北京三号A/B卫星数传智能处理器在轨处理关键技术及应用

王元乐 张建华 杨玉辰 方火能 李潇然 韩婷 朱红 袁素春 韩宇 赵魏 刘聪聪

(1 西安交通大学 微电子学院,西安 710049)(2 西安空间无线电技术研究所,西安 710071)

北京三号A/B卫星[1]运行在太阳同步轨道上,两颗卫星探测器载荷有效速率最高近20 Gbit/s左右,B卫星相比A卫星线阵探测器由4个变为3个,同时增加1个面阵探测器,两颗卫星均对卫星数据处理与传输能力提出了较高要求。卫星设计寿命8年,数传分系统采用了大量先进技术,首次开展了用户参与部分遥感影像智能处理功能研制新模式,截止到2022年10月,装载了国内商用卫星中数传技术水平最高的智能处理器,可满足卫星“动中成像”、立体成像、任意航迹、正南正北等多种创新应用。

秉承“探索一代,预研一代,研制一代”理念,国内从第一代数传分系统研制开始,经过多年发展,卫星高速数传技术已形成了系列化产品,完成了共四代数传分系统在轨应用,已研制上百套并成功应用于遥感、高分、飞船、空间站、深空、气象、环境、海洋等系列航天器。目前以第三代和第四代数传分系统为典型应用[2-4];面向北京三号A/B卫星高速数传需求,重点开展了数传智能处理器研制,相比第四代数传产品,主要从处理能力和集成度等特征进行区别,典型处理能力从5～40Gbit/s提升到40～100Gbit/s以上;其中数传智能处理器按照最高40Gbit/s接入能力设计,具有更高集成度、更强处理速率、更大存储容量,完成了智能化、集成化、标准化、高可靠等特点的第五代高速数传分系统[5-6]的开创性实践。相比于前几代数传分系统,采用智能处理器的第五代数传分系统,集成了数据处理器、固态存储器、数传控制器、压缩编码器、图像处理器共5台传统数传设备能力,在保证高可靠性的同时,首次全面集成云检测、相对辐射校正、目标检测、基于地理位置的感兴趣区域(Region of Interest, ROI)提取、用户自定义功能等多种遥感影像在轨处理功能。

北京三号A/B卫星数传智能处理器采用了新型高速串口技术、多核异构计算技术、深度学习技术、高可靠软件定义功能等多种先进技术,实现了图像压缩、固态存储、数据复接和编码等常规数传功能,创新实践了在轨图像处理、图像预处理、高速路由交换、数传任务自主管理、在轨刷新重构、辅助数据格式编排、数传高精度星时等智能数传功能。本文重点介绍了北京三号A/B卫星在轨处理关键技术及应用,开展了需求分析,给出了架构方案、设备特点、试验验证和应用情况。

1 智能处理器设计

1.1 数传分系统处理与传输需求

北京三号A/B卫星主要通过国内卫星遥感地面站完成数据接收任务,通道部分通过配置X频段编码调制发射机、开关矩阵等设备可完成任务需求;天线部分通过配置伺服控制器和天线等设备可完成任务需求;数传基带部分性能要求较高,需要完成最高近20Gbit/s的实时图像压缩、固态存储等常规数传任务;同时针对三超平台卫星在轨遥感影像处理需求,需要开展在轨图像处理、图像预处理、用户自定义功能、数传自主任务管理等智能数传功能。

针对北京三号A/B卫星对数传分系统处理与传输需求,重点开展了智能处理器需求分析,主要包括:①具备与数传分系统、整星其他相关设备交互功能,具备与X频段编码调制发射机、开关矩阵、伺服控制器等分系统内部设备的电源、控制、数据等接口功能,具备与相机、姿控、星务、扩频测控一体机等其它分系统接口功能;②具备高速数据路由功能,将接收到的高速载荷数据进行数传内部路由功能,支持载荷数据灵活路由至压缩、固存、通道等数据通道;③具备最高近20Gbit/s固态存储管理需求,支持固存记录、回放、边记边放、擦除、复位、自检等功能,支持按任务号记录/回放/擦除、顺序文件号记录/回放、断点续传,同时B卫星因为具备S分发需求,固存需要支持低速回放;④具备近20Gbit/s图像压缩处理需求,支持12bit、11bit的无损、2.5∶1、4∶1全色图像和多光谱图像压缩功能;⑤具备在轨图像处理需求,支持图像预处理、目标检测和热点区域提取等在轨图像处理功能;⑥具备用户自定义功能,支持开放式软件设计,接入用户开发程序,满足用户自研软件集成,实现用户特定任务功能;⑦具备软件定义功能需求,可在轨上注功能程序,具备按照总线命令分时加载不同程序,完成特定任务处理。

