CN111309477A - 卫星在轨数据处理系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星在轨数据处理系统及方法，为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果，供电板、接口板、交换管理板和计算板均以插板式连接安装于母板上，接口板连接载荷，为载荷提供数据接收通道及预处理，供电板及其所对应的接口板、交换管理板和计算板构成单机；通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及接口板完成载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；在轨软件动态重构模式通过在轨实时处理系统标准化架构集中管理计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。

Description

卫星在轨数据处理系统及方法
技术领域
本发明涉及航天器数据处理技术领域，特别涉及一种卫星在轨数据处理系统及方法。
背景技术
随着军用、民用领域用户对卫星任务效能需求的不断提升和卫星总体及各类载荷技术的迅速发展，卫星的功能密度逐步提高，卫星载荷配置呈多样化、多类型协同应用的趋势，如目标探测相机、跟踪转台与特性测量相机协同完成空间目标特性获取，气溶胶探测仪、可见光相机与高光谱相机协同完成对地区域测量等。
卫星多载荷设计带来卫星在轨原始数据量突增的问题，目前国内传统的数据处理方式是星上测量、地面处理，这种处理方法下在轨任务时长受任务数据量、星上存储能力以及星地数传可见弧段等约束，存在任务规划偏差导致的在轨数据可用率降低问题，同时难以满足火灾探测、动目标发现等侦察、监测等应用的时效性要求。星载海量数据实时处理是适应卫星任务需求的必然手段。
目前航天器在轨处理技术还处于初级阶段，主要采用分布式计算方法，由各载荷单机内基于FPGA或DSP完成目标检测、目标跟踪、任务规划等低复杂度计算，需通过复杂代码实现软件重构，单机内通过主备双机冗余备份提升可靠性，不同载荷间接口固定，数据处理流程不可更改，而数据多级处理、动态任务规划、多类型协同处理等处理技术仍处于技术攻关阶段，难以满足星上处理发展的实时性、扩展性和可靠性需求。
数据处理方法的在轨应用主要面临3方面问题：1)计算资源问题，传统的CPU处理或嵌入式应用软件通常不考虑计算资源，需要进行软件模块拆分，移植至FPGA、DSP或CPU内，实现在轨快速计算，同时需要对计算资源进行冗余设计，通常需要长时间适配设计和迭代优化；2)软件重构问题，地面处理软件具备处理方法优化迭代条件，而卫星入轨后软件重构复杂，并且软件入轨处理后存在未考虑场景导致的软件BUG风险，因此需要进行大量的代码维护工作以完成软件重构；3)数据流控制问题，地面处理软件通常使用TCP/IP协议传输，具备寻址通信条件，而在轨处理实时性要求高，同时受宇航级器件制约，以点对点通信为主，数据流规划控制复杂。若可解决这三类问题，可极大提升星上数据处理能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种卫星在轨数据处理系统及方法，以解决现有的地面处理方法在轨高效应用、在轨处理软件迭代更新难度大以及计算平台可靠性低问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种卫星在轨数据处理系统，所述卫星在轨数据处理系统用于为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果；
所述卫星在轨数据处理系统包括母板、供电板、接口板、交换管理板和多块可扩展的计算板；
所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板均以插板式连接安装于所述母板上，所述母板用于所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板间的电气连接；
所述接口板连接多个载荷，所述接口板为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板及其所对应的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板构成单机；
卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成所述载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；
在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的标准化架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，在每个所述单机中，还具有供电备用板、接口备用板、交换管理备用板，所述计算板根据在轨计算需求进行扩展，多个计算板间互为冗余备份。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，在每个所述单机中，所述供电板用于将所述母板上的一次电源转换为二次电源，并将所述二次电源提供至该单机所包括的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板；
