CN115240053A - 一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及卫星在轨载荷数据智能实时处理领域，具体涉及一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置。包括接口与控制模块，所述接口与控制模块分别与卫星平台综合电子及载荷单元连接；至少一个高性能计算模块，所述高性能计算模块与所述接口与控制模块连接，所述高性能计算模块用于提供高性能并行计算服务；所述高性能计算模块包括FPGA处理单元、DSP芯片和AI处理器，所述高性能计算模块可根据总线指令提供合适架构；电源管理模块，所述电源管理模块与卫星电源系统连接，用于提供二次电源。本发明利用嵌入式异构计算资源FPGA、DSP和AISOC及片间网络化高速互连等方式搭建基础通用化硬件平台，可根据不同载荷数据处理需求，提供不同的架构。

Description

一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置

技术领域

本发明涉及卫星在轨载荷数据智能实时处理领域，具体涉及一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置。

背景技术

利用高分辨率遥感成像数据，对指定地区进行特定目标的快速检测与识别，获得敏感目标的实时情报信息，具有重要应用价值。小型高分辨率遥感卫星发展的总体趋势是向着轻量化、敏捷化、高可靠和高自主的方向发展，这些都对星上载荷数据处理系统提出了一系列新的需求，主要表现在以下几方面：

(1)需要具备高集成、轻小型化的特征

轻量化是高分辨率遥感卫星发展的总体趋势，实现卫星系统的轻量化不仅降低发射成本还有助于提高整星敏捷性。由于卫星系统的情报生成功能很大程度依赖于星上载荷数据处理系统，新一代高分辨率遥感小卫星要向着轻量化方向发展就必须要求星上载荷数据处理系统具备集成化、轻小型化的特征。

(2)需要具备通用性和可扩展性特征

高分辨率遥感卫星覆盖光学、SAR、雷达探测等不同体制载荷，不同的遥感载荷对平台及星上载荷数据处理系统有着不同的需求，为了使得新型星上载荷数据处理系统具备良好的任务适应性和可重用性，要求新型的星上载荷数据处理系统必须具备通用性和可扩展性特征。

(3)需要具备高算力、智能化的高效处理能力

随着遥感数据的爆炸式增长以及人工智能学习技术的发展，使得利用人工智能技术实现目标的自动检测和识别成为可能。因此，未来星上载荷数据处理系统将朝着实时处理与智能服务的趋势发展，依据用户需求实现星上对获取数据进行智能实时处理，直接生成用户所需数据信息，从而避免资源浪费，实现端到端的实时传输。

然而，当前星上处理平台主要采用专用处理技术体制，对不同技术体制载荷适配性差，处理算力不足，难以满足星上处理平台高时效、通用化的需求。

发明内容

本发明提供了一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其目的在于突破高算力通用星上处理系统硬件平台关键技术，构建星座小型、高算力、通用化、高集成处理平台，支持雷达探测/光学/SAR等多类卫星载荷数据在轨实时处理，生成情报信息。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，包括：

接口与控制模块，所述接口与控制模块分别与卫星平台综合电子及载荷单元连接，所述接口与控制模块用于保证智能处理装置正常工作，实时监控智能处理装置工作状态，接收与发送总线指令及载荷数据，对下述高性能计算模块及电源管理模块进行控制，控制高性能计算模块重构；

至少一个高性能计算模块，所述高性能计算模块与所述接口与控制模块连接，所述高性能计算模块用于提供高性能并行计算服务；所述高性能计算模块包括FPGA处理单元、DSP芯片和AI处理器，所述高性能计算模块可根据总线指令提供合适架构；

电源管理模块，所述电源管理模块与卫星电源系统连接，所述电源管理模块用于将卫星平台一次电源转换为所述接口与控制模块及所述高性能计算模块所需的二次电源。

进一步，所述接口与控制模块包括控制器Ⅰ和高速接口FPGA，所述高速接口FPGA连接有软件资源固存。

进一步，所述高性能计算模块还包括控制器Ⅱ。

进一步，所述高性能计算模块根据总线指令提供的架构包括FPGA处理单元，FPGA处理单元和DSP芯片，FPGA处理单元和AI处理器，或者FPGA处理单元、DSP芯片和AI处理器。

