开放式超高速空间智能数传系统研究

欧 民，张佳鹏，张爱兵，董 刚，苏继东，贺一峰，苏 峰

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

卫星数据处理与传输系统(以下简称数传系统)是指装载在空间飞行器上、实现对各种遥感载荷数据的处理、压缩、符合国际空间数据系统咨询委员会标准的(consultative committee for space data systems, CCSDS)数据复接、存储、调制、通过天线对地面接收站和中继卫星进行数据传输的系统。传统的卫星遥感载荷受制于数传系统处理传输能力，数据速率一般小于百Gbps。系统应用模式流程为：地面进行任务规划，卫星在轨数据获取，地面站接收下传数据，卫星处理中心进行处理分发，最后用于专业应用[1]，处理环节多，时效性差；此外传统系统设计主要针对初期可预见的固定系统要求及工作模式，硬件功能单一,兼容性不强，难以适应卫星后续功能性能拓展与提升。

随着有效载荷技术的不断发展，推动遥感数据向空间高分辨率超宽幅、高光谱分辨率、精细化精准化发展。例如，从可见光、红外到激光、微波，数据精度越来越高，空间分辨率、光谱分辨率、时间分辨率不断提升,相应的载荷数据传输速率也大幅提升[2]。这就与卫星平台上有限的传输、存储资源之间产生了巨大矛盾, 使得星上对海量数据进行有效处理成了遥感数传技术发展中需要迫切解决的一个问题[3]。

随着卫星数量的增多，成像模式的多样化以及用户需求的复杂化，传统运控、接收、处理和应用环节相互独立的应用模式复杂繁长，响应时间较慢，无法满足应急条件和高时效用户的应用要求。要求处理分发模式直接面向终端，如图1所示，将星上获取的多源遥感数据在轨进行加工处理，生成可直接支持典型应用场景的信息产品进行对地传输与分发，有效提高遥感数据应用时效性，并指导卫星自主任务规划，提升卫星智能化水平。

图1 卫星数据处理与传输应用模式转变Fig.1 Transformation of satellite data processing and transmission application mode

国际上，美国和欧洲积极开展AI、新型网络技术在空间设施的应用探索研究，如天地一体云操作系统、空间大数据、软件定义功能等理念为遥感应用生态注入了活力[4-5]。天地一体、新一代全球公共服务为代表的信息化服务模式极大促进了应用发展。未来遥感应用将以开放式数据共享硬件平台为核心，便于用户迅速获取数据，通过加载应用软件来动态定义所需的服务等级。显著提升信息获取、处理、传输、分发效率，这将是未来空间综合信息智能服务的趋势。

因此，构建几百至千Gbps超高速率载荷数据接收、压缩、检索、智能处理及服务安全且具备开放式架构设计的新体制数传系统，已经成为迎接未来发展的迫切需求。

1 系统设计

超高速空间智能数传系统输入载荷数据速率达到数百Gbps，远大于星地传输速率，为保证在轨图像质量，提高卫星使用效能，将真实有效的图像数据下传至地面提供给用户，系统采取云检测、辐射预校正、区域目标提取、变化检测等海量数据在轨智能处理技术，提取关键目标或变化信息，通过星地无线通道传输到地面，有效解决高速大数据量与数据传输、数据利用率之间的矛盾，满足用户对遥感信息高时效性需求。数传系统采用了“超高速数据在轨智能处理创新设计+成熟射频通道”相结合的系统方案，实现超高速海量数据处理和传输功能。系统组成框图如图2所示，由4台智能处理器、固态存储器(以下简称固存)、数传射频通道、数传天线以及遥控遥测供配电单元组成。

图2 数传系统组成框图Fig.2 Block diagram of data transmission system

数传系统主要包括记录、回放下传及回放处理工作模式。记录模式下数传系统4台智能处理器通过多路10Gbps光纤接口接收载荷数据，路由模块将数据通过光纤接口转发至固存记录，同时控制智能处理器内部数据流向，将载荷数据输入至用户智能处理板卡进行在轨图像实时检测分类处理，处理结果存储在本地固态存储器，或通过路由板将处理结果转发至其它类型处理板卡进行二次精细处理，获得精准结果。数传系统在回放下传模式下，根据地面指令从固存回放指定的原始图像数据或处理结果信息，进入智能处理器后可进行实时压缩或直接输出至数传通道，进行射频调制、滤波、功率放大后从数传天线辐射下传至地面。回放的内容根据任务指令形成的整星文件下传列表地面提供的下传列表决定，回放下传包括原始数据回放下传、原始数据回放压缩下传和处理结果信息回放下传等多种模式。回放处理模式接收地面指令从固存回放指定的原始图像数据经智能处理器路由板送内部智能处理板卡进行图像处理，并将处理结果记入固存，该模式根据用户需求及用户板卡功能分为多种子模式，可由用户自定义功能，在轨通过上注用户应用程序实现。