所述供电板还用于控制所述二次电源的开关，并对所述一次电源和所述二次电源的供电状态进行遥测。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述母板包括标准化供电接口、高速数据总线、低速控制总线、模拟量采集接口以及时钟同步接口；
所述接口板用于接收本单机包括的所述载荷所输入的外部数据、对所述外部数据进行校验，以及转换所述外部数据的格式，并将所述外部数据传输至交换管理板，所述接口板还用于输出所述外部数据的处理结果。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述交换管理板用于将所述外部数据在同一单机中的所述计算板和所述接口板之间进行交换，以及采用数据路由的形式进行数据的交换管理，实现数据处理流程控制。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述计算板用于实时处理所述外部数据，所述计算板包括FPGA计算节点和DSP计算节点，所述计算板与所述母板通过所述标准化供电接口、所述高速数据总线、所述低速控制总线和所述模拟量采集接口连接，以使所述母板对所述FPGA计算节点和DSP计算节点进行硬件扩展；
所述DSP计算节点采用多核并行操作系统完成多核DSP器件硬件驱动及计算模块的管理，以提高处理算法嵌入式并行计算移植和运行效率。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述在轨实时处理模式包括：根据在轨数据实时计算需求，设置在轨的所述单机处于最小待机模式，并控制所述接口板和所述交换管理板正常完成单机状态管理；
所述单机处于最小待机模式包括：在该单机中，所述接口板、所述交换管理板和所述供电板上电，所述计算板断电；
所述在轨实时处理模式还包括：根据所述在轨数据实时计算需求，控制所述FPGA计算节点和DSP计算节点上电完成数据处理。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述FPGA计算节点和DSP计算节点之间的数据通信采用SRIO接口，所述FPGA计算节点和DSP计算节点输出任务数据；
所述FPGA计算节点和DSP计算节点之间的数据交换采用通用传输协议，定义目的节点和源节点，由所述交换管理板完成所述SRIO接口的路由功能，提供多节点数据通信传输；
所述交换管理板和所述计算板通过所述低速控制总线响应所述母板的外部控制指令；
所述交换管理板通过所述低速控制总线完成所述单机运行状态的采集、完成所述单机的工作模式控制与所述计算板的处理程序的重构；
所述低速控制总线为1553B总线或CAN总线。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述在轨软件动态重构模式包括：所述交换管理板集中管理所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序，根据所述在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构和故障恢复；
地面重构处理软件通过将新程序或故障节点程序发送至所述交换管理板的程序固存内，所述交换管理板根据在轨数据实时计算需求完成程序重构和迭代。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述任务重构包括DSP计算节点软件重构和FPGA计算节点软件重构，当数据处理流程发生变化或所述在轨数据实时计算需求发生变化时，将所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序加载为所述新程序，并将数据传输流程更新，完成新的数据处理任务。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述故障恢复包括：当某个所述FPGA计算节点和DSP计算节点发生故障时，将待机的所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序加载为所述故障节点程序，并将数据传输流程更新，替换故障节点继续完成数据处理任务。
可选的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述DSP计算节点的任务重构和故障恢复包括：对原有计算节点进行断电，对新的计算节点进行上电，实现不同DSP计算节点接入数据处理网络，上电后运行最小系统程序，由所述低速控制总线接收所述交换管理板发送的运行程序，校验正确后通过操作系统启动新的任务；
所述FPGA计算节点的任务重构和故障恢复包括：对原有计算节点进行断电，对新的计算节点进行上电，实现不同FPGA节点接入数据处理网络，所述新的计算节点配置两片FLASH以存储不同运行程序，通过所述低速控制总线接收所述交换管理板发送的运行程序，完成本地运行程序更新，通过配置加载芯片完成FPGA启动程序加载。
本发明还提供一种卫星在轨数据处理方法，所述卫星在轨数据处理方法包括：
卫星在轨数据处理系统为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果；
