CN106843038B - 一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统，采用“CPU+2FPGA”架构，其中，将嵌入式实时操作系统移植到CPU作为主控管理模块，用于完成遥感卫星图像处理载荷的状态监管和任务调度，具有足够的灵活性、安全性和稳定性；FPGA用于通讯信息整合分发，可弥补CPU中断优先级有别、中断向量表有限在面对多个时序接口时的缺陷，同时用于图像预处理可满足较大数据量实时低延迟的要求。本发明的系统结构设计既能有效满足主控管理功能，又能满足图像的高并行处理要求和复杂浮点数的运算要求，同时又满足系统安全可靠、灵活性强的要求。

Description

一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统
技术领域
本发明属于星载电子系统与图像处理相结合的交叉科学技术领域，更具体地，涉及一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统。
背景技术
遥感卫星图像处理载荷任务繁多，根据卫星、地球和太阳三者的几何位置关系快速确定地球深空区域、四季变化和昼夜情况确定监测区域达到不同的监测目的；同时传感器会产生大量的图像数据和遥感信息需要传输到地面，需要卫星图像处理载荷对这些数据进行实时压缩和传输；监测任务要求遥感卫星图像处理载荷传感器指向保持某一特定姿态，利用图像中的恒星进行星图识别，计算出传感器的瞬时指向，输出给微型控制系统做姿态矫正，从而保证传感器指向的准确性等。除了上述星上数据处理分析的任务需求外，遥感卫星图像处理载荷的板间通讯、状态监控、指令下达等必不可少的任务也是纷繁复杂。所以，需要一个“大管家”——主控系统来对卫星图像处理载荷进行“监管”，进行合理的任务规划调度同时根据遥感卫星图像处理载荷的任务需求完成相应的功能。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统，采用“CPU+2FPGA”架构，将嵌入式实时操作系统移植到CPU作为主控管理模块，用于完成遥感卫星图像处理载荷的状态监管和任务调度，具有足够的灵活性、安全性和稳定性；FPGA用于实现图像预处理、通讯信息整合分发功能，可满足大数据量实时低延迟处理。由此解决现有技术中对卫星图像处理载荷进行“监管”、进行合理的任务规划调度以及根据遥感卫星图像处理载荷的任务需求完成相应功能的技术难题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统，包括：主控管理模块、第一FPGA模块、第二FPGA模块；
所述主控管理模块分别与所述第一FPGA模块、所述第二FPGA模块以及星务计算机进行通讯连接；所述第一FPGA模块与所述第二FPGA模块以及卫星图像处理载荷进行通讯连接；
所述主控管理模块，用于根据任务需求进行任务的合理划分，其中，任务类型包括卫星图像处理载荷状态监控、卫星图像处理载荷状态反馈、指令接收和解析、容错应急处理、区域划分和时相确定、卫星姿态估计以及工作/待机模式；
所述第一FPGA模块，用于与所述卫星图像处理载荷中的处理板进行通讯，监控所述卫星图像处理载荷的运行状态，并向所述主控管理模块发送所述卫星图像处理载荷的运行状态信息，以及接收所述主控管理模块解析所述星务计算机的指令后下发的任务分配指令，并向所述卫星图像处理载荷发送所述任务分配指令，以控制所述卫星图像处理载荷中的处理板执行与所述任务分配指令对应的任务；
所述第二FPGA模块，用于对拍摄的存在恒星的图像进行恒星分割和标记以确定图像中恒星的位置，并将所述图像中恒星的位置发送给所述主控管理模块，以使所述主控模块根据图像中恒星的位置确定所述图像处理载荷中的传感器的视轴指向；
所述主控管理模块，还用于确定划分后的任务的优先级以及设计适用于星上环境所需的通讯接口和通讯协议。
优选地，所述第二FPGA模块，还用于对拍摄的存在恒星的图像进行恒星分割和标记以确定图像中恒星的位置，并将所述图像中恒星的位置发送给所述主控管理模块。
优选地，所述主控管理模块包括：
第一接收模块，用于接收所述第一FPGA模块发送的所述卫星图像处理载荷的运行状态信息；
第一发送模块，用于向所述星务计算机发送所述卫星图像处理载荷的运行状态信息；
第二接收模块，用于接收并解析所述星务计算机的指令；
第二发送模块，用于在对所述星务计算机的指令进行解析后，通过所述第一FPGA模块向所述卫星图像处理载荷下发任务分配指令，以使所述卫星图像处理载荷中的处理板执行与所述任务分配指令对应的任务；