4台智能处理器完成数百Gbps载荷图像数据接收、分发与路由、在轨图像处理、实时用户信息生成、应用程序加载与上注功能。智能处理器采用VPX标准一体化机箱设计，包括路由单元、控制配电单元、编码调制单元组成的最小系统设计以及可选用户处理板卡。以路由单元为处理及控制中枢，通过制定标准的协议和硬件体系架构，形成载荷数据处理和传输系统核心单元产品，满足卫星载荷数据处理和传输系统不同的任务需求。最小系统具备基本的在轨处理及传输能力，完成任务规划、任务解析、调度执行等功能。在满足最简任务需求的同时，具备较强的可扩展能力，通过配置符合标准协议和产品架构的用户板卡扩展整体系统应用，满足后期在轨高速智能处理需求；另外可以在不更改最小系统设计的情况下，通过软件重构实现系统功能的扩展，提升系统处理能力。用户板卡实现各种在轨图像数据处理工作，根据处理功能特性采用CPU、DSP、FPGA、GPU及专用芯片组成的异构处理平台，实现基于硬件平台的海量数据处理、图像检测、目标精细化识别技术、多用户图像处理软件支持等功能。同时也可加载其他用户任务，完成在轨数据产品加工、用户并行服务等工作。

固存实现超高速载荷原始数据的记录功能，存储容量数百Tbit,存储带宽数百Gbps。采用边擦边记的方式记录来自智能处理器1、2、3、4的图像原始数据、处理后的数据，按文件存储并形成文件属性信息；根据指令要求对记录的图像原始数据进行检索并回放；按照用户信息对图像原始数据文件或处理后的数据文件进行回放；在回放图像原始数据的同时，对处理后的数据结果进行存储或进行其它记录和回放操作的组合。固存可对内部存储阵列、数据交换通道进行检测，对存储阵列内部的故障芯片或故障单元自主替换。固存整机由任务管理模块、高性能路由、存储阵列组成。高性能路由与智能处理器和存储阵列连接，完成载荷数据的接收、发送、动态调度和数据分发；存储阵列完成载荷数据的编译码、存储和回放功能；任务管理模块为整机的核心控制模块，完成整机任务调度和文件管理功能。

数传射频通道采用成熟设计，调制器应用矢量调制技术结合星座映射，具有QPSK、8PSK、16QAM、16APSK、32APSK等调制方式。数传天线采用正交双圆极化设计，可完成系统双极化双通道的信号传输。通道部分采用具备多链路多档位传输速率设计，实现多条链路每路几十Mbps至Gbps级对地通道传输能力，可满足多种地面接收应用模式需求。

2 关键技术

开放式超高速空间智能数传系统与传统数传系统相比，载荷原始数据率高，应用模式灵活，系统架构复杂，研制难度剧增。关键技术如下。

2.1 超高速复杂数据流控制与路由交互技术

当前，星载高速数据接口一般采用低速LVDS形式和中速串行接口形式，单路速率受限，难以实现超高速数据传输[6]。相比传统设计，数传系统载荷速率达到数百Gbps超高速率，系统性能和复杂度成指数量级提升。海量载荷数据带来整个数传系统的硬件传输接口、拓扑架构、软件控制等在各方面较传统型号有了跨越式发展。

针对超高速数据传输需求，系统采用光纤通信传输设备间高速串行信号，在发送端高速差分电信号通过光电转换模块、光缆、光纤连接器传输后到达光接收模块，转换成高速差分电信号，实现了单路光纤大于10Gbps高速传输能力。通过光电模块把电信号转换成光信号，传输介质用光纤代替电缆，光缆在体积、传输距离、轻量化、协议灵活、抗电磁兼容、成本等方面有明显优势。此外，相比使用其它高速接口芯片，同等传输能力下，光电模块具有集成度更高，控制简单，占用处理器资源少，传输协议灵活的优点[7]。同时，优化了封装结构设计、光路设计和热设计，采取单粒子保护电路和抗辐照专用控制芯片等措施，提升了产品的空间环境适应性，满足在轨应用条件。