所述卫星在轨数据处理系统中的供电板、接口板、交换管理板和计算板均以插板式连接安装于母板上，所述母板为所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板提供电气连接；
所述接口板连接多个载荷，所述接口板为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板及其所对应的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板构成单机；
卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成所述载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；
在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
在本发明提供的卫星在轨数据处理系统及方法中，通过卫星在轨数据处理系统为多个载荷提供标准化接口，并连接所述多个载荷，卫星在轨运行时，在轨实时处理模式通过所述卫星在轨数据处理系统控制每个载荷的状态、所述载荷对应的单板的状态，以及所述载荷与其所对应的单板的数据通信方式，在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的架构集中管理计算板的运行程序，根据所述在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复，提供了一种星载海量数据实时并行流水计算架构，包括标准化硬件架构、数据处理模式、软件重构方式、计算节点方案等，解决地面处理方法在轨高效应用、在轨处理软件迭代更新难度大以及计算平台可靠性低问题。
具体的，本发明采用标准SpaceVPX架构，针对星上数据处理需求，支持DSP计算节点和FPGA计算节点的资源扩展，各计算节点互为冗余备份，提升了星上处理能力和可靠性；
本发明采用处理程序集中存储，可通过低速总线完成计算节点程序动态重构，有效的提升了处理单机运行效率，同时采用DSP并行操作系统作为中间层简化处理方法嵌入式并行计算移植流程，降低软件重构复杂度，为在轨软件迭代更新提供了便利条件；
本发明采用SRIO高速数据接口和SRIO数据交换网络实现在轨数据处理流程动态规划，提高了在轨数据处理的扩展性和自由度。
附图说明
图1是本发明一实施例的卫星在轨数据处理系统的标准化架构示意图；
图2是本发明一实施例的卫星在轨数据处理系统的接口示意图；
图3是本发明一实施例的卫星在轨数据处理系统的DSP计算节点重构示意图；
图4是本发明一实施例的卫星在轨数据处理系统的FPGA计算节点重构示意图；
图中所示：1-母板；2-供电板；21-供电备份板；3-接口板；31-接口备份板；4-交换管理板；41-交换管理备份板；5-DSP计算节点；51-DSP计算节点；52-DSP计算节点；6-FPGA计算节点；61-FPGA计算节点；62-FPGA计算节点。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的卫星在轨数据处理系统及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
本发明的核心思想在于提供一种卫星在轨数据处理系统及方法，以解决现有的地面处理方法在轨高效应用、在轨处理软件迭代更新难度大以及计算平台可靠性低问题。
为实现上述思想，本发明提供了一种卫星在轨数据处理系统及方法，所述卫星在轨数据处理系统用于为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果；所述卫星在轨数据处理系统包括母板、供电板、接口板、交换管理板和多块可扩展的计算板；所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板均以插板式连接安装于所述母板上，所述母板用于所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板间的电气连接；所述接口板连接多个载荷，所述接口板为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板及其所对应的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板构成单机；卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成所述载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的标准化架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
<实施例一>