时相区域确定模块，用于根据太阳、地球和卫星三者间的几何位置关系进行区域划分和时相确定；
第三发送模块，用于将区域划分和时相确定结果通过所述第一FPGA模块发送到所述卫星图像处理载荷，以使所述卫星图像处理载荷根据所述区域划分和时相确定结果确定目标图像滤波算法；
卫星姿态确定模块，用于根据接收到的所述第二FPGA模块发送的图像中恒星的位置以及所述目标图像滤波算法通过QUEST算法确定所述图像处理载荷中的传感器的视轴指向；
容错处理模块，用于设计寄存器的冗余结构以及在所述主控管理模块不受控时，使能看门狗在每次下溢时产生一个外部信号以使所述主控管理模块系统复位，其中，所有寄存器采用三模冗余结构，存储器单元部分寄存器堆中的数据采用Hamming码进行EDAC保护；
工作模式确定模块，用于根据卫星、地球的位置信息计算轨道高度以确定工作/待机模式。
优选地，所述卫星姿态确定模块包括：
第三接收模块，用于接收所述第二FPGA模块发送的所述图像中恒星的位置信息；
读取模块，用于从存储器中的星表库中读入所述图像中的恒星的真实位置信息；
角距匹配模块，用于将所述图像中的恒星与真实位置的恒星做角距匹配，找到符合条件的三颗星；
视轴指向确定单元，用于利用符合条件的三颗星进行QUEST算法确定所述卫星图像处理载荷的传感器的视轴指向。
优选地，所述主控模块，还用于在监控到所述遥感卫星图像处理载荷的工作状态出现异常时，通过所述第一FPGA模块向所述遥感卫星图像处理载荷发送切换指令，以使所述遥感卫星图像处理载荷切换至备份机进行工作。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要有以下的技术优点：
(1)可实现对遥感卫星图像处理载荷的监控和管理，使得任务繁多的遥感卫星图像处理载荷能安全可靠的在轨工作；
(2)可对较大幅面遥感图像数据作处理，如卫星姿态估计、区域划分和时相确定，具有快速灵活的优点。
附图说明
图1为本发明实施例公开的一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种主控系统中主控管理模块的结构示意图；
图3为本发明实施例公开的一种主控系统中主控管理模块的窗口寄存器示意图；
图4为遥感卫星图像处理载荷工作段示意图；
图5为地球深空区域仿真图；
图6为主控管理模块的操作系统内核体系结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明公开的主控系统在卫星图像处理载荷上的功能定位是管理者，其首要功能是监控卫星图像处理载荷的状态并实施任务调度以保证整个卫星图像处理载荷的正常运行以及负责协调卫星图像处理载荷与星务计算机的信息与数据交互。此外，还需根据任务需求完成相应的图像处理工作。
如图1所示为本发明实施例公开的一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统的结构示意图，在图1所示的系统中包括：主控管理模块、第一FPGA模块、第二FPGA模块；
上述主控管理模块分别与上述第一FPGA模块、上述第二FPGA模块以及星务计算机进行通讯连接；上述第一FPGA模块与上述第二FPGA模块以及卫星图像处理载荷进行通讯连接；
其中，通过将嵌入式实时操作系统移植到CPU中作为主控管理模块，卫星图像处理载荷表示卫星上面用于图像处理的装置。
上述主控管理模块，用于根据任务需求进行任务的合理划分，其中，任务类型包括卫星图像处理载荷状态监控、卫星图像处理载荷状态反馈、指令接收和解析、容错应急处理、区域划分和时相确定、卫星姿态估计以及工作/待机模式；
其中，任务划分得准确合理，不但会简化软件设计的复杂性，而且还可以增强系统的稳定性和健壮性，对软件的调试和错误的消除也变得比较简单。此系统主要的任务有：监控卫星图像处理载荷的状态、反馈卫星图像处理载荷的状态信息给星务计算机、接收星务计算机的指令并完成相应功能、时相区域确定、卫星姿态估计、容错应急处理和待机工作模式等。
上述第一FPGA模块，用于与卫星图像处理载荷中的处理板进行通讯，监控卫星图像处理载荷的运行状态，并向主控管理模块发送卫星图像处理载荷的运行状态信息，以及接收主控管理模块解析星务计算机的指令后下发的任务分配指令，并向卫星图像处理载荷发送该任务分配指令，以控制卫星图像处理载荷中的处理板执行与上述任务分配指令对应的任务；
上述第二FPGA模块，用于对拍摄的存在恒星的图像进行恒星分割和标记以确定图像中恒星的位置，并将图像中恒星的位置发送给主控管理模块，以使主控模块根据图像中恒星的位置确定图像处理载荷中的传感器的视轴指向；