由于卫星载荷速率需求差别较大，传统定制型设计难以满足多源数据的通用性要求。新型数传系统基于路由的处理架构，制定了开放式数据标准协议，可适应高中低速率数据传输，通过路由协议进行数据分发。各单元之间数据流由定向型发展为星型数据网络的先进处理架构，解决了多载荷接口、形式参数各异导致的设计难题。突破了基于星载应用的多速率数据路由协议技术、处理任务规划技术，形成具备产品化能力的全新载荷处理核心单元及开放式兼容数据路由架构，能够承载强大的人工智能和机器学习应用程序，实现满足多种类需求的即插即用型开放式全功能载荷处理平台。

系统设计具备更智能的控制和规划能力,基于多种在轨数据处理结果的复杂数据流控制与交互技术，实现单机内部多类模式的数据流控制，单机间信息共享，数据交换等复杂数据控制与交互模式[8]。存储资源设计灵活端口和配置功能，具有良好的数据传输带宽和可伸缩性，适应多种速率、多种位宽处理要求。在配合整星工作模式方面，通过软件在轨重构，支持更多种类的处理任务。在数据管理方面，利用星上有限的硬件资源，对路由拓扑状态进行动态更新，适应星内数据灵活路由，并支持星间数据组网交互的潜在需求。

2.2 基于灵活智能信息处理的开放式架构设计

为适应多种星上智能处理模式，同时具有高实时性的信息传输特性，采取了工程化、通用化设计。以高性能可编程器件、高速存储器件、高速接口器件等为核心，依托目前先进的VPX标准体系结构，定义插板兼容、灵活可变的整机形式，形成开放式兼容平台，支持在轨信息处理、数据智能管理以及传统处理等功能的实现[9]。平台具备软硬件可重构功能，高效完成星上任务的同时兼顾系统柔性化功能扩展。具体表现在如下：所有单板(包括用户处理板卡)采用统一的硬件构架模式，系统硬件灵活，可裁剪可扩展；采用分布式可重构方案，每一块单板均配备上注功能，提高系统的可靠性和可重构性；设计灵活接口和存储配置，具有良好的数据传输带宽和可伸缩性，适应多种速率、多种位宽处理要求。通过平台集成共用，架构在轨重构、软件上注更新方式实现各种先进智能处理算法及深度学习功能。软件定义技术可以使航天器的软硬件解耦，支持硬件通用化、在轨功能定义等，为满足航天器未来发展需求提供了技术途径[10]。在智能电源管理方面，梳理任务规划，对单独的处理、存储平台进行休眠、待机、工作等状态维护，降低设备功耗，减少单粒子等空间辐射效应影响，提高产品可靠性。

2.3 超大容量超高速率固存设计

载荷成像和处理特点要求固态存储器可存储高速海量数据，且可提供灵活多样的工作模式，具有数据速率高、容量大、并行任务数量多、检索复杂的任务特点。针对超大容量、超高码率的需求，采用高速光纤接口传输技术、高速缓存技术、流水线并行存储技术实现10Gbps光纤接口稳定传输；通过新型DDR缓存技术，完成高速，并行流水线存储功能；采用全新分布式架构和模块交互协议，进行RS纠错编码、数据交织、ECC编码多级检错纠错方式提升超高速数据接收和存储性能[11]。

除传统的按文件号、时间信息等索引外，针对图像通道号、智能处理结果、地理信息网格特征等新型多源数据分类存储和管理需求，通过研究索引文件系统、开发FPGA及DSP异构软件辅助快速检索技术，基于索引架构的FLASH文件系统突破精细化数据检索技术，多源数据分类存储和管理技术，实现了多源数据的并发存储任务和精准检索回放功能，形成存储结构的索引目录及数据多特征值任意组合检索和极小颗粒度(页)数据的检索能力。