本实施例提供一种卫星在轨数据处理系统，如图1所示，所述卫星在轨数据处理系统用于为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果，所述卫星在轨数据处理系统包括母板1、供电板2、接口板3、交换管理板4和多块可扩展的计算板；所述供电板2、所述接口板3、所述交换管理板4和所述计算板均以插板式连接安装于所述母板1上，所述母板1用于所述供电板2、所述接口板3、所述交换管理板4和所述计算板间的电气连接；所述接口板3连接多个载荷，所述接口板3为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板及其所对应的所述接口板3、所述交换管理板4和所述计算板构成单机；卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过所述数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的标准化架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
具体的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，在每个所述单机中，还具有供电备用板21、接口备用板31、交换管理备用板41，所述计算板根据在轨计算需求进行扩展，多个计算板间互为冗余备份。在所述的卫星在轨数据处理系统中，在每个所述单机中，所述供电板2用于将所述母板1上的28V的一次电源转换为12V的二次电源，并将所述二次电源12V提供至该单机所包括的所述接口板3、所述交换管理板4和所述计算板；所述供电板2还用于控制所述二次电源的开关，并对所述一次电源和所述二次电源的供电状态进行遥测，供电板2中具有继电器、滤波器、浪涌抑制、DC/DC变换。在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述母板1包括多个小模块(如图1所示的11、12、13、14……)，每个小模块连接一个单机，每个小模块包括标准化供电接口(VCC、GND)、高速数据总线SRIO、低速控制总线CAN/1553B、模拟量采集接口以及时钟同步接口。母板1采用SpaceVPX标准，插板式设计为各节点提供12V二次电源、SRIO 1x通信接口、10MHz时钟差分接口、CAN低速控制总线接口和2路0-5V模拟量采集接口。
进一步的，所述接口板3用于接收本单机包括的所述载荷所输入的外部数据、对所述外部数据进行校验，以及转换所述外部数据的格式，并将所述外部数据传输至交换管理板4，所述接口板3还用于输出所述外部数据的处理结果；接口板配置PPS、OC等外部接口完成时钟控制、指令响应等功能，内部通过FPGA完成输入数据校验、数据格式转换等预处理并传输至交换管理板，图1所示的接口板具有FPGA、MCU、CAN收发器、CAN控制器(一级CAN)、DDR3、时钟、复位、加载芯片、NOR FLASH、SRIO、2711收发器、LVDS收发器、电源管理。在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述交换管理板4用于将所述外部数据在同一单机中的所述计算板和所述接口板3之间进行交换，以及采用数据路由的形式进行数据的交换管理，实现数据处理流程控制，图1所示的交换管理板具有SRIO交换FPGA、CPU、CAN收发器、CAN控制器(一级CAN与二级CAN)、DDR3、时钟、复位、加载芯片、NOR FLASH、NAND FLASH、OD输出、SRIO、2711收发器、LVDS收发器、电源管理。
更进一步，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述计算板用于实时处理所述外部数据，所述计算板包括FPGA计算节点6和DSP计算节点5，DSP计算节点5内包括DSP、数据缓存NAND FLASH、程序固存NORFLASH、DDR3、时钟模块、电源管理模块、复位模块、模拟量采集接口、SRIO接口、CAN总线；FPGA计算节点6内包括FPGA、MCU、加载芯片、程序固存NOR FLASH、DDR3、时钟模块、电源管理模块、复位模块、SRIO接口、CAN总线，即计算节点可配置FLASH等固存满足计算处理需求，所述计算板与所述母板1通过所述标准化供电接口VCC/GND、所述高速数据总线SRIO、所述低速控制总线CAN/1553B和所述模拟量采集接口连接，以使所述母板1对所述FPGA计算节点6和DSP计算节点5进行硬件扩展；所述DSP计算节点5采用多核并行操作系统完成多核DSP器件硬件驱动及计算模块的管理，以提高处理算法嵌入式并行计算移植和运行效率。操作系统完成任务管理、任务同步、时钟管理、中断管理、核间通信、内存管理、设备管理、文件管理、外部通信等功能，封装外设驱动、并行计算模块及图像处理常用加速算法。
如图2所示，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述在轨实时处理模式包括：根据在轨数据实时计算需求，设置在轨的所述单机处于最小待机模式，并控制所述接口板3和所述交换管理板4正常完成单机状态管理；所述单机处于最小待机模式包括：在该单机中，所述接口板3、所述交换管理板4和所述供电板2上电，所述计算板(所述FPGA计算节点6和DSP计算节点5)断电；所述在轨实时处理模式还包括：根据所述在轨数据实时计算需求，控制所述FPGA计算节点和DSP计算节点(图2中的计算节点101、计算节点102、计算节点110)上电完成数据处理。
