歐 民，張佳鵬，張愛兵，董 剛，蘇繼東，賀一峰，蘇 峰

(中國空間技術研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)(以下簡稱數(shù)傳系統(tǒng))是指裝載在空間飛行器上、實現(xiàn)對各種遙感載荷數(shù)據(jù)的處理、壓縮、符合國際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會標準的(consultative committee for space data systems, CCSDS)數(shù)據(jù)復接、存儲、調制、通過天線對地面接收站和中繼衛(wèi)星進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星遙感載荷受制于數(shù)傳系統(tǒng)處理傳輸能力，數(shù)據(jù)速率一般小于百Gbps。系統(tǒng)應用模式流程為：地面進行任務規(guī)劃，衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)獲取，地面站接收下傳數(shù)據(jù)，衛(wèi)星處理中心進行處理分發(fā)，最后用于專業(yè)應用[1]，處理環(huán)節(jié)多，時效性差；此外傳統(tǒng)系統(tǒng)設計主要針對初期可預見的固定系統(tǒng)要求及工作模式，硬件功能單一,兼容性不強，難以適應衛(wèi)星后續(xù)功能性能拓展與提升。

隨著有效載荷技術的不斷發(fā)展，推動遙感數(shù)據(jù)向空間高分辨率超寬幅、高光譜分辨率、精細化精準化發(fā)展。例如，從可見光、紅外到激光、微波，數(shù)據(jù)精度越來越高，空間分辨率、光譜分辨率、時間分辨率不斷提升,相應的載荷數(shù)據(jù)傳輸速率也大幅提升[2]。這就與衛(wèi)星平臺上有限的傳輸、存儲資源之間產生了巨大矛盾, 使得星上對海量數(shù)據(jù)進行有效處理成了遙感數(shù)傳技術發(fā)展中需要迫切解決的一個問題[3]。

隨著衛(wèi)星數(shù)量的增多，成像模式的多樣化以及用戶需求的復雜化，傳統(tǒng)運控、接收、處理和應用環(huán)節(jié)相互獨立的應用模式復雜繁長，響應時間較慢，無法滿足應急條件和高時效用戶的應用要求。要求處理分發(fā)模式直接面向終端，如圖1所示，將星上獲取的多源遙感數(shù)據(jù)在軌進行加工處理，生成可直接支持典型應用場景的信息產品進行對地傳輸與分發(fā)，有效提高遙感數(shù)據(jù)應用時效性，并指導衛(wèi)星自主任務規(guī)劃，提升衛(wèi)星智能化水平。

圖1 衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸應用模式轉變Fig.1 Transformation of satellite data processing and transmission application mode

國際上，美國和歐洲積極開展AI、新型網絡技術在空間設施的應用探索研究，如天地一體云操作系統(tǒng)、空間大數(shù)據(jù)、軟件定義功能等理念為遙感應用生態(tài)注入了活力[4-5]。天地一體、新一代全球公共服務為代表的信息化服務模式極大促進了應用發(fā)展。未來遙感應用將以開放式數(shù)據(jù)共享硬件平臺為核心，便于用戶迅速獲取數(shù)據(jù)，通過加載應用軟件來動態(tài)定義所需的服務等級。顯著提升信息獲取、處理、傳輸、分發(fā)效率，這將是未來空間綜合信息智能服務的趨勢。

因此，構建幾百至千Gbps超高速率載荷數(shù)據(jù)接收、壓縮、檢索、智能處理及服務安全且具備開放式架構設計的新體制數(shù)傳系統(tǒng)，已經成為迎接未來發(fā)展的迫切需求。