上述主控管理模块，还用于确定划分后的任务的优先级以及设计适用于星上环境所需的通讯接口和通讯协议。
其中，在已移植的嵌入式实时操作系统的基础上，可以进行任务优先级的确定。如图6所示为主控管理模块的操作系统内核体系结构图，其中，图6所示的主控管理模块采用μCOS-II嵌入式实时操作系统，μCOS-II可以管理多达64个任务，分别对应优先级0～63，其中0为最高优先级，63为最低优先级且已被系统占用不能被用户使用。任务优先级设置得当，既能保证任务调度的正确性，又能为系统提供更好的实时性保障。任务优先级设置的基本原则是根据任务的重要性、任务的先后同步顺序和执行时间来确定，因此，按照上述确定标准可以确定上述任务的优先级由高到低依次为：卫星图像处理载荷状态监控、卫星图像处理载荷状态反馈、指令接收和解析、容错应急处理、时相区域确定、卫星姿态估计、工作/待机模式。
其中，由于卫星图像处理载荷需要与星务计算机进行通讯交互，以及卫星图像处理载荷上的多块处理板也需要进行板内和板间的通讯，加上星上环境复杂，所以需要设计安全可靠的通讯协议应对星上环境，要兼顾通讯协议的全面性又要考虑通讯协议的容错性安全性。本实施例可以采用固定长度的传输协议，由协议头、协议内容、协议尾和校验信息构成。
优选地，上述第二FPGA模块，还用于对拍摄的存在恒星的图像进行恒星分割和标记以确定图像中恒星的位置，并将图像中恒星的位置发送给主控管理模块。
优选地，上述主控管理模块包括：
第一接收模块，用于接收第一FPGA模块发送的卫星图像处理载荷的运行状态信息；
第一发送模块，用于向星务计算机发送卫星图像处理载荷的运行状态信息；
第二接收模块，用于接收并解析星务计算机的指令；
第二发送模块，用于在对星务计算机的指令进行解析后，通过第一FPGA模块向卫星图像处理载荷下发任务分配指令，以使卫星图像处理载荷中的处理板执行与该任务分配指令对应的任务；
时相区域确定模块，用于根据太阳、地球和卫星三者间的几何位置关系进行区域划分和时相确定；
第三发送模块，用于将区域划分和时相确定结果通过第一FPGA模块发送到卫星图像处理载荷，以使卫星图像处理载荷根据区域划分和时相确定结果确定目标图像滤波算法；
其中，由于区域、季节和昼夜的不同造成卫星图像处理载荷传感器成像背景辐射量度的不同，因此需要对图像采用不同的滤波算法，主控管理模块可以根据太阳、地球和卫星三者间的几何位置关系灵活地计算所需参数进行快速地区域划分和时相确定，从而确定图像滤波算法，如图5所示为区域划分中地球深空区域仿真图。
卫星姿态确定模块，用于根据接收到的第二FPGA模块发送的图像中恒星的位置以及目标图像滤波算法通过QUEST算法确定图像处理载荷中的传感器的视轴指向；
容错处理模块，用于设计寄存器的冗余结构以及在主控管理模块不受控时，使能看门狗在每次下溢时产生一个外部信号以使主控管理模块复位，其中，所有寄存器采用三模冗余结构，存储器单元部分寄存器堆中的数据采用Hamming码进行EDAC保护；
工作模式确定模块，用于根据卫星、地球的位置信息计算轨道高度以确定工作/待机模式。
其中，卫星图像处理载荷根据高度的不同分为工作段和休眠段，根据卫星和地球的位置关系计算卫星和地球之间的距离。当卫星图像处理载荷处于工作段时，主控系统处于正常工作状态；当卫星图像处理载荷处于休眠段时，可通过对Power-down寄存器写入任意值切换至待机工作模式。如图4所示为遥感卫星图像处理载荷工作段示意图。
优选地，上述卫星姿态确定模块包括：
第三接收模块，用于接收第二FPGA模块发送的图像中恒星的位置信息；
读取模块，用于从存储器中的星表库中读入图像中的恒星的真实位置信息；
角距匹配模块，用于将图像中的恒星与真实位置的恒星做角距匹配，找到符合条件的三颗星；
视轴指向确定单元，用于利用符合条件的三颗星进行QUEST算法确定卫星图像处理载荷的传感器的视轴指向。
优选地，上述主控模块，还用于在监控到遥感卫星图像处理载荷的工作状态出现异常时，通过第一FPGA模块向遥感卫星图像处理载荷发送切换指令，以使遥感卫星图像处理载荷切换至备份机进行工作。