SRIO接口是面向嵌入式系统开发提出的高可靠、高性能、基于包交换的新一代高速互联技术，已于2004年被国际标准化组织(ISO)和国际电工协会(IEC)批准为ISO/IECDIS18372标准。SRIO则是面向串行背板、DSP和相关串行数据平面连接应用的串行RapidIO接口。串行RapidIO包含一个3层结构的协议，即物理层、传输层、逻辑层。物理层定义电气特性、链路控制、低级错误管理、底层流控制数据；传输层定义包交换、路由和寻址机制；逻辑层定义总体协议和包格式。可以实现最低引脚数量，采用DMA传输，支持复杂的可扩展拓扑，多点传输；可选的1.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps和5Gbps四种速度能满足不同应用需求，是未来十几年中嵌入式系统互联的最佳选择之一。
具体的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，交换管理板4包括模拟量采集(传感器采集)模块、数据交换网络(SRIO)及控制管理网络(CAN/1553B)，模拟量采集模块用于将载荷采集的模拟量发给计算节点进行计算，数据交换网络用于计算节点之间的数据通信和数据交换，控制管理网络用于计算节点与其他设备的数据进行交换。所述FPGA计算节点和DSP计算节点(图2中的计算节点101、计算节点102、计算节点110)之间的数据通信采用SRIO接口，根据数据带宽配置为1x、2x或4x模式，分别提供1.25Gbps、2.5Gbps和5Gbps数据带宽；所述FPGA计算节点6和DSP计算节点5输出在轨海量任务数据；所述FPGA计算节点6和DSP计算节点5(图2中的计算节点101、计算节点102、计算节点110)之间的数据交换采用通用传输协议，定义目的节点和源节点，由所述交换管理板4完成所述SRIO接口的路由功能，提供多节点(图2中的计算节点101、计算节点102、计算节点110)数据通信传输；控制管理网络包括以下功能：所述交换管理板4通过所述低速控制总线(一级CAN总线/1553B)响应所述母板1的外部控制指令；所述交换管理板4通过所述低速控制总线(二级CAN总线/1553B)完成所述单机运行状态的采集、完成所述单机的工作模式控制与所述计算板的处理程序的重构；所述低速控制总线为1553B总线或CAN总线。
进一步的，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述在轨软件动态重构模式包括：所述交换管理板4集中管理所述FPGA计算节点6和DSP计算节点5的运行程序，根据所述在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构和故障恢复；地面重构处理软件通过将新程序或故障节点程序发送至所述交换管理板的程序固存内，通过配置计算规划流程完成程序重构与迭代；所述任务重构包括DSP计算节点软件重构和FPGA计算节点软件重构，当数据处理流程发生变化或所述在轨数据实时计算需求发生变化时，将所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序加载为所述新程序，并将数据传输流程更新，完成新的数据处理任务。所述故障恢复包括：当某个所述FPGA计算节点和DSP计算节点发生故障时，将待机的所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序加载为所述故障节点程序，并将数据传输流程更新，替换故障节点继续完成数据处理任务。地面重构处理软件通过将新程序或故障节点程序发送至所述交换管理板4的程序固存内，所述交换管理板根据在轨数据实时计算需求完成程序重构和迭代。
如图3所示，在所述的卫星在轨数据处理系统中，所述DSP计算节点的任务重构和故障恢复包括：步骤S1：对原有DSP计算节点51进行断电，步骤S2：对新的DSP计算节点52进行上电，实现不同DSP计算节点接入数据处理网络，步骤S3：上电后运行最小系统程序，步骤S4：由所述低速控制总线接收所述交换管理板4发送的运行程序，步骤S5：校验正确后通过操作系统启动新的任务；
如图4所示，所述FPGA计算节点的任务重构和故障恢复包括：步骤S1：对原有FPGA计算节点61进行断电，步骤S2：对新的FPGA计算节点62进行上电，实现不同FPGA节点接入数据处理网络，步骤S3：所述新的计算节点配置两片FLASH以存储不同运行程序，通过所述低速控制总线CAN接收所述交换管理板4发送的运行程序，完成本地运行程序更新，步骤S4：通过配置加载芯片完成FPGA启动程序加载。
本实施例提供一种星载海量数据实时并行流水计算架构，包括在轨实时处理系统标准化硬件架构、在轨实时处理模式和在轨软件动态重构方式；解决了卫星在轨海量数据处理中数据链路规划、计算节点冗余备份、处理任务与功能重构的问题，保证了在轨海量数据多级并行流水处理的实时性、扩展性和可靠性，可用于遥感、侦查、通信等多类型多载荷卫星的海量数据在轨多级并行流水处理。并行计算是指将原始的多通道数据同时处理，流水计算是指将数据的处理流程分成不同阶段，每个阶段按时序接续处理处理，并行计算和流水计算的目的都是为了提高计算速度，缩减计算时间。
综上，上述实施例对卫星在轨数据处理系统的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。
<实施例二>