数传分系统采用数传基带处理设备+数传通道设备+数传天线设备等共11台设备组成完整的数传分系统,共需要装载17个软件完成多种类型的星地高速数传任务;同时,考虑到B卫星相对于A卫星由于载荷传感器类型和速率变化,这些变化仅影响数传分系统基带处理设备,不会影响数传通道和天线设备。智能处理器采用了软件定义功能,可满足智能处理器硬件平台通用,软件沿用或进行适应性修改后满足整星需求。B卫星沿用A卫星共8个配置项,其他软件仅需要针对载荷特性进行了适应性修改。

1.2 智能处理器架构设计

智能处理器通过采用全路由总线互联架构,具备包括路由单元+计算单元+固存单元+调制适配单元+控制单元互联能力,通过合理配置各个单元数量,具备高速灵活路由功能,可支持载荷数据通过路由单元接收后,通过总线指令灵活路由至计算单元、固存单元或者调制适配单元;具备主备份或者环备份特点[7-8],满足高可靠长寿命应用需求。

如图1所示,通过配置路由单元A、路由单元B,实现高速载荷数据灵活路由至固存单元、计算单元、调制适配单元;其中,调制适配单元A、调制适配单元B、控制单元A、控制单元B具备冷备份,固存单元1、固存单元2、固存单元3、计算单元1、计算单元2、计算单元3具备3取2、3取1环备份,使得整机可靠性大幅提高的同时尽可能降低成本。

图1 智能处理器架构

智能处理器采用全路由总线互联架构具备高速灵活特性,支持记录模式、回放模式、边记边放模式、智能处理模式、上注模式等多种模式,通过软硬件合理功能划分[9-10],可满足卫星境内外各种工作模式要求。

1.3 智能处理器功能和指标

智能处理器具备图像压缩、固态存储、数据复接和编码、遥感影像在轨处理、数传任务自主管理、高速数传路由等功能;①采用新型高速串口技术,设备具备最高40Gbit/s接入能力,实际接口有效数据速率达到20Gbit/s,具备实时数据接收能力,通过更换更高速率接口芯片,可以进一步提升设备接入能力;②具备图像压缩功能,压缩算法选用JPEG-LS静止图像压缩标准,完成静态连续色调图像压缩,压缩比连续可调,兼容无损、2.5∶1、4∶1压缩比;③具备在轨图像处理功能,支持开放式软件设计,满足用户自研软件集成功能,具备相对辐射校正精度优于3%、厚云检测精度优于93%、目标检测准确度优于80%等功能;④采用新型固态存储技术,单板具备最大记录速率优于9.3Gbit/s,回放速率适应通道速率450Mbit/s/0.9Mbit/s,存储容量优于3Tbit,全部擦除时间≤5min,具备文件回放记录独立操作、文件回放暂停启动、记录容量预留、碎片主动回收等能力,提升固态存储操作能力;⑤按照标准CCSDS高级在轨系统(Advanced Orbiting Systemt, AOS)完成格式编排、加扰等功能;⑥采用软件定义功能技术,具备路由软件、固存软件、计算单元软件的在轨重构能力,能提升在轨数据处理灵活性和可维护特性。

1.4 智能处理器特点

智能处理器可满足北京三号A/B卫星高速数据处理需求,完成了数传分系统全部的数字基带处理功能,具备与调制发射机、扩频测控一体机之间的交叉备份接口,具备与伺服控制器之间的主备份接口,具备灵活高效备份能力,降低成本的同时能提升可靠性,具有智能化、集成化、标准化、高可靠等特点:

(1)集成化,集合供配电、总线控制、图像压缩、在轨处理、数据处理、固态存储功能于一体;

