit的存儲(chǔ)空間和讀寫控制模塊。8個(gè)單元并行用于正常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)工作,有效存儲(chǔ)容量可達(dá)3Tbit;各個(gè)存儲(chǔ)單元在任務(wù)管理單元的統(tǒng)一調(diào)度下并行工作;每個(gè)單元均可以工作在記錄模式或回放模式,也可在記錄的同時(shí)進(jìn)行回放。

2.4 在軌任務(wù)規(guī)劃

為了實(shí)現(xiàn)好用易用和快速敏捷地處理傳輸圖像,將傳統(tǒng)地面任務(wù)規(guī)劃的任務(wù)編排、指令序列生成等功能均由星上自主完成。遙控指令序列一鍵式在軌生成,無需用戶編制復(fù)雜的指令序列,大幅提高用戶使用體驗(yàn)。指令執(zhí)行時(shí)間高度同步,縮短了任務(wù)響應(yīng)時(shí)間,很好地滿足了敏捷成像和快速多點(diǎn)目標(biāo)成像的快速響應(yīng)需求[9]。

根據(jù)數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)的工作模式,將分系統(tǒng)在軌任務(wù)分為記錄模式、回放模式、邊記邊放模式、擦除模式、智能處理模式5種基本元任務(wù),并將關(guān)機(jī)作為在軌飛行任務(wù)執(zhí)行的起點(diǎn)和終點(diǎn)。

智能處理器下位機(jī)軟件收到程控?cái)?shù)據(jù)塊后,根據(jù)程控?cái)?shù)據(jù)塊判斷當(dāng)前元任務(wù)工作模式(記錄模式、回放模式、邊記邊放模式或擦除模式)、上一元任務(wù)結(jié)束時(shí)狀態(tài)(關(guān)機(jī)、記錄結(jié)束、回放結(jié)束、邊記邊放結(jié)束、擦除結(jié)束)及下一元任務(wù)起始狀態(tài)(關(guān)機(jī)、記錄、回放、邊記邊放、擦除),排列組合后,再結(jié)合程控?cái)?shù)據(jù)塊中給出的設(shè)備選用信息、程序加載配置信息、單機(jī)工作參數(shù)信息等,從程控指令池中挑選出需要執(zhí)行的指令,生成指令執(zhí)行序列,并配以合理的指令間隔。根據(jù)生成的指令執(zhí)行序列及指令間隔,逐條發(fā)送給各執(zhí)行單元,完成自主執(zhí)行。

除特定的定時(shí)指令(如記錄、停止記錄、序號(hào)回放、按時(shí)間回放、擦除指令、停止回放、邊記邊放、全部擦除)以外,其余指令間隔由下位機(jī)按一定的規(guī)則預(yù)先指定。下位機(jī)軟件結(jié)合秒脈沖、星時(shí)廣播、本地定時(shí)器共同維護(hù)本地時(shí)間,確保記錄指令、記錄停止指令發(fā)送時(shí)間誤差小于100ms。

3 在軌驗(yàn)證

北京三號(hào)B衛(wèi)星于2022年8月發(fā)射,在軌運(yùn)行正常,為自然資源、生態(tài)環(huán)境、應(yīng)急管理等領(lǐng)域提供了大量數(shù)據(jù)產(chǎn)品和應(yīng)用服務(wù)。衛(wèi)星在軌開展了數(shù)據(jù)處理與傳輸測試,地面接收數(shù)據(jù)正常,解析后的圖像數(shù)據(jù)清晰完整,圖像質(zhì)量滿足用戶需求。驗(yàn)證了高速路由技術(shù)、圖像壓縮技術(shù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)等。

對(duì)北京三號(hào)B衛(wèi)星圖像在軌智能處理進(jìn)行測試,數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)目標(biāo)檢測可在海量成像數(shù)據(jù)中成功檢測出大量艦船、飛機(jī)、油罐目標(biāo),并進(jìn)行定位處理,目標(biāo)檢測率較高。圖4為艦船在軌檢測結(jié)果。衛(wèi)星能夠正確定位用戶上注的感興趣區(qū)域,并以此為中心點(diǎn)剪裁相應(yīng)范圍的圖像切片,切片處理結(jié)果清晰,區(qū)域位置正確。圖5為切片在軌處理結(jié)果。衛(wèi)星在軌能夠正確識(shí)別厚云,厚云檢出率高于93%。圖6為云檢測在軌測試結(jié)果[10]。

圖4 船舶在軌檢測結(jié)果

北京三號(hào)B衛(wèi)星飛控期間在軌任務(wù)規(guī)劃測試覆蓋了全部數(shù)傳模式,數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)所有指令均執(zhí)行正確,在軌任務(wù)規(guī)劃驗(yàn)證成功。圖7為長江段自主任務(wù)規(guī)劃成像結(jié)果。

圖7 長江段自主任務(wù)規(guī)劃成像結(jié)果

4 結(jié)束語

本文介紹了北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)的功能和數(shù)據(jù)處理流程,對(duì)在軌圖像智能處理技術(shù)、高速路由技術(shù)、在軌任務(wù)規(guī)劃等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析。這些關(guān)鍵技術(shù)提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理能力和在軌應(yīng)用的靈活性。智能處理在軌驗(yàn)證結(jié)果表明:北京三號(hào)B衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)可以滿足海量數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)流靈活控制、圖像在軌智能處理的需求,可為后續(xù)遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。