CN114138497B - 星载智能数据处理装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载智能数据处理装置,其特征在于,包括GPU核心处理模块、电源模块、指令总线模块、数据总线模块、指令输出模块、MCU管理模块,所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块通信连接于所述GPU核心处理模块。本发明的装置通过设置MCU管理模块实现GPU运行监控、备份操作系统选择和指令中继,提高了系统在轨运行的可靠性,同时,本发明的装置采用成熟的商业级器件设计,成本低,满足微小卫星在轨目标检测、任务规划、信息融合等数据实时处理需求。
Description
技术领域
本发明属于卫星平台技术领域,尤其涉及一种星载智能数据处理装置。
背景技术
微小卫星遥感探测具有成本低、观测范围广、空间与时间分辨率高等独特优势,在交通运输、海洋执法、国防安全等领域有着重要应用。但是,随着微小卫星数量的不断增多、探测模式的多样化以及用户需求的复杂化,传统以地面为主的微小卫星运控方式需要花费大量的人力物力,越来越无法满足微小卫星快速发展的需求。同时,随着微小卫星载荷探测能力的增强,卫星载荷在轨获得的数据量急剧增大,给卫星的数据存储与下传带来了很大的挑战,同时下传、处理、应用之间链条复杂繁长、响应时间较慢,无法满足应急条件和高时效用户应用要求,严重制约着微小卫星应用和服务发展。当前,微小卫星遥感、探测等数据的高时效性应用已经成为刚需,因此,提高微小卫星的星上数据处理能力,通过遥感、探测数据的在轨处理直接获取目标图像、情报信息,成为近年来航天技术的研究热点。
从20世纪90年代开始,国内外研究人员就展开了卫星在轨处理技术相关研究,基本形成了两代星载智能处理装置:第一代基于多核DSP(Digital Signal Process)的星载智能处理装置和第二代基于GPU(Graphics Processing Unit)的星载智能处理装置。第一代星载智能处理装置多采用DSP、FPGA(Field Programmable Gate Array)等处理器作为核心处理器件,其优点是器件运算能力强,同时器件成熟度与可靠性交高。但是器件费用较高,比较适合在大卫星等重点型号使用。但是,由于程序开发门槛较高,无法支持现有的深度学习等人工智能算法,其功能主要集中在数据压缩、辐射校正、无效数据剔除等数据基础处理功能,在目标检测等智能处理方面的应用效果有限。第二代星载智能处理装置性能强大,同时具备成熟完善的开发生态,支持现有大多数深度学习等程序的应用,使得程序开发难度大大降低。同时,商业级器件价格低廉、器件体积功耗小,因此适合在微小卫星上应用。但是,此类装置的空间环境适应能力比宇航级器件弱,需要进行冗余设计提高可靠性。
发明内容
为解决上述现有技术中存在的部分或全部技术问题,本发明提供一种星载智能数据处理装置,包括GPU核心处理模块、电源模块、指令总线模块、数据总线模块、指令输出模块、MCU管理模块,所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块通信连接于所述GPU核心处理模块。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述指令总线模块通过CAN通信连接于所述GPU核心处理模块,所述数据总线模块通过UART通信连接于所述GPU核心处理模块,所述指令输出模块通过IIC通信连接于所述GPU核心处理模块,所述MCU管理模块通过UART通信连接于所述GPU核心处理模块。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述GPU核心处理模块、所述电源模块、所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块安装在基于微纳卫星标准化的印制板上,所述印制板与卫星内其他模块组件采用标准接插件进行连接。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述GPU核心处理模块所采用的GPU处理单元具备浮点计算能力、支持Linux系统下程序和算法开发、支持深度学习算法框架。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述电源模块将所述GPU核心处理模块、所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块电连接,并将卫星电源的电压转换为所述GPU核心处理模块、所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块所需的电源电压。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述指令总线模块通信连接于卫星星务组件和其他星上载荷,与所述卫星星务组件和所述其他星上载荷进行控制指令通信。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述数据总线模块通信连接于其他星上载荷,与所述其他星上载荷进行数据交互。