1 系統(tǒng)設計

超高速空間智能數(shù)傳系統(tǒng)輸入載荷數(shù)據(jù)速率達到數(shù)百Gbps，遠大于星地傳輸速率，為保證在軌圖像質量，提高衛(wèi)星使用效能，將真實有效的圖像數(shù)據(jù)下傳至地面提供給用戶，系統(tǒng)采取云檢測、輻射預校正、區(qū)域目標提取、變化檢測等海量數(shù)據(jù)在軌智能處理技術，提取關鍵目標或變化信息，通過星地無線通道傳輸?shù)降孛?，有效解決高速大數(shù)據(jù)量與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)利用率之間的矛盾，滿足用戶對遙感信息高時效性需求。數(shù)傳系統(tǒng)采用了“超高速數(shù)據(jù)在軌智能處理創(chuàng)新設計+成熟射頻通道”相結合的系統(tǒng)方案，實現(xiàn)超高速海量數(shù)據(jù)處理和傳輸功能。系統(tǒng)組成框圖如圖2所示，由4臺智能處理器、固態(tài)存儲器(以下簡稱固存)、數(shù)傳射頻通道、數(shù)傳天線以及遙控遙測供配電單元組成。

圖2 數(shù)傳系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of data transmission system

數(shù)傳系統(tǒng)主要包括記錄、回放下傳及回放處理工作模式。記錄模式下數(shù)傳系統(tǒng)4臺智能處理器通過多路10Gbps光纖接口接收載荷數(shù)據(jù)，路由模塊將數(shù)據(jù)通過光纖接口轉發(fā)至固存記錄，同時控制智能處理器內部數(shù)據(jù)流向，將載荷數(shù)據(jù)輸入至用戶智能處理板卡進行在軌圖像實時檢測分類處理，處理結果存儲在本地固態(tài)存儲器，或通過路由板將處理結果轉發(fā)至其它類型處理板卡進行二次精細處理，獲得精準結果。數(shù)傳系統(tǒng)在回放下傳模式下，根據(jù)地面指令從固存回放指定的原始圖像數(shù)據(jù)或處理結果信息，進入智能處理器后可進行實時壓縮或直接輸出至數(shù)傳通道，進行射頻調制、濾波、功率放大后從數(shù)傳天線輻射下傳至地面?；胤诺膬热莞鶕?jù)任務指令形成的整星文件下傳列表地面提供的下傳列表決定，回放下傳包括原始數(shù)據(jù)回放下傳、原始數(shù)據(jù)回放壓縮下傳和處理結果信息回放下傳等多種模式?；胤盘幚砟Ｊ浇邮盏孛嬷噶顝墓檀婊胤胖付ǖ脑紙D像數(shù)據(jù)經智能處理器路由板送內部智能處理板卡進行圖像處理，并將處理結果記入固存，該模式根據(jù)用戶需求及用戶板卡功能分為多種子模式，可由用戶自定義功能，在軌通過上注用戶應用程序實現(xiàn)。

4臺智能處理器完成數(shù)百Gbps載荷圖像數(shù)據(jù)接收、分發(fā)與路由、在軌圖像處理、實時用戶信息生成、應用程序加載與上注功能。智能處理器采用VPX標準一體化機箱設計，包括路由單元、控制配電單元、編碼調制單元組成的最小系統(tǒng)設計以及可選用戶處理板卡。以路由單元為處理及控制中樞，通過制定標準的協(xié)議和硬件體系架構，形成載荷數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)核心單元產品，滿足衛(wèi)星載荷數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)不同的任務需求。最小系統(tǒng)具備基本的在軌處理及傳輸能力，完成任務規(guī)劃、任務解析、調度執(zhí)行等功能。在滿足最簡任務需求的同時，具備較強的可擴展能力，通過配置符合標準協(xié)議和產品架構的用戶板卡擴展整體系統(tǒng)應用，滿足后期在軌高速智能處理需求；另外可以在不更改最小系統(tǒng)設計的情況下，通過軟件重構實現(xiàn)系統(tǒng)功能的擴展，提升系統(tǒng)處理能力。用戶板卡實現(xiàn)各種在軌圖像數(shù)據(jù)處理工作，根據(jù)處理功能特性采用CPU、DSP、FPGA、GPU及專用芯片組成的異構處理平臺，實現(xiàn)基于硬件平臺的海量數(shù)據(jù)處理、圖像檢測、目標精細化識別技術、多用戶圖像處理軟件支持等功能。同時也可加載其他用戶任務，完成在軌數(shù)據(jù)產品加工、用戶并行服務等工作。

