基于SpaceVPX架构的星上高速载荷数据实时处理平台设计

康旭辉 连剑 赵雪纲

(山东航天电子技术研究所，山东烟台 264670)

随着遥感、雷达等卫星载荷技术的迅速发展，星上载荷数据的容量和速率快速提高。星上数据传输技术和存储技术在不断进步，仅靠把原始数据下传不能满足载荷数据的增长需求,严重制约载荷使用效率。同时，卫星载荷数据实时应用需求越来越强，在现有体系下，用户不能直接从卫星获得感兴趣的业务数据，难以满足侦查、监测等应用的时效性需求。因此对星载高性能实时处理平台的需求越来越强烈。

目前，国内高速载荷数据处理工作主要由地面系统完成，星上高速实时处理技术还处于初级研究阶段，已有的低速星载数据处理设备缺少统一规划和标准，每个卫星都根据各自需要和接口进行独立设计，还没有功能完善、标准化、通用化的高速星上实时处理系统。国外近几年的光学、合成孔径雷达(SAR)等遥感卫星逐步展开卫星在轨通用化、可扩展架构的在轨处理技术应用[1-3]，在轨数据处理设备主要采用CPCI/VME总线架构，卫星基本都具备了遥感图像数据在轨实时/近实时处理能力，实现了在轨自动数据分析、多传感器信息融合等技术。随着载荷数据处理技术的迅猛发展，国外相关机构开展了新一代高速处理系统架构研究，相继推出VPX总线架构[4]、OpenVPX标准[5-6]、SpaceVPX标准等，并已经逐步开始在轨应用。

本文针对高速载荷在轨处理和快速应用的需求，采用基于SpaceVPX标准的星上载荷数据高速数据处理设计方案，重点设计了“双星”拓扑、多种功能映射、故障监控系统和故障恢复方式等可靠性提升措施，使系统具备自主监控、故障隔离、功能重构等能力，减少系统冗余规模、使系统具备更强的空间适应性。

1 基于SpaceVPX标准星载载何数据处理平台设计

根据星上原始数据特点、目标数据特点、处理时间要求等具体需求，基于SpaceVPX标准、Rapid IO协议等技术，本文设计了星载实时数据处理平台，以解决面向快速数据处理的高速载荷数据接入、多路并行运算处理、海量数据存储等技术问题。此外，针对空间应用系统故障监测困难、故障不可更换维修等特点，处理平台在SpaceVPX标准基础上设计“双星”控制和交换核心，保证不因控制模块或交换模块单模块的故障而导致整机失效；处理模块进行适当模块备份，在处理模块故障后，进行模块替换和功能重构。同时，在设备内设计智能平台管理(IPMC)监控系统，控制各模块加断电和工作模式，实时监控系统工作状态。针对高速载荷处理系统扩展性要求高、任务可在轨重构等特点，设计软件上注通道、功能重构流程，保障功能的可扩展性。

本文设计的星载实时数据处理平台由基础功能部件和功能负载部件组成。基础功能部件包括公共管理模块、交换控制模块和电源模块，功能负载部件可扩展各种功能单元，如高速数据接口模块、数据处理模块、高速存储模块等。为提高系统可靠性，基础功能部件采用备份设计，保障系统稳定可靠。数据处理平台内部基础功能部件采用双机冷备份，功能负载部件根据数据接口和处理需要进行灵活配备，双机交叉连接。高速数据处理平台硬件组成如图1所示。

图1 数据处理平台硬件组成图Fig.1 Data processing platform hardware composition diagram

高速数据处理平台各模块内部接口标准化、通用化，方便模块扩展和功能扩展，采用嵌入式处理器、数字信号处理器(DSP)和大规模现场可编程门阵列(FPGA)构建通用的管理模块、计算模块、高速接口模块、数据交换模块等，以适应各种载荷数据接口及数据处理算法的需求。数据处理平台以数据交换为核心，可以通过多模块并行处理提高数据处理能力；通过状态监控、冗余容错等技术，提高系统的可管理性、任务可靠性；通过标准化高速数据互连技术，完成高速信号传输和数据处理；通过网络拓扑实现良好的扩展性，支持设备规模的变化及数据处理复杂性的增加。