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述指令输出模块输出控制其他星上载荷开关机的指令,所述指令包括OC指令、电平指令。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述MCU管理模块包括MCU芯片模块和SD卡模块,所述MCU芯片模块控制所述GPU核心处理模块启动时的操作系统选择,同时监测所述GPU核心处理模块的运行状态,并当所述GPU核心处理模块运行不正常时,所述MCU芯片模块控制所述GPU核心处理模块复位重启;所述MCU芯片模块作为指令总线模块的备份,当所述指令总线模块故障时,所述GPU核心处理模块的指令通过所述MCU芯片模块自身的指令总线以指令中继方式的转发给卫星星务组件;所述SD卡模块为所述GPU核心处理模块存储备份的Linux操作系统文件,当所述GPU核心处理模块自身的存储单元出现故障时,所述GPU核心处理模块启动存储在所述SD卡模块中的备份操作系统工作;所述SD卡模块存储从其他星上载荷接收到的数据。
进一步地,在上述星载智能数据处理装置中,所述其他星上载荷包括卫星上的相机载荷、数传载荷等。
与现有技术相比,本发明的星载智能数据处理装置具有如下优点和有益效果。
本发明的星载智能数据处理装置充分考虑了GPU等人工智能芯片在空间环境下容易故障的特性,通过设置MCU管理模块实现GPU运行监控、备份操作系统选择和指令中继,提高了系统在轨运行的可靠性,同时,本发明的星载智能数据处理装置采用成熟的商业级器件设计,成本低,满足微小卫星在轨目标检测、任务规划、信息融合等数据实时处理需求。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解,构成本发明的一部分,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。
图1 是本发明的星载智能数据处理装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
参见图1,本发明的星载智能数据处理装置包括GPU核心处理模块、电源模块、指令总线模块、数据总线模块、指令输出模块、MCU(Micro Controller Unit)管理模块。指令总线模块、数据总线模块、指令输出模块、MCU管理模块通信连接于GPU核心处理模块。
优选地,指令总线模块通过CAN(Controller Area Network)通信连接于GPU核心处理模块,数据总线模块通过UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)通信连接于GPU核心处理模块,指令输出模块通过IIC(Inter-Integrated Circuit)通信连接于GPU核心处理模块,MCU管理模块通过UART通信连接于GPU核心处理模块。
优选地,本发明的星载智能数据处理装置中的上述各模块安装在基于微纳卫星标准化的印制板上,该印制板与卫星内其他模块组件采用PC104标准接插件进行连接。
GPU核心处理模块是整个星载智能数据处理装置的核心组件,采用高性能小型化的GPU处理单元,具备高性能的浮点计算能力,支持Linux系统下程序和算法开发,支持主流的深度学习算法框架,如Pytorch等。作为一种具体实施方式,GPU核心处理模块例如可以采用英伟达公司的Tx2模块。
电源模块将星载智能数据处理装置中的上述各模块进行电连接,并将卫星电源的电压转换为星载智能数据处理装置中的上述各模块所需的电源电压。
指令总线模块通过CAN、IIC等通信连接于卫星星务组件和其他星上载荷,由此与卫星星务组件、其他星上载荷进行控制指令通信。
数据总线模块通过RS422、千兆网等通信连接于其他星上载荷,由此与其他星上载荷进行数据交互。
指令输出模块用于输出控制其他星上载荷开关机的指令,该指令包括OC指令、电平指令。
MCU管理模块包括MCU芯片模块和SD卡模块。MCU芯片模块控制GPU核心处理模块启动时的操作系统选择,同时监测GPU核心处理模块的运行状态,若GPU核心处理模块运行不正常,MCU芯片模块控制GPU核心处理模块复位重启(Reset)。同时,MCU芯片模块作为指令总线模块的备份,若指令总线模块故障,GPU核心处理模块的指令可以通过MCU芯片模块自身的指令总线转发给卫星星务组件,起到指令中继的功能。SD卡模块为GPU核心处理模块存储备份的Linux操作系统文件,当GPU核心处理模块自身的存储单元出现故障时,GPU核心处理模块可以启动存储在SD卡模块中的备份操作系统工作。同时,SD卡模块存储从其他星上载荷接收到的数据,如相机成像数据。
本文中,其他星上载荷是指卫星上的相机载荷、数传载荷等。
作为一个实例,利用本发明的星载智能数据处理装置对卫星上的相机载荷进行处理时,GPU核心处理模块通过指令输出模块打开星上相机载荷,GPU核心处理模块通过数据总线模块接收星上相机载荷的相机成像数据,GPU核心处理模块通过指令总线模块接收到卫星星务组件的启动图像处理指令后,对相机成像数据进行处理,GPU核心处理模块将图像处理结果通过数据总线模块发送到星上数传载荷,下传到地面控制站。由此实现星上相机载荷的相机成像数据的在轨处理。