进一步，所述电源管理模块包括过流保护电路、浪涌抑制电路、EMI滤波器、DC/DC模块。

进一步，所述接口与控制模块、高性能计算模块以及电源管理模块通过VPX接插件相互连接。

本发明所达到的有益效果为：

1)利用嵌入式异构计算资源FPGA、DSP和AI SOC及片间网络化高速互连等方式搭建基础通用化硬件平台，可重构技术允许系统可根据不同载荷数据处理需求，使用FPGA或FPGA+DSP或FPGA+AI SOC或FPGA+DSP+AI SOC等灵活架构，使系统获得不同的功能。同时支持算法地面迭代优化与在轨快速重构，支持SAR载荷、雷达探测载荷、光学载荷等多种载荷星上实时处理。

2)设计FPGA+DSP+AI SOC架构替代以往多块FPGA+DSP计算单元的架构，提升载荷处理系统的性能、功能密度，实现星上载荷数据高时效、高精度处理。

附图说明

图1是载荷数据实时处理装置组成框图。

图2为接口与控制模块组成框图。

图3为高性能计算模块组成框图。

图4为电源管理模块组成框图。

图5为载荷数据处理装置工作流程示意图。

具体实施方式

为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合附图说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供了一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，可以完成雷达探测/光学/SAR等多种载荷星上成像在轨实时检测与智能识别，并根据载荷不同自动提供最合适的计算架构。本发明采用标准VPX架构，支持硬件模块的快速扩充和重构，具体包括接口与控制模块、至少一个高性能计算模块和电源管理模块。所述接口与控制模块、高性能计算模块以及电源管理模块通过VPX接插件相互连接，以方便扩展。

如图2所示，所述接口与控制模块用于保证智能处理装置正常工作，实时监控智能处理装置工作状态，接收与发送总线指令及载荷数据，对下述高性能计算模块及电源管理模块进行控制，控制高性能计算模块重构。所述接口与控制模块对外具备CAN、RS422通信接口，负责整机的指令接收及遥测发送。支持光纤、2711、LVDS、SRIO等高速通信接口，适配路由功能，实现载荷数据的接收、对内高速转发，可连接星间链路终端、卫星平台综合电子等。集成大容量固存作为软件资源池，可实现处理软件、参数、数据库在轨升级、快速重构功能。

具体的，所述接口与控制模块包括控制器Ⅰ和高速接口FPGA，所述高速接口FPGA连接有软件资源固存，所述软件资源固存采用NAND FLASH，所述软件资源固存用于存储预先训练好的算法模型及地面上注的新模型。

所述控制器Ⅰ通过CAN总线接口接收来自平台综合电子的控制指令，发送遥测数据；所述控制器以Ⅰ通过RS422接口与载荷单元连接，RS422接口主要负责传输低速数据，如状态信息等。所述控制器Ⅰ负责解析外部CAN总线的控制指令，发送遥测数据，并通过内部CAN总线接口对各模块进行控制。此外，所述控制器Ⅰ还可以通过内部总线控制各个模块。所述控制器Ⅰ选用A3PE3000，该型FPGA具有上电加载快，非易失，配置区高能中子免疫，低成本等特点。

所述高速接口FPGA通过光纤与载荷单元连接，以便于获取载荷数据；所述高速接口FPGA通过LVDS接口、2711接口、SRIO接口与平台综合电子连接，其中所述LVDS接口可传输高速数据，如图像等；所述SRIO接口可用于接收地面上注的新模型。所述高速接口FPGA主要用于高速数据接收以及预处理，所谓的预处理是指对载荷数据进行分块，以及数据质量提升、去噪去斑、滤波等。

所述高速接口FPGA采用复旦微电子的JFM7K325T，K7系列FPGA采用全新的体系结构和时钟结构，有丰富的逻辑资源和存储资源，高速串行连接支持高达28.05Gb/s的数据传输，高性能的SelectIO技术可支持高达1866Mb/s的DDR3接口，对外数据交换接口支持光纤、2711、LVDS通信协议，速率可适应10Gbps星座路由接口。对内支持SRIO高速总线，CAN低速接口。SRIO协议基于FPGA内嵌IP核实现，可进一步降低硬件成本和电路设计复杂度，提高系统集成度。

此外，由于JFM7K325T为SRAM型FPGA，易发生单粒子翻转。因此采用A3PE3000负责对JFM7K325T FPGA进行配置刷新，以减缓空间单粒子翻转效应对SRAM型FPGA工作可靠性的影响。

如图3所示，所述高性能计算模块通过VPX插接件与所述接口与控制模块连接，所述高性能计算模块包括FPGA处理单元、DSP芯片、两块AI处理器和控制器Ⅱ。所述高性能计算模块以FPGA+DSP+AI SOC作为核心计算资源，实现光学、SAR等多种载荷数据实时处理及异构数据融合、目标检测与识别等功能。所述高性能计算模块初始设计为两块，可根据具体需求进行扩展与裁剪。