(2)标准化,基于VPX架构[11],单板和整机尺寸标准化,同时满足结构力学要求;

(3)智能化,支持相对辐射校正、云检测、目标检测、基于地理位置的ROI提取、用户自定义功能等多种在轨图像智能处理能力;

(4)高可靠,硬件方面采用模块环备份及冷备份设计,接口交叉备份设计,同时选用具有高等级、飞行经历丰富的元器件;软件方面采用模块化成熟软件,同时采用三模冗余和定时刷新[12]设计,提高抗单粒子能力。

2 智能处理器在轨处理关键技术

2.1 软件定义功能的高性能异构计算单元

通过高可靠最小系统可保证正确读取高性能芯片的功能程序,完成现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array, FPGA)、数字信号处理器(Digital Signal Processor, DSP)芯片等功能加载。采用软件定义功能的高性能异构计算单元[13-15]的可靠性几乎与传统的宇航计算机相当,成本有效降低,兼顾实现了星载计算单元低成本与高可靠特性。

如图2所示,配置FPGA高性能模组、DSP高性能模组,选用高可靠NorFlash存储器,用于存储重要程序和参数;通过高可靠最小系统接收到的控制命令,通过FPGA控制通信接口转发至高性能FPGA芯片,通过DSP控制通信接口转发至高性能DSP芯片,完成程序和参数加载,并具备上注重构等能力;同时,通过高速串行输入输出(Serial Rapid I/O, SRIO)接口支持模组间高速数据通信,充分发挥最小系统和各个模组间联合计算能力。

图2 软件定义功能的高性能异构计算单元

2.2 高性能遥感影像在轨处理技术

针对敏捷小卫星平台的遥感影像在轨处理需求[16-19],开展基于FPGA+DSP计算单元构建高性能遥感影像在轨处理系统,该系统可以作为一种通用星载遥感影像在轨处理的异构计算系统。路由单元接收卫星平台传感器高速载荷数据,完成星载计算系统内部数据的路由管理等功能。针对目标识别、热点区域提取、用户自研任务等近实时处理需求,通过固存单元完成数据记录后再进行数据回放,在控制单元与星务的控制命令下,完成近实时图像在轨处理任务;同时支持后续算法实时性速率提升后,通过提高固存回放速率,可提高近实时处理速度。针对实时性要求高的图像预处理等任务,可以满足边记边放或记录模式下进行图像预处理任务,包括云判别、辐射校正功能;通过配置云判、辐射校正开关的参数配置,可同时支持图像预处理+近实时处理任务流水线功能。

具体特性包括:①图像预处理功能,通过GTH高速总线接收图像数据,利用FPGA完成图像预处理功能,实现约20Gbit/s实时相对辐射校正、实时云检测处理能力;②基于深度学习的目标检测功能,通过固存单元回放遥感影像数据,利用FPGA完成目标检测,通过DSP完成目标经纬度信息计算,可根据算法性能灵活调整处理能力;③基于地理位置的ROI提取功能:通过固存单元回放遥感影像数据,利用FPGA完成图像分块及辅助数据分离,通过DSP完成辅助数据经纬度计算,针对辅助数据解析的行列号信息,按照上注提取的热点经纬度进行判别并提取有效热点区域图像;④用户自定义功能,通过ROI提取后的切片图像,开展用户应用程序支持,按照用户要求进行处理,包括伪彩色图像处理、水体检测、快速几何校正等。

2.3 数传任务自主管理技术

控制单元作为数传分系统和智能处理器的核心,其能力提升将有效支持敏捷卫星自主任务执行等功能,提高敏捷卫星开展业务化遥感服务。控制单元必须确保高可靠特性,同时满足面向敏捷卫星对高集成、易用性、自主化需求,采用国产高可靠嵌入式管理执行单元SIP模块,完成了高可靠工程化实现方案;可满足控制单元力、热、强度测试等需求,大幅提升了卫星数据处理和传输效能;特别在数传任务自主管理功能、在轨智能处理任务支持方面有效提升了卫星应用的灵活性和自主性。数传自主任务支持数传分系统内各设备和智能处理器各个单元开关机、工作模式切换等;采集分系统遥测并按要求返回给星务;同时,除了执行单条指令外,支持数传任务自主管理,根据当前工作模式、前一任务结束状态以及后一任务的状态,自主生成相应的执行指令序列,并按照预先设置的指令执行时间及间隔定时发送等功能;满足卫星单次成像任务提升到优于20个子任务需求,保证遥感敏捷卫星高集成、易用性和自主化等需求。