1.1 数据处理平台拓扑结构

针对高速数据处理平台对通用化、组合化、高性能，支持容错、重构和互连扩展能力，及支持通用的高性能商用货架产品模块的需求，处理平台依据SpaceVPX总线标准设计。在SpaceVPX数据双星交换拓扑的基础上，增加控制双星拓扑结构，设置控制交换，提升系统可靠性。系统控制和数据交换两个核心都采用双冗余交换开关式互连体系架构设计。设备拓扑结构如图2所示，拓扑结构中的主要节点或所有节点采取冗余备份措施，各节点模块之间采用点对点数据路径，而不是总线路径，以提高数据处理系统容错能力，并避免单模块失效影响整个系统。

图2 “双星”高速拓扑图Fig.2 Dual-satellites high-speed topology

数据处理平台有两种类型的槽位接口定义：基础功能槽及功能负载槽。其中基础功能槽的位置是固定的，除此之外，其它所有的槽位都归结为功能负载槽，即数据接口模块、数据处理模块、高速储存模块等都采用统一的负载槽接口定义，各负载模块对所插的槽位不做限制，可随意插换。这种架构设计不仅增强了系统可操作性和通用性，而且兼顾高性能的同时降低了系统研发成本。

1.2 数据处理平台任务映射方式

处理平台由多个数据处理模块组成分布式多处理机系统，交换控制模块作为分布式网络系统综合管理角色，以处理模块为粒度进行管理，通过对数据流的控制实现任务分配、调度和处理流程控制。当某一模块出现故障时，实现系统资源的重分配和处理任务的动态迁移。在单个处理模块内部采用相似的架构，以处理芯片为粒度进行管理，实现对模块级处理任务更细致的调配和管理。

在高速数据处理平台的体系结构中，可将系统分成两部分：一部分为用于任务调度和管理的控制管理单元；另一部分为通过数据链路互联的分布式嵌入式集群。所有数据的交换和流转，都以交换管理模块为核心，在交换模块内完成数据路径和处理流程的规划。各信息处理层之间通过串行高速输入输出接口(SRIO)标准建立数据流，某个信息处理层如果采用多个处理模块，模块间的处理流程可以并行化处理，也可以串行流水处理，每层的数据处理流程设置由每层配置管理单元来完成。根据不同任务的复杂程度、任务对计算资源的需求等，对每一级处理流程配备相关的平台资源，典型数据处理过程如图3所示。

注：Mx表示x号处理模块。

图3 典型数据处理过程图

Fig.3 Typical data processing flow

1.3 系统故障诊断恢复

为提高系统可靠性，结合本文设计的双控制核心的特点，系统内部通过智能平台管理接口(IPMI)实现各功能模块的故障监测和状态管理[7]。IPMI是一种开放标准的硬件管理接口规格，定义了嵌入式管理子系统进行通信的特定方法，用以检测数据处理平台的物理健康特征[8]。系统内IPMI组成如图4所示。

图4 系统内IPMI组成图Fig.4 IPMI composition in system

IPMI系统主要由位于公共管理模块的机架管理控制器(ShMC)，位于各功能模块的智能平台管理器(IPMC)以及内部冗余的智能平台管理总线(IPMB)组成。IPMB选择I2C总线实现。其中ShMC负责整个数据处理平台的监测和状态管理，IPMC负责对各功能模块的监测、状态管理、现场记录和加断电控制，监测状态包括功能模块处理器运行状态、工作温度、工作电压等。IPMC通过冗余双总线IPMB_A和IPMB_B与ShMC通信，将各功能模块状态信息汇总至ShMC，同时接收并执行ShMC转发的指令。ShMC除具备IPMC所有功能外，还具备故障判断、定位和隔离能力。ShMC判断出某一模块出现故障时，可以根据故障情况控制问题模块断电，实现故障隔离。同时ShMC将所有的平台监测信息汇总，发送给上一级管理设备和平台的公共管理模块，为实现系统容错重构提供决策依据。

2 典型星载图像处理系统设计实例

光学载荷在轨图像处理系统是高速实时处理平台的典型应用。相机获得数据后，在通过识别算法提取某一关注目标时，需要生成0～3级信息数据(其中0级信息代表接收的原始数据及简单预处理，3级信息对应于关注目标的核心数据及目标切片图像)，而1级和2级信息生成过程需要进行复杂的图像识别和比对算法，算法复杂度高、运算量大，需要分别配置多个数据处理模块。

