CN107562665A - 一种星上小型集群信息处理系统 - Google Patents

Abstract

一种星上小型集群信息处理系统，属于星上实时、近实时信息处理技术领域；本系统为了解决当前遥感卫星星上信息处理弱，图像数据获取周期长，实时性差的技术问题；本系统包括高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、供电单元和VPX高速数据交换器，VPX高速数据交换器采用OpenVPX系统级总线标准，实现系统内各功能模块的高速数据总线、星务控制总线和供电的相互连接；本系统所提供的星上小型集群信息处理系统可实现星上遥感图像智能化处理，采用基于OpenVPX总线标准的开放式硬件平台架构，通过对嵌入式多核DSP计算机数目的增减来实现硬件平台的功能和计算，以满足光学遥感卫星对数据处理任务的不同需求，通用性好，扩展能力强。

Description

一种星上小型集群信息处理系统

技术领域

本发明属于星上实时、近实时信息处理技术领域，具体涉及一种星上小型集群信息处理系统。

背景技术

航天光学遥感技术能够动态、快速、准确地获取大量对地观测数据，这些数据无论在民用方面还是在军用方面都发挥着非常重要的作用。在军事应用领域，通过遥感卫星战略侦察、军事测绘、海洋监测等，为国防建设提供了依靠和支撑。随着航天光学遥感成像技术的发展，对空间分辨力和幅宽要求不断提高，获取的空间对地观测图像数据达到每秒数十Gbits级别，同时对卫星智能化的需求越来越高，包括星上智能云判与过滤，在轨目标检测识别等，从而提高遥感数据的利用率和时效性。由此可见，光学遥感卫星信息处理技术必将是航天光学遥感成像的重中之重。星上实时信息处理设备是新型光学遥感卫星的重要组成部分，其主要功能是在星上对遥感图像进行实时处理，在轨自主处理和提取目标信息。

目前，我国现有遥感卫星的星上处理能力较弱，仅完成数据压缩等功能，对于遥感图像目标识别等工作主要在地面进行。受卫星数传能力及地面站分布的影响，图像的获取流程复杂，遥感图像数据从获取到地面站接收的周期长，延误了遥感信息的实效性。而在各空间军事强国一直很重视对星上信息处理技术的开发研究与装备。从2000年起，国外已有不少在遥感卫星上采用高速处理器件实现特定实时处理功能的报道，但是星上处理任务主要集中在图像预处理、海量数据存储与格式转换、数据压缩与转发、原始数据的自动分析，未实现目标区域快速定位、典型目标识别、区域变化检测等星上关键智能化处理，如美国海军地球绘图观测者(NEMO)，能够进行星上超光谙数据的实时自动数据分析、特征提取和数据压缩处理，峰值运算能力3.8GFLOP，通信带宽为320Mbyte/s，其星上处理能力有限，法国的Pleiades–HR仅仅采用了可重构FPGA作为模块化的星上图像数据处理器，实现片上的数据采集、像元对齐、热控、电控等功能。由此可见，实现星上实时、近实时信息处理技术，使遥感卫星具备在轨目标识别的能力，寻求高效、自主、创新的遥感图像在轨信息处理技术刻不容缓。

发明内容

本发明为了解决当前遥感卫星星上信息处理弱，图像数据获取周期长，实时性差的技术问题，提供一种星上小型集群信息处理系统。

本发明的技术方案如下：

一种星上小型集群信息处理系统，包括高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、系统供电单元和VPX高速数据交换器；

所述高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、系统供电单元分别与VPX高速数据交换器连接；

所述高性能X86应用层计算机通过移植裁剪的Linux操作系统管理和调度底层嵌入式多核DSP计算机协调计算，将计算资源、存储资源和通信资源虚拟化，为嵌入式多核DSP计算机提供运行环境；通过裁剪Linux操作系统对嵌入式多核DSP计算机的内核进行初始化和启动、线程管理、内存管理、数据传输和中断处理，完成在轨进行图像处理任务的解析与分解，计算得出最终的信息和图像；

所述嵌入式多核DSP计算机在高性能X86应用层计算机的管理下进行图像预处理、底图装载、图像匹配、目标检测识别和定点区域变化检测算法的高效协同并行计算，将处理后的信息和图像反馈至高性能X86应用层计算机；

所述外部接口单元提供星上小型集群信息处理系统与光学遥感相机、数传和星务之间的接口；包括高速图像接口、数传接口、星务接口，所述高速图像接口用于接收光学遥感相机的图像数据，通过VPX高速数据交换器转发给嵌入式多核DSP计算机进行图像处理；所述数传接口用于将最终的图像转发给数传分系统；所述星务接口完成星上小型集群信息处理系统与星务中心计算机的各类参数和信息的交换；