2.4 小结

智能处理器关键技术包括:①软件定义功能的高性能异构计算单元,采用了具有高性能FPGA、多核DSP等芯片,完成高性能异构计算单元构建,作为在轨处理的核心硬件平台。②高性能遥感影像智能在轨处理技术,不仅计算单元支持软件定义功能,路由单元和固存单元也具备软件定义功能,可满足A卫星和B卫星智能处理器硬件平台通用,软件沿用或进行适应性修改后满足整星需求;其中,B卫星沿用A卫星共8个配置项,其他软件仅需要针对载荷特性进行了适应性修改;通过软件定义功能,实现高性能遥感影像在轨处理技术。③数传任务自主管理技术:通过采用具备CPU、CAN总线、直接遥控遥测等功能SIP和抗辐射存储器,通过控制指令、遥测收集、上注协议和程序,CAN协议、RS422协议及RS485协议等合理设计,构建高可靠抗辐射软硬硬件环境,完成分系统外、分系统内、单机内各种控制数据交互,实现数传任务自主管理技术。

智能处理器采用VPX一体化机箱设计,具备12插槽设计,包括2块路由单元(1主1备),1块控制单元A/B,1块调制适配单元A/B,3块计算单元(环备份)、3块固存单元(环备份),2块配电单元1、2,底板1块;整机考虑散热优化,采用底部安装DC/DC电源盒体。同时,针对关键技术开展技术攻关,通过软硬件联合设计、软硬件模块化等设计思路,集成了数据处理器、固态存储器、数传控制器、压缩编码器、图像处理器等数传基本功能;通过硬件复用、软件分时工作及软件定义功能[12-14]实现图像在轨智能处理功能。通过合理的研制技术流程,完成了各个阶段的工作,性能和功能满足需求;研制过程质量受控,产品数据包记录完整、可追溯。

3 试验验证及应用

3.1 A卫星在轨验证及应用情况

北京三号A卫星2021年6月11日发射后,智能处理器随整星进行了在轨测试,完成了所有工作模式及功能测试,已交付用户;截止2022年10月,已在轨16个月左右,智能处理器在轨飞行状态稳定,通过北京等多个地面站接收获取了海量数据,数据结果解析后获得了大量高分辨率遥感影像,功能性能满足要求,促进了国内商业遥感卫星应用。

3.2 B卫星在轨验证及应用情况

北京三号B卫星2022年8月24日发射后,智能处理器随整星进行了在轨测试,完成了所有工作模式及功能测试,已交付用户;截止2022年10月,已在轨3个月左右,智能处理器在轨飞行状态稳定,通过北京等多个地面站接收获取了海量数据,数据结果解析后获得了大量高分辨率遥感影像,功能性能满足要求,进一步促进了国内商业遥感卫星应用。

3.3 小结

智能处理器通过北京三号A卫星和B卫星的地面阶段、在轨测试以及在轨应用各个阶段的充分验证,各项功能和指标满足设计要求,相关关键结果如表1所示;通过对比各个阶段测试指标,测试结果一致性较好,符合相关设计要求,可满足整星需求。

表1 智能处理器试验验证关键结果

4 结束语

北京三号A/B卫星数传智能处理器采用全路由总线互联架构,通过合理的软硬件功能划分,使用了高可靠SIP+高性能FPGA/DSP等芯片,大幅提升了卫星的常规数传能力,创新实践了多种智能数传功能,首创形成了高集成功能强大的第五代数传分系统。北京三号A/B卫星智能处理器目前已在轨得到了成功验证并开展业务应用,两颗卫星智能处理器硬件平台完全一致,通过软件定义功能技术实现了不同功能,所有功能和性能均满足卫星系统设计要求。智能处理器通过北京三号A/B卫星成功在轨验证及应用,可作为成熟产品应用于后续空间高速数传任务。