固存實現(xiàn)超高速載荷原始數(shù)據(jù)的記錄功能，存儲容量數(shù)百Tbit,存儲帶寬數(shù)百Gbps。采用邊擦邊記的方式記錄來自智能處理器1、2、3、4的圖像原始數(shù)據(jù)、處理后的數(shù)據(jù)，按文件存儲并形成文件屬性信息；根據(jù)指令要求對記錄的圖像原始數(shù)據(jù)進行檢索并回放；按照用戶信息對圖像原始數(shù)據(jù)文件或處理后的數(shù)據(jù)文件進行回放；在回放圖像原始數(shù)據(jù)的同時，對處理后的數(shù)據(jù)結果進行存儲或進行其它記錄和回放操作的組合。固存可對內部存儲陣列、數(shù)據(jù)交換通道進行檢測，對存儲陣列內部的故障芯片或故障單元自主替換。固存整機由任務管理模塊、高性能路由、存儲陣列組成。高性能路由與智能處理器和存儲陣列連接，完成載荷數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、動態(tài)調度和數(shù)據(jù)分發(fā)；存儲陣列完成載荷數(shù)據(jù)的編譯碼、存儲和回放功能；任務管理模塊為整機的核心控制模塊，完成整機任務調度和文件管理功能。

數(shù)傳射頻通道采用成熟設計，調制器應用矢量調制技術結合星座映射，具有QPSK、8PSK、16QAM、16APSK、32APSK等調制方式。數(shù)傳天線采用正交雙圓極化設計，可完成系統(tǒng)雙極化雙通道的信號傳輸。通道部分采用具備多鏈路多檔位傳輸速率設計，實現(xiàn)多條鏈路每路幾十Mbps至Gbps級對地通道傳輸能力，可滿足多種地面接收應用模式需求。

2 關鍵技術

開放式超高速空間智能數(shù)傳系統(tǒng)與傳統(tǒng)數(shù)傳系統(tǒng)相比，載荷原始數(shù)據(jù)率高，應用模式靈活，系統(tǒng)架構復雜，研制難度劇增。關鍵技術如下。

2.1 超高速復雜數(shù)據(jù)流控制與路由交互技術

當前，星載高速數(shù)據(jù)接口一般采用低速LVDS形式和中速串行接口形式，單路速率受限，難以實現(xiàn)超高速數(shù)據(jù)傳輸[6]。相比傳統(tǒng)設計，數(shù)傳系統(tǒng)載荷速率達到數(shù)百Gbps超高速率，系統(tǒng)性能和復雜度成指數(shù)量級提升。海量載荷數(shù)據(jù)帶來整個數(shù)傳系統(tǒng)的硬件傳輸接口、拓撲架構、軟件控制等在各方面較傳統(tǒng)型號有了跨越式發(fā)展。

針對超高速數(shù)據(jù)傳輸需求，系統(tǒng)采用光纖通信傳輸設備間高速串行信號，在發(fā)送端高速差分電信號通過光電轉換模塊、光纜、光纖連接器傳輸后到達光接收模塊，轉換成高速差分電信號，實現(xiàn)了單路光纖大于10Gbps高速傳輸能力。通過光電模塊把電信號轉換成光信號，傳輸介質用光纖代替電纜，光纜在體積、傳輸距離、輕量化、協(xié)議靈活、抗電磁兼容、成本等方面有明顯優(yōu)勢。此外，相比使用其它高速接口芯片，同等傳輸能力下，光電模塊具有集成度更高，控制簡單，占用處理器資源少，傳輸協(xié)議靈活的優(yōu)點[7]。同時，優(yōu)化了封裝結構設計、光路設計和熱設計，采取單粒子保護電路和抗輻照專用控制芯片等措施，提升了產品的空間環(huán)境適應性，滿足在軌應用條件。