所述供电单元为系统提供供电，同时实现一次母线保护、EMI滤波和电源软启动功能；

所述VPX高速数据交换器采用OpenVPX系统级总线标准，使系统硬件平台具有开放式的架构，通过对嵌入式多核DSP计算机数目的增减来实现硬件平台的功能和计算。

所述供电单元采用熔断器实现一次母线保护，采用专用EMI滤波器实现EMI滤波，采用NMOS管和分立元器件设计一次母线浪涌抑制电路实现电源软启动功能。

所述外部接口单元采用Xilinx FPGA完成接口控制和逻辑控制，星上小型集群信息处理系统与光学遥感相机的高速图像接口和与数传路由器的数传接口均采用高速Serial RapidIO，配置为4X模式，传输速率为20Gbps，与星务之间的星务接口采用星上标准CAN接口。

本发明的有益效果如下：

1、本发明所提供的星上小型集群信息处理系统可实现星上遥感图像智能化处理，包括：图像预处理、智能云判与过滤、目标区域快速定位、典型目标识别、区域变化检测等。

2、本发明所提供的星上小型集群信息处理系统采用基于OpenVPX总线标准的开放式硬件平台架构，通过对嵌入式多核DSP计算机数目的增减来实现硬件平台的功能和计算能力的增强或减弱，以满足光学遥感卫星对数据处理任务的不同需求，通用性好，扩展能力强。

附图说明

图1为本发明一种星上小型集群信息处理系统的结构示意图。

图2为本发明一种星上小型集群信息处理系统的嵌入式多核DSP计算机原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

如图1所示，一种星上小型集群信息处理系统，包括：高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、系统供电单元和VPX高速数据交换器。该系统通过OpenVPX(VITA65)系统级总线标准将高性能X86应用层计算机和嵌入式多核DSP计算机高速互联形成高性能的星载计算机系统，完成在轨图像实时处理。应用程序以算法插件为基本运算单元，通过配置各插件的连接关系形成任务解决方案；程序运行时，高性能X86应用层计算机首先对任务解决方案进行解析，然后将各算法插件分发到各嵌入式多核DSP计算机内核中进行分布式并行运算。

所述高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、系统供电单元分别与VPX高速数据交换器连接。

所述高性能X86应用层计算机是星上小型集群信息处理系统的管理、调度、计算核心，以Intel Core i7四核CPU为计算主体，包括8GB的DDR3内存(1600MHz，带ECC)、8GB NandFlash闪存、128GB固态硬盘存储器以及移植裁剪的Linux操作系统。高性能X86应用层计算机在轨进行图像处理任务解析与任务分解，由高性能X86应用层计算机完成最终计算得出最终的信息产品和图像产品。通过移植裁剪的Linux操作系统管理和调度各底层嵌入式多核DSP计算机协调计算，将计算资源、存储资源以及通信资源虚拟化，为嵌入式多核DSP计算机提供了运行环境，同时裁剪Linux操作系统还完成对嵌入式多核DSP计算机的内核进行初始化和启动、线程管理、内存管理、数据传输、中断处理等。

所述嵌入式多核DSP计算机在高性能X86应用层计算机的管理下进行图像预处理、底图装载、图像匹配、目标检测识别、定点区域变化检测等算法的高效协同的并行计算。将处理后的信息和图像反馈至高性能X86应用层计算机，由高性能X86应用层计算机完成最终计算得出最终的信息产品和图像产品。嵌入式多核DSP计算机根据所需的数据处理能力进行设计，按照处理能力和功耗指标设计分布式并行计算结构，实现高速并行数据处理。

如图2所示，嵌入式多核DSP计算机由多DSP+FPGA构成，计算能力大于300GFLOPS。配备2个DSP作为主处理器，协处理器选择FPGA，负责缓存、接口和控制。DSP与FPGA之间的数据通道使用SRIO互连，每个DSP通过4X模式SRIO连接到FPGA，4X表示4倍速率。DSP与FPGA之间的控制通道(Control)采用I²C和SPI总线。每个DSP配备有2GB的DDR3，两个DSP之间有一路双工2X模式PCIe接口和一路HyperLink接口。Nand Flash用于保存应用程序、算法参数、原始图像数据等，并且可以暂存相机发送过来的图像数据。Nand Flash由Xilinx FPGA进行控制。Actel反熔丝型FPGA用于读取PROM的加载程序对Xilinx FPGA进行定时刷新。监视电路(Monitor)对多核DSP计算机的工作电流、电压、温度进行监视，通过I²C连接到XilinxFPGA。