所述高性能计算模块用于提供高性能并行计算服务，利用嵌入式异构计算资源FPGA、DSP和AI SOC及片间网络化高速互连等方式搭建基础通用化硬件平台。该平台具有高性能通用处理、高性能数字信号处理、高速网络等功能，并配备操作系统软件。

所述高性能计算模块可根据总线指令提供合适架构，以适应不同载荷数据处理需求。所述高性能计算模块根据总线指令提供的架构包括FPGA处理单元，FPGA处理单元和DSP芯片，FPGA处理单元和AI处理器，或者FPGA处理单元、DSP芯片和AI处理器。

其中，所述FPGA处理单元主要用于实现专用加速计算以及接口逻辑控制等功能，所述FPGA处理单元在器件选型上主要考虑到逻辑资源、接口、功耗以及空间环境适应性等方面需求。除此之外，在SAR载荷数据处理过程中需要作为核心计算资源，完成大量FFT、IFFT、复乘以及转置等运算，因而FPGA器件应具备1000万门以上的逻辑资源并支持DDR3高速读写和SRIO、PCIe总线接口。选用JFM7VX690T作为高性能FPGA处理单元，它拥有大量的逻辑单元和可编程逻辑块。它内部集成了3600个DSP Slices资源，其主要用于FFT/IFFT、复乘、除法等运算IP核。还有1470个36Kb或者2940个18Kb片上块随机存储器。除此之外还有最大10888Kb的片上分布式随机存储器。通过算法资源消耗的评估，能够满足星载SAR成像算法对于中间变量高速缓存和大量计算逻辑的要求，实现实时成像处理。

所述DSP芯片主要用于支撑大规模浮点运算及矩阵运算，所述DSP芯片选用国防科大的FT-M6678。FT-M6678为8核高性能DSP，搭载了先进的Keystone多核架构，同时支持定点和浮点运算模式。其单核主频最高为1.2GHz，单片处理性能最高可提供峰值达160GFLOPS的浮点运算处理能力，强大的芯片处理能力可以对载荷数据处理过程中各类复杂算法的处理速度予以保证。

所述AI处理器主要用于实现深度学习模型应用、智能和加速处理功能，实现图像、视频等多种数据分析与推理计算。所述AI处理器以华为Atlas 200AI加速模块为核心，可完成多源数据融合、目标检测与识别等智能处理算法，生成情报信息。Atlas 200是一款高性能的AI智能计算模块。集成了海思Ascend310AI处理器，包括Ubuntu操作系统，支持TensorFlow、Caffe等深度学习框架，可以实现图像、视频等多种数据分析与推理计算。可提供22TOPS的峰值计算能力，支持20路高清视频实时分析。支持毫瓦级休眠、毫秒级唤醒，典型功耗仅11W，使能边缘AI应用。

所述控制器Ⅱ的作用与所述控制器Ⅰ的作用类似，可以用于解析外部CAN总线的控制指令，也可以用于对所述FPGA处理单元进行配置刷新，以确保所述FPGA处理单元可以稳定运行不出错。所述控制器Ⅱ选用A3PE3000，该型FPGA具有上电加载快，非易失，配置区高能中子免疫，低成本等特点。

进一步，所述高性能计算模块设置有两个外部接口，仅供调试过程使用。

如图4所示，所述电源管理模块与卫星电源系统连接，所述电源管理模块用于将卫星平台一次电源转换为所述接口与控制模块及所述高性能计算模块所需的二次电源。本发明的机箱内采用集中供电方式，即采取集中的DC/DC模块实现电压变换。所述电源管理模块主要为机箱内的设备提供供电电源，实现母线电压到板卡所需电压的变换，提供标准+12V电源。电源管理模块设计有加断电控制电路，可根据接口与控制模块发来的OC指令，实现各个模块的加断电控制，实现低功耗管理功能。

具体的，所述电源管理模块包括与一次母线连接的过流保护电路、与所述过流保护电路连接的浪涌抑制电路、与所述浪涌抑制电路连接的EMI滤波器和与所述EMI滤波器连接的DC/DC模块，所述DC/DC模块为各个模块独立供电。