由于衛(wèi)星載荷速率需求差別較大，傳統(tǒng)定制型設計難以滿足多源數(shù)據(jù)的通用性要求。新型數(shù)傳系統(tǒng)基于路由的處理架構，制定了開放式數(shù)據(jù)標準協(xié)議，可適應高中低速率數(shù)據(jù)傳輸，通過路由協(xié)議進行數(shù)據(jù)分發(fā)。各單元之間數(shù)據(jù)流由定向型發(fā)展為星型數(shù)據(jù)網絡的先進處理架構，解決了多載荷接口、形式參數(shù)各異導致的設計難題。突破了基于星載應用的多速率數(shù)據(jù)路由協(xié)議技術、處理任務規(guī)劃技術，形成具備產品化能力的全新載荷處理核心單元及開放式兼容數(shù)據(jù)路由架構，能夠承載強大的人工智能和機器學習應用程序，實現(xiàn)滿足多種類需求的即插即用型開放式全功能載荷處理平臺。

系統(tǒng)設計具備更智能的控制和規(guī)劃能力,基于多種在軌數(shù)據(jù)處理結果的復雜數(shù)據(jù)流控制與交互技術，實現(xiàn)單機內部多類模式的數(shù)據(jù)流控制，單機間信息共享，數(shù)據(jù)交換等復雜數(shù)據(jù)控制與交互模式[8]。存儲資源設計靈活端口和配置功能，具有良好的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和可伸縮性，適應多種速率、多種位寬處理要求。在配合整星工作模式方面，通過軟件在軌重構，支持更多種類的處理任務。在數(shù)據(jù)管理方面，利用星上有限的硬件資源，對路由拓撲狀態(tài)進行動態(tài)更新，適應星內數(shù)據(jù)靈活路由，并支持星間數(shù)據(jù)組網交互的潛在需求。

2.2 基于靈活智能信息處理的開放式架構設計

為適應多種星上智能處理模式，同時具有高實時性的信息傳輸特性，采取了工程化、通用化設計。以高性能可編程器件、高速存儲器件、高速接口器件等為核心，依托目前先進的VPX標準體系結構，定義插板兼容、靈活可變的整機形式，形成開放式兼容平臺，支持在軌信息處理、數(shù)據(jù)智能管理以及傳統(tǒng)處理等功能的實現(xiàn)[9]。平臺具備軟硬件可重構功能，高效完成星上任務的同時兼顧系統(tǒng)柔性化功能擴展。具體表現(xiàn)在如下：所有單板(包括用戶處理板卡)采用統(tǒng)一的硬件構架模式，系統(tǒng)硬件靈活，可裁剪可擴展；采用分布式可重構方案，每一塊單板均配備上注功能，提高系統(tǒng)的可靠性和可重構性；設計靈活接口和存儲配置，具有良好的數(shù)據(jù)傳輸帶寬和可伸縮性，適應多種速率、多種位寬處理要求。通過平臺集成共用，架構在軌重構、軟件上注更新方式實現(xiàn)各種先進智能處理算法及深度學習功能。軟件定義技術可以使航天器的軟硬件解耦，支持硬件通用化、在軌功能定義等，為滿足航天器未來發(fā)展需求提供了技術途徑[10]。在智能電源管理方面，梳理任務規(guī)劃，對單獨的處理、存儲平臺進行休眠、待機、工作等狀態(tài)維護，降低設備功耗，減少單粒子等空間輻射效應影響，提高產品可靠性。

2.3 超大容量超高速率固存設計

載荷成像和處理特點要求固態(tài)存儲器可存儲高速海量數(shù)據(jù)，且可提供靈活多樣的工作模式，具有數(shù)據(jù)速率高、容量大、并行任務數(shù)量多、檢索復雜的任務特點。針對超大容量、超高碼率的需求，采用高速光纖接口傳輸技術、高速緩存技術、流水線并行存儲技術實現(xiàn)10Gbps光纖接口穩(wěn)定傳輸；通過新型DDR緩存技術，完成高速，并行流水線存儲功能；采用全新分布式架構和模塊交互協(xié)議，進行RS糾錯編碼、數(shù)據(jù)交織、ECC編碼多級檢錯糾錯方式提升超高速數(shù)據(jù)接收和存儲性能[11]。