其中，遥感卫星图像处理载荷可以采用双机热备份工作模式，正常情况下，一台机器工作，另一台作为备份机。当主控管理模块监控到卫星图像处理载荷状态出现异常时，可切换至备份机来接替故障机的工作以保证系统工作的连续性。此外，主控管理模块本身的容错设计包括两部分：所有寄存器采用三模冗余结构；存储器单元部分寄存器堆中的数据采用Hamming码进行错误检测与纠正(Error Detection And Correction，EDAC)保护，可检测多位错，纠正一位错。如图3所示为本发明实施例公开的一种主控系统中主控管理模块的窗口寄存器示意图。另外，当主控管理模块不受控时，会使能看门狗在每次下溢时会产生一个外部信号用来使主控管理模块系统复位，如图2所示为本发明实施例公开的一种主控系统中主控管理模块的结构示意图。其中，图2和图3表示一种可选的CPU--BM3803MG用于主控管理模块，BM3803MG是一款国产的基于SPARC V8体系结构的32位RISC嵌入式处理器，可用于板上嵌入式实时计算机系统，能够满足各种航天应用的功能以及性能指标要求，只要加上存储器和与应用有关的外围电路，就可以构成完整的单板计算机系统。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种遥感卫星图像处理载荷多任务主控系统，其特征在于，包括：主控管理模块、第一FPGA模块、第二FPGA模块；
所述主控管理模块分别与所述第一FPGA模块、所述第二FPGA模块以及星务计算机进行通讯连接；所述第一FPGA模块与所述第二FPGA模块以及卫星图像处理载荷进行通讯连接；
所述主控管理模块，用于根据任务需求进行任务的合理划分，其中，任务类型包括卫星图像处理载荷状态监控、卫星图像处理载荷状态反馈、指令接收和解析、容错应急处理、区域划分和时相确定、卫星姿态估计以及工作/待机模式；
所述第一FPGA模块，用于与所述卫星图像处理载荷中的处理板进行通讯，监控所述卫星图像处理载荷的运行状态，并向所述主控管理模块发送所述卫星图像处理载荷的运行状态信息，以及接收所述主控管理模块解析所述星务计算机的指令后下发的任务分配指令，并向所述卫星图像处理载荷发送所述任务分配指令，以控制所述卫星图像处理载荷中的处理板执行与所述任务分配指令对应的任务；
所述第二FPGA模块，用于对拍摄的存在恒星的图像进行恒星分割和标记以确定图像中恒星的位置，并将所述图像中恒星的位置发送给所述主控管理模块，以使所述主控管理模块根据图像中恒星的位置确定所述图像处理载荷中的传感器的视轴指向；
所述主控管理模块，还用于确定划分后的任务的优先级以及设计适用于星上环境所需的通讯接口和通讯协议；
其中，所述主控管理模块包括：
第一接收模块，用于接收所述第一FPGA模块发送的所述卫星图像处理载荷的运行状态信息；
第一发送模块，用于向所述星务计算机发送所述卫星图像处理载荷的运行状态信息；
第二接收模块，用于接收并解析所述星务计算机的指令；
第二发送模块，用于在对所述星务计算机的指令进行解析后，通过所述第一FPGA模块向所述卫星图像处理载荷下发任务分配指令，以使所述卫星图像处理载荷中的处理板执行与所述任务分配指令对应的任务；
时相区域确定模块，用于根据太阳、地球和卫星三者间的几何位置关系进行区域划分和时相确定；
第三发送模块，用于将区域划分和时相确定结果通过所述第一FPGA模块发送到所述卫星图像处理载荷，以使所述卫星图像处理载荷根据所述区域划分和时相确定结果确定目标图像滤波算法；
卫星姿态确定模块，用于根据接收到的所述第二FPGA模块发送的图像中恒星的位置以及所述目标图像滤波算法通过QUEST算法确定所述图像处理载荷中的传感器的视轴指向；
容错处理模块，用于设计寄存器的冗余结构以及在所述主控管理模块不受控时，使能看门狗在每次下溢时产生一个外部信号以使所述主控管理模块系统复位，其中，所有寄存器采用三模冗余结构，存储器单元部分寄存器堆中的数据采用Hamming码进行错误检测与纠正保护；
工作模式确定模块，用于根据卫星、地球的位置信息计算轨道高度以确定工作/待机模式。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述卫星姿态确定模块包括：
第三接收模块，用于接收所述第二FPGA模块发送的所述图像中恒星的位置信息；
读取模块，用于从存储器中的星表库中读入所述图像中的恒星的真实位置信息；
角距匹配模块，用于将所述图像中的恒星与真实位置的恒星做角距匹配，找到符合条件的三颗星；
视轴指向确定单元，用于利用符合条件的三颗星进行QUEST算法确定所述卫星图像处理载荷的传感器的视轴指向。
3.根据权利要求1至2任意一项所述的系统，其特征在于，所述主控管理模块，还用于在监控到所述遥感卫星图像处理载荷的工作状态出现异常时，通过所述第一FPGA模块向所述遥感卫星图像处理载荷发送切换指令，以使所述遥感卫星图像处理载荷切换至备份机进行工作。
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