本实施例提供一种卫星在轨数据处理方法，如图1所示，所述卫星在轨数据处理方法包括：卫星在轨数据处理系统为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果；其中：所述卫星在轨数据处理系统中的供电板2、接口板3、交换管理板4和计算板均以插板式连接安装于母板上，所述母板为所述供电板2、所述接口板3、所述交换管理板4和所述计算板提供电气连接，并连接多个所述载荷；所述接口板3连接多个载荷，所述接口板3为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板2及其所对应的所述接口板3、所述交换管理板4和所述计算板构成单机；卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
在本发明提供的卫星在轨数据处理系统及方法中，通过卫星在轨数据处理系统为多个载荷提供标准化接口，并连接所述多个载荷，卫星在轨运行时，在轨实时处理模式通过所述卫星在轨数据处理系统控制每个载荷的状态、所述载荷对应的单板的状态，以及所述载荷与其所对应的单板的数据通信方式，在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的架构集中管理计算板的运行程序，根据所述在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复，提供了一种星载海量数据实时并行流水计算架构，包括标准化硬件架构、数据处理模式、软件重构方式、计算节点方案等，解决地面处理方法在轨高效应用、在轨处理软件迭代更新难度大以及计算平台可靠性低问题。
具体的，本发明采用标准SpaceVPX架构，针对星上数据处理需求，支持DSP计算节点和FPGA计算节点的资源扩展，各计算节点互为冗余备份，提升了星上处理能力和可靠性；
本发明采用处理程序集中存储，可通过低速总线完成计算节点程序动态重构，有效的提升了处理单机运行效率，同时采用DSP并行操作系统作为中间层简化处理方法嵌入式并行计算移植流程，降低软件重构复杂度，为在轨软件迭代更新提供了便利条件；
本发明采用SRIO高速数据接口和SRIO数据交换网络实现在轨数据处理流程动态规划，提高了在轨数据处理的扩展性和自由度。
本发明已在实际工程中进行测试，性能及测试结果良好,具有可行性，达到发明目的和效果。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (13)

1.一种卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述卫星在轨数据处理系统用于为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果；
所述卫星在轨数据处理系统包括母板、供电板、接口板、交换管理板和多块可扩展的计算板；
所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板均以插板式连接安装于所述母板上，所述母板用于所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板间的电气连接；
所述接口板连接多个载荷，所述接口板为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板及其所对应的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板构成单机；
卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成所述载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；
在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的标准化架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
2.如权利要求1所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，在每个所述单机中，还具有供电备用板、接口备用板、交换管理备用板，所述计算板根据在轨计算需求进行扩展，多个计算板间互为冗余备份。
3.如权利要求1所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，在每个所述单机中，所述供电板用于将所述母板上的一次电源转换为二次电源，并将所述二次电源提供至该单机所包括的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板；
所述供电板还用于控制所述二次电源的开关，并对所述一次电源和所述二次电源的供电状态进行遥测。
4.如权利要求1所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述母板包括标准化供电接口、高速数据总线、低速控制总线、模拟量采集接口以及时钟同步接口；
所述接口板用于接收本单机包括的所述载荷所输入的外部数据、对所述外部数据进行校验，以及转换所述外部数据的格式，并将所述外部数据传输至交换管理板，所述接口板还用于输出所述外部数据的处理结果。
5.如权利要求4所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述交换管理板用于将所述外部数据在同一单机中的所述计算板和所述接口板之间进行交换，以及采用数据路由的形式进行数据的交换管理，实现数据处理流程控制。