图5展示了使用本发明处理载荷数据的工作流程，包括以下步骤；

S1.接口与控制模块接收平台综合电子总线指令，对平台进行重构；

S2.通过载荷或星上路由单元获取载荷数据，并将数据传输给高速接口FPGA(即JFM7K325T)；

S3.将数据进行预处理，然后平均分发给高性能计算模块；

S4.多个高新能计算模块并行处理，生成情报信息，并将情报信息分发给测控分系统；

S5.测控分系统将情报信息下传只地面站，用户获得目标的实时情报信息。

可重构技术允许系统根据应用需求或故障情况重新配置，使系统获得不同的功能：可根据不同载荷数据处理需求，使用FPGA或FPGA+DSP或FPGA+AI SOC或FPGA+DSP+AISOC等灵活架构。可重构软件技术可以满足星上载荷数据处理系统应用软件的在轨升级、更新、重构需求，通过在星上载荷数据处理系统内部设置大容量软件资源池，可用于存储预先训练好的算法模型及地面上注的新模型，可根据指令通过内部高速总线快速分发、配置，对星上载荷数据处理系统进行快速升级、重构加载，提高处理时效与精度。

地面指挥中心通过上注的方式或卫星系统根据实际载荷数据处理需求自动下达重构总线指令，这个命令经过外部CAN总线接口，发送给接口与控制模块的A3PE3000，然后A3PE3000通过内部CAN总线接口，发送给JFM7K325T。JFM7K325T读取NAND FLASH中预先存储好的模型，通过内部高速SRIO分发给高性能计算模块中的JFM7V690T/FT-6678/Atlas，进行重构加载。此为软件重构。

另一方面，A3PE3000通过内部CAN总线指令，将指定的高性能计算模块进行加电/断电，以及高性能计算模块内指定的FT-6678/Atlas等进行加电/断电，实现硬件重构。

本发明在应对不同载荷时，将根据载荷数据的处理需要，自动提供不同架构。举例来说，当载荷为SAR载荷或光学载荷时：

对于光学遥感影像，按照区域15km×15km幅宽，0.5m分辨率，量化位数11bit计算，单点区域数据量约为9.9Gbit。对于全色相机，码速率可达4.62Gbps。以往多采用多个高性能FPGA+DSP架构进行星上并行切片处理。

对于SAR成像，星载SAR成像算法数据量大，假设雷达脉冲重复频率为3000Hz，距离向点数为单精度16384点，则数据率为将会达到1.92×105Mbps，连续工作12秒，缓存数据量将会超过2GB。这要求处理平台必须具备足够的缓存空间和足够高的运算能力。此外，算法中包含了大量的FFT、IFFT、复乘、除法以及非线性的超越运算。按照区域30km×30km幅宽，0.5m分辨率，量化位数8bit计算，单点区域数据量约为28.8Gbit，码速率约420Mbps。以往多采用多个高性能FPGA架构进行并行处理。

此外，针对光学遥感影像、SAR成像目标检测识别等人工智能算法，需要高算力AI芯片支持，多采用智能处理芯片对算法加速处理。

基于上述分析，本实施例拟采用高性能FPGA+DSP+AI SOC架构搭建硬件平台，以满足光学/SAR的载荷数据实时处理要求。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其特征在于，包括：

接口与控制模块，所述接口与控制模块分别与卫星平台综合电子及载荷单元连接，所述接口与控制模块用于保证智能处理装置正常工作，实时监控智能处理装置工作状态，接收与发送总线指令及载荷数据，对下述高性能计算模块及电源管理模块进行控制，控制高性能计算模块重构；

至少一个高性能计算模块，所述高性能计算模块与所述接口与控制模块连接，所述高性能计算模块用于提供高性能并行计算服务；所述高性能计算模块包括FPGA处理单元、DSP芯片和AI处理器，所述高性能计算模块可根据总线指令提供合适架构；

电源管理模块，所述电源管理模块与卫星电源系统连接，所述电源管理模块用于将卫星平台一次电源转换为所述接口与控制模块及所述高性能计算模块所需的二次电源。

2.根据权利要求1所述的一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其特征在于：所述接口与控制模块包括控制器Ⅰ和高速接口FPGA，所述高速接口FPGA连接有软件资源固存。

3.根据权利要求1所述的一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其特征在于：所述高性能计算模块还包括控制器Ⅱ。

4.根据权利要求3所述的一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其特征在于：所述高性能计算模块根据总线指令提供的架构包括FPGA处理单元，FPGA处理单元和DSP芯片，FPGA处理单元和AI处理器，或者FPGA处理单元、DSP芯片和AI处理器。

5.根据权利要求1所述的一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其特征在于：所述电源管理模块包括过流保护电路、浪涌抑制电路、EMI滤波器和DC/DC模块。

6.根据权利要求1～5任一项所述的一种小型通用载荷数据星上实时智能处理装置，其特征在于：所述接口与控制模块、高性能计算模块以及电源管理模块通过VPX接插件相互连接。

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