本实施方式所述的嵌入式多核DSP计算机采用的多核DSP为TI公司的高性能多核定点/浮点DSP，型号为TMS320C6678，协处理器FPGA为Xilinx公司支持DDR3的Virtex 6系列FPGA，型号为XC6VSX475T。

所述外部接口单元主要提供与光学遥感相机、数传以及星务之间的接口，包括：高速图像接口、数传接口、星务接口。所述高速图像接口用于接收光学遥感相机的图像数据，通过VPX高速数据交换器转发给嵌入式多核DSP计算机进行图像处理，所述数传接口用于将最终的图像产品转发给数传分系统，所述星务接口完成系统与星务中心计算机的各类参数和信息的交换。所述外部接口单元采用Xilinx FPGA完成接口控制和逻辑控制，与光学遥感相机的高速图像接口以及与数传路由器的数传接口均采用高速Serial RapidIO，配置为4X模式，传输速率为20Gbps。而与星务之间的星务接口采用星上标准CAN接口。

所述供电单元为整个系统提供各种必要的供电，同时实现一次母线保护、EMI滤波和电源软启动功能，保证系统供电的可靠性，同时不影响整星一次母线供电。具体采用熔断器实现一次母线保护，专用EMI滤波器实现EMI滤波，采用NMOS管和分立元器件设计一次母线浪涌抑制电路实现电源软启动功能，保证系统供电的可靠性，同时不影响整星一次母线供电。

所述VPX高速数据交换器采用OpenVPX(VITA65)系统级总线标准实现系统内各功能模块的高速数据总线互连、星务控制总线互连以及供电互连。OpenVPX是目前在高性能嵌入式实时处理领域应用最广泛的主流标准规范，是面向高可靠的计算机体系标准，使得整个系统硬件平台具有开放式的架构，通过对嵌入式多核DSP计算机数目的增减来实现硬件平台的功能和计算，即通过对嵌入式多核DSP计算机数目的增/减来实现硬件平台的功能和计算能力的增强/减弱，以满足系统对数据处理任务的不同需求，利于系统扩展。本实施方式所述的VPX高速数据交换器采用4X PCIe通道模式，分别与高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元完成高速互联，实现遥感图像数据的高速传输。

Claims (3)

1.一种星上小型集群信息处理系统，包括高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、系统供电单元和VPX高速数据交换器；

其特征在于，所述高性能X86应用层计算机、嵌入式多核DSP计算机、外部接口单元、系统供电单元分别与VPX高速数据交换器连接；

所述高性能X86应用层计算机通过移植裁剪的Linux操作系统管理和调度底层嵌入式多核DSP计算机协调计算，将计算资源、存储资源和通信资源虚拟化，为嵌入式多核DSP计算机提供运行环境；通过裁剪Linux操作系统对嵌入式多核DSP计算机的内核进行初始化和启动、线程管理、内存管理、数据传输和中断处理，完成在轨进行图像处理任务的解析与分解，计算得出最终的信息和图像；

所述嵌入式多核DSP计算机在高性能X86应用层计算机的管理下进行图像预处理、底图装载、图像匹配、目标检测识别和定点区域变化检测算法的高效协同并行计算，将处理后的信息和图像反馈至高性能X86应用层计算机；

所述外部接口单元提供星上小型集群信息处理系统与光学遥感相机、数传和星务之间的接口；包括高速图像接口、数传接口、星务接口，所述高速图像接口用于接收光学遥感相机的图像数据，通过VPX高速数据交换器转发给嵌入式多核DSP计算机进行图像处理；所述数传接口用于将最终的图像转发给数传分系统；所述星务接口完成星上小型集群信息处理系统与星务中心计算机的各类参数和信息的交换；

所述供电单元为系统提供供电，同时实现一次母线保护、EMI滤波和电源软启动功能；

所述VPX高速数据交换器采用OpenVPX系统级总线标准，使系统硬件平台具有开放式的架构，通过对嵌入式多核DSP计算机数目的增减来实现硬件平台的功能和计算。

2.如权利要求1所述的一种星上小型集群信息处理系统，其特征在于，所述供电单元采用熔断器实现一次母线保护，采用专用EMI滤波器实现EMI滤波，采用NMOS管和分立元器件设计一次母线浪涌抑制电路实现电源软启动功能。

3.如权利要求1所述的一种星上小型集群信息处理系统，其特征在于，所述外部接口单元采用Xilinx FPGA完成接口控制和逻辑控制，星上小型集群信息处理系统与光学遥感相机的高速图像接口和与数传路由器的数传接口均采用高速Serial RapidIO，配置为4X模式，传输速率为20Gbps，与星务之间的星务接口采用星上标准CAN接口。