以典型图像处理系统设计高速数据处理平台，平台配置1个接口模块、5个处理模块、1个存储模块、1个公共管理模块(含主备)、2个交换模块。接口模块完成载荷的高速数据流接收；通过多个数据处理模块构成并行计算环境，完成载荷数据的实时处理；存储模块用于存储目标数据，实现目标特征数据库，支持重点目标分析判别；交换控制模块为模块间互联提供数据传输通路，各处理节点通过交换模块形成灵活的星型拓扑结构；公共管理模块负责平台系统管理，实现故障容错、资源管理和任务调度，完成数据处理模块算法的动态变更。数据处理平台内部采用I2C控制总线和4×SRIO数据总线连接，所有模块接口形式统一。数据处理平台单模块数据带宽为40 Gbit/s，预留24路交换端口，最多可外设12个高速模块，设备内部总带宽可达240 Gbit/s，可以满足常规高速数据处理的需求。

处理平台的架构具有支持串并行混合处理、支持多级应用层信息同时获取、支持故障容错重构及支持任务动态重构等特点。按照在轨数据变化检测、目标判别和跟踪等信息处理需求，处理平台内配置多个信息处理层，信息处理层之间采用流水线处理过程，大大提高系统的处理能力。处理模块可自由组合，并配置5套被选处理软件，满足不同卫星的需求,也可根据处理任务的要求，对每个处理模块进行软件重配、重新编组划分，实现硬件和软件系统在轨重配置和在轨重构。

2.1 在轨任务重构流程

在系统设备配置满足在轨目标提取与信息生成等数据处理能力的情况下，系统需要具备在轨任务更新的要求。系统内需对信息处理层进行重新组合和任务分配，可由地面注入配置信息，也可以交换控制模块自主进行。地面通过总线注入应用软件的配置信息或重新注入处理算法，由交换控制模块向特定的信息处理层加载处理。

当地面需要识别提取其他关注目标时，对原有处理流程进行重新规划。根据新任务的处理需求，假设只有2级信息生成过程需要进行更高的处理能力，需要配置3个数据处理模块。控制模块控制各处理模块重新加载处理软件，交换模块根据配置需求更改数据流路径，完成整机功能重新配置。经过实测，任务重配置时间约为2.7 s。根据任务动态重构的过程如图5所示。

图5 任务动态重构过程示意Fig.5 Dynamic reconfiguration process diagram

2.2 系统自主容错和故障恢复控制

数据处理平台通过IPMI监测和管理台各功能模块的工作状态，平台的5个处理模块硬件电路完全相同。当系统设备启动后，由交换控制模块根据任务特性，对各信息处理层的数据处理模块进行配置和软件加载，其中备份模块5处于断电备份状态。

当某个处理模块出现故障时，控制模块起用备份模块，立即加载相应的处理软件，交换控制模块重新分配数据流，由备份模块接替故障模块工作。数据处理平台在单模块故障情况下，硬件功能迁移过程如图6所示。

经过实测，故障检测到任务自动重构的时间约为2.5 s。由于数据处理模块间的交互是通过高速网络交叉开关进行的，在平台进行功能迁移时，非故障模块的软件不用更改，只需由交换控制模块通过交换网络加载故障层的软件给备份模块即可，从而确保数据处理和信息生成流程的顺利执行。

图6 故障状态下任务迁移流程图Fig.6 Tasks migration flow under the fault state

3 结束语

SpaceVPX标准应用于星载数据实时处理，可有效提升性能和处理能力，针对宇航应用的系统可靠性提高、功能重构、故障隔离、功能恢复等问题，文章从系统整体出发，设计了“双星”拓扑、多种功能映射、故障监控系统和故障恢复方式等可靠性提升措施，实现了星上数据处理平台在设备级、功能模块级、重要元器件级故障实时检测，故障及时准确识别定位，按照故障预案对故障进行隔离和功能恢复处理，保证在出现故障时，系统仍能处于安全状态。

基于SpaceVPX标准的高速数据处理平台的设计方法，以数据系统为核心，各处理模块之间数据交换带宽高，拓扑路径调整灵活，监控体系完善，有效解决了设备速率提高、功能重构、故障隔离、功能恢复问题，减少设备内备份数量，为星上高速率载荷数据实时处理、数据快速应用提供了一种新的高效途径。