6.如权利要求5所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述计算板用于实时处理所述外部数据，所述计算板包括FPGA计算节点和DSP计算节点，所述计算板与所述母板通过所述标准化供电接口、所述高速数据总线、所述低速控制总线和所述模拟量采集接口连接，以使所述母板对所述FPGA计算节点和DSP计算节点进行硬件扩展；
所述DSP计算节点采用多核并行操作系统完成多核DSP器件硬件驱动及计算模块的管理，以提高处理算法嵌入式并行计算移植和运行效率。
7.如权利要求6所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述在轨实时处理模式包括：根据在轨数据实时计算需求，设置在轨的所述单机处于最小待机模式，并控制所述接口板和所述交换管理板正常完成单机状态管理；
所述单机处于最小待机模式包括：在该单机中，所述接口板、所述交换管理板和所述供电板上电，所述计算板断电；
所述在轨实时处理模式还包括：根据所述在轨数据实时计算需求，控制所述FPGA计算节点和DSP计算节点上电完成数据处理。
8.如权利要求7所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述FPGA计算节点和DSP计算节点之间的数据通信采用SRIO接口，所述FPGA计算节点和DSP计算节点输出任务数据；
所述FPGA计算节点和DSP计算节点之间的数据交换采用通用传输协议，定义目的节点和源节点，由所述交换管理板完成所述SRIO接口的路由功能，提供多节点数据通信传输；
所述交换管理板和所述计算板通过所述低速控制总线响应所述母板的外部控制指令；
所述交换管理板通过所述低速控制总线完成所述单机运行状态的采集、完成所述单机的工作模式控制与所述计算板的处理程序的重构；
所述低速控制总线为1553B总线或CAN总线。
9.如权利要求8所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述在轨软件动态重构模式包括：所述交换管理板集中管理所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序，根据所述在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构和故障恢复；
地面重构处理软件通过将新程序或故障节点程序发送至所述交换管理板的程序固存内，所述交换管理板根据在轨数据实时计算需求完成程序重构和迭代。
10.如权利要求9所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述任务重构包括DSP计算节点软件重构和FPGA计算节点软件重构，当数据处理流程发生变化或所述在轨数据实时计算需求发生变化时，将所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序加载为所述新程序，并将数据传输流程更新，完成新的数据处理任务。
11.如权利要求9所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述故障恢复包括：当某个所述FPGA计算节点和DSP计算节点发生故障时，将待机的所述FPGA计算节点和DSP计算节点的运行程序加载为所述故障节点程序，并将数据传输流程更新，替换故障节点继续完成数据处理任务。
12.如权利要求10所述的卫星在轨数据处理系统，其特征在于，所述DSP计算节点的任务重构和故障恢复包括：对原有计算节点进行断电，对新的计算节点进行上电，实现不同DSP计算节点接入数据处理网络，上电后运行最小系统程序，由所述低速控制总线接收所述交换管理板发送的运行程序，校验正确后通过操作系统启动新的任务；
所述FPGA计算节点的任务重构和故障恢复包括：对原有计算节点进行断电，对新的计算节点进行上电，实现不同FPGA节点接入数据处理网络，所述新的计算节点配置两片FLASH以存储不同运行程序，通过所述低速控制总线接收所述交换管理板发送的运行程序，完成本地运行程序更新，通过配置加载芯片完成FPGA启动程序加载。
13.一种卫星在轨数据处理方法，其特征在于，所述卫星在轨数据处理方法包括：
卫星在轨数据处理系统为不同星载计算资源提供标准化接口，实现在轨海量数据实时并行流水线计算，并输出任务处理结果；
所述卫星在轨数据处理系统中的供电板、接口板、交换管理板和计算板均以插板式连接安装于母板上，所述母板为所述供电板、所述接口板、所述交换管理板和所述计算板提供电气连接；
所述接口板连接多个载荷，所述接口板为所述载荷提供数据接收通道及预处理，所述供电板及其所对应的所述接口板、所述交换管理板和所述计算板构成单机；
卫星在轨运行时，运行在轨实时处理模式，所述在轨实时处理模式包括：通过数据处理机在轨实时接收多台载荷的数据，完成星上实时数据处理，输出任务结果，所述交换管理板控制每个计算板的状态和处理流程，以及所述接口板完成所述载荷与其所对应的计算板之间的数据格式预处理；
在轨软件动态重构模式通过所述卫星在轨数据处理系统的架构集中管理所述计算板的运行程序，根据在轨数据实时计算需求，动态完成任务重构及故障恢复。
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