3 设计结果验证

数传系统开展联试工作验证了系统功能、工作模式以及各设备间接口的正确性和匹配性，如图3所示。

图3 数传系统验证框图Fig.3 Block diagram of data transmission system verification

系统通过地面检测设备发送遥控指令切换数传系统工作模式，并接收遥测数据。记录模式下地面光纤模拟源将模拟载荷数据经多路光纤发送至智能处理器，智能处理器路由板将接收到的数据转发至固存存储，同时根据处理需求将数据分发至内部用户板卡进行智能处理，处理结果在本地存储。回放下传模式根据地面指令从固存回放指定的原始图像数据和处理后的信息，经智能处理器路由板发送至数传射频通道下传，地面对接收射频信进行衰减、变频、解调译码后进入高性能处理存储服务器，从而进行实时数据判读或回访检查。回放处理模式从固存回放指定的原始图像数据送智能处理器路由板，转发至用户板卡进行处理，并将处理结果记入固存。

通过工作模式测试验证了超高速数据路由链路传输协议匹配性和数据正确性，如图4所示。记录模式时光纤模拟源数十路10G/8.25Gbps光纤数据输入到智能处理器路由板，经光纤转发至固存存储。回放模式将固存存储的原始数据回放至智能处理器路由板，再输出至数传射频通道，地面进行信号处理以及信息译码和格式解析后恢复出原始数据，与光纤模拟源发送数据比对，结果为零误码，验证了超高速数据路由链路传输性能满足要求。此外通过记录、回放以及处理回放多种模式的覆盖性测试，验证了数据流控制与路由交互功能正确性。

图4 高速光电模块传输协议验证结果(路由与存储)Fig.4 Verification results of high-speed photoelectric module transport protocol(routing and storage)

智能处理功能验证，用户处理板卡接收智能处理器路由板转发的模拟原始样本数据，完成目标的高置信度识别，生成精细目标身份信息，实现典型目标的精准识别。对于可见光与红外图实现辐射校正、几何校正、云判等预处理功能[12]，如图5所示。通过预存地图信息、结合辅助数据，判断卫星观测场景类型，如沙漠、森林、农田、海洋、湖泊等，选择相应的图像处理应用算法进行识别。针对地物目标或事件的已知样本特征，开展多谱段数据下的温度反演、光谱特征提取、几何特征提取、配准、信息融合、特征鉴别等处理，实现目标或事件的自动化快速检测、分类和识别。

图5 相对辐射校正及云判功能Fig.5 Relative radiometric correction and cloud detection functions

如针对森林火灾、秸秆焚烧等空间异常事件，采用温度反演+掩膜实现，如图6所示。对于地震等时间异常事件，采用与历史图像进行变化检测算法，实现快速发现快速预警。经数万个样本测试，结果检测率超过92%，虚警率不超过2%。系统通过程序上注可支持多用户APP同时在线运行、模型更新、参数更新等功能。在轨工作时随着典型样本数量持续更新丰富，依托在轨智能感知(深度学习和训练)能力，系统决策模块进行算法调整优化，可进一步提升处理结果性能。

图6 水域温度反演Fig.6 Inversion of water temperatue

固存实时记录及检索回放验证，根据地面指令从固存回放指定的原始图像数据和处理后信息(包括目标切片、目标信息列表及其他处理结果)并进行下传。指令中指定载荷设备号、任务号、图像行号以及其它关键信息，固存检索出符合特征值的数据，回放数据从光纤接口输出至智能处理器路由板，再转发至射频通道传输到地面，经过译码、格式解析等处理后恢复出固存回放原始数据，判读结果正确。

4 结论

经过以上设计验证，数传系统实现了数百Gbps载荷数据高实时性原始信息处理及处理后信息传输能力。随着人工智能技术发展，以深度学习等为代表的新一代智能处理算法性能较传统处理方法有显著改善，可提升在轨信息提取准确度、置信度，将有效支持星上信息提取与快速分发等典型应用，深刻改变卫星的应用模式，为在轨目标信息提取应用提供新手段。新型数传系统将从基于星载约束的人工智能处理新方法以及高性能智能处理平台性能提升等方面深入开展研究，采取通用及专用芯片构建高性能嵌入式人工智能异构平台，提升多源多分辨率遥感图像适应性、优化高速并行处理深度网络模型性能，实现基于星载约束的开放式高可靠、高性能处理系统。