综上所述,本发明的星载智能数据处理装置采用了标准化高性能星载智能处理设计方案,其中,MCU管理模块能够监测GPU核心处理模块的运行状态,并根据监测情况进行操作系统选择,启动备份操作系统;MCU管理模块能够作为GPU核心处理模块的指令中继节点,确保本发明的星载智能数据处理装置与卫星星务组件的指令通信;指令输出模块可以输出OC和电平指令;SD卡模块能够实现数据存储,具有设计简单可靠、成本低的优势,适合微纳卫星使用。
因此,本发明的星载智能数据处理装置充分考虑了GPU等人工智能芯片在空间环境下容易故障的特性,通过设置MCU管理模块实现GPU运行监控、备份操作系统选择和指令中继,提高了系统在轨运行的可靠性,同时,本发明的星载智能数据处理装置采用成熟的商业级器件设计,成本低,满足微小卫星在轨目标检测、任务规划、信息融合等数据实时处理需求。
需要说明的是,在本文中,诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外,本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案,而非对其限制;尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明,本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改,或者对其中部分技术特征进行等同替换;而这些修改或者替换,并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (8)
1.一种星载智能数据处理装置,其特征在于,包括GPU核心处理模块、电源模块、指令总线模块、数据总线模块、指令输出模块、MCU管理模块,所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块通信连接于所述GPU核心处理模块;
所述MCU管理模块包括MCU芯片模块和SD卡模块,其中:
所述MCU芯片模块控制所述GPU核心处理模块启动时的操作系统选择,同时监测所述GPU核心处理模块的运行状态,并当所述GPU核心处理模块运行不正常时,所述MCU芯片模块控制所述GPU核心处理模块复位重启;
所述MCU芯片模块作为指令总线模块的备份,当所述指令总线模块故障时,所述GPU核心处理模块的指令通过所述MCU芯片模块自身的指令总线以指令中继方式的转发给卫星星务组件;
所述SD卡模块为所述GPU核心处理模块存储备份的Linux操作系统文件,当所述GPU核心处理模块自身的存储单元出现故障时,所述GPU核心处理模块启动存储在所述SD卡模块中的备份操作系统工作;
所述SD卡模块存储从其他星上载荷接收到的数据;
所述GPU核心处理模块通过所述指令输出模块打开星上相机载荷,所述GPU核心处理模块通过所述数据总线模块接收星上相机载荷的相机成像数据,所述GPU核心处理模块通过所述指令总线模块接收到卫星星务组件的启动图像处理指令后,对相机成像数据进行处理,所述GPU核心处理模块将图像处理结果通过所述数据总线模块发送到星上数传载荷,下传到地面控制站。
2.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述指令总线模块通过CAN通信连接于所述GPU核心处理模块,所述数据总线模块通过UART通信连接于所述GPU核心处理模块,所述指令输出模块通过IIC通信连接于所述GPU核心处理模块,所述MCU管理模块通过UART通信连接于所述GPU核心处理模块。
3.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述GPU核心处理模块、所述电源模块、所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块安装在基于微纳卫星标准化的印制板上,所述印制板与卫星内其他模块组件采用标准接插件进行连接。
4.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述GPU核心处理模块所采用的GPU处理单元具备浮点计算能力、支持Linux系统下程序和算法开发、支持深度学习算法框架。
5.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述电源模块将所述GPU核心处理模块、所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块电连接,并将卫星电源的电压转换为所述GPU核心处理模块、所述指令总线模块、所述数据总线模块、所述指令输出模块、所述MCU管理模块所需的电源电压。
6.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述指令总线模块通信连接于卫星星务组件和其他星上载荷,与所述卫星星务组件和所述其他星上载荷进行控制指令通信。
7.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述数据总线模块通信连接于其他星上载荷,与所述其他星上载荷进行数据交互。
8.根据权利要求1所述的星载智能数据处理装置,其特征在于,所述指令输出模块输出控制其他星上载荷开关机的指令,所述指令包括OC指令、电平指令。
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