除傳統(tǒng)的按文件號、時間信息等索引外，針對圖像通道號、智能處理結果、地理信息網格特征等新型多源數(shù)據(jù)分類存儲和管理需求，通過研究索引文件系統(tǒng)、開發(fā)FPGA及DSP異構軟件輔助快速檢索技術，基于索引架構的FLASH文件系統(tǒng)突破精細化數(shù)據(jù)檢索技術，多源數(shù)據(jù)分類存儲和管理技術，實現(xiàn)了多源數(shù)據(jù)的并發(fā)存儲任務和精準檢索回放功能，形成存儲結構的索引目錄及數(shù)據(jù)多特征值任意組合檢索和極小顆粒度(頁)數(shù)據(jù)的檢索能力。

3 設計結果驗證

數(shù)傳系統(tǒng)開展聯(lián)試工作驗證了系統(tǒng)功能、工作模式以及各設備間接口的正確性和匹配性，如圖3所示。

圖3 數(shù)傳系統(tǒng)驗證框圖Fig.3 Block diagram of data transmission system verification

系統(tǒng)通過地面檢測設備發(fā)送遙控指令切換數(shù)傳系統(tǒng)工作模式，并接收遙測數(shù)據(jù)。記錄模式下地面光纖模擬源將模擬載荷數(shù)據(jù)經多路光纖發(fā)送至智能處理器，智能處理器路由板將接收到的數(shù)據(jù)轉發(fā)至固存存儲，同時根據(jù)處理需求將數(shù)據(jù)分發(fā)至內部用戶板卡進行智能處理，處理結果在本地存儲。回放下傳模式根據(jù)地面指令從固存回放指定的原始圖像數(shù)據(jù)和處理后的信息，經智能處理器路由板發(fā)送至數(shù)傳射頻通道下傳，地面對接收射頻信進行衰減、變頻、解調譯碼后進入高性能處理存儲服務器，從而進行實時數(shù)據(jù)判讀或回訪檢查?；胤盘幚砟Ｊ綇墓檀婊胤胖付ǖ脑紙D像數(shù)據(jù)送智能處理器路由板，轉發(fā)至用戶板卡進行處理，并將處理結果記入固存。

通過工作模式測試驗證了超高速數(shù)據(jù)路由鏈路傳輸協(xié)議匹配性和數(shù)據(jù)正確性，如圖4所示。記錄模式時光纖模擬源數(shù)十路10G/8.25Gbps光纖數(shù)據(jù)輸入到智能處理器路由板，經光纖轉發(fā)至固存存儲?；胤拍Ｊ綄⒐檀娲鎯Φ脑紨?shù)據(jù)回放至智能處理器路由板，再輸出至數(shù)傳射頻通道，地面進行信號處理以及信息譯碼和格式解析后恢復出原始數(shù)據(jù)，與光纖模擬源發(fā)送數(shù)據(jù)比對，結果為零誤碼，驗證了超高速數(shù)據(jù)路由鏈路傳輸性能滿足要求。此外通過記錄、回放以及處理回放多種模式的覆蓋性測試，驗證了數(shù)據(jù)流控制與路由交互功能正確性。

圖4 高速光電模塊傳輸協(xié)議驗證結果(路由與存儲)Fig.4 Verification results of high-speed photoelectric module transport protocol(routing and storage)

智能處理功能驗證，用戶處理板卡接收智能處理器路由板轉發(fā)的模擬原始樣本數(shù)據(jù)，完成目標的高置信度識別，生成精細目標身份信息，實現(xiàn)典型目標的精準識別。對于可見光與紅外圖實現(xiàn)輻射校正、幾何校正、云判等預處理功能[12]，如圖5所示。通過預存地圖信息、結合輔助數(shù)據(jù)，判斷衛(wèi)星觀測場景類型，如沙漠、森林、農田、海洋、湖泊等，選擇相應的圖像處理應用算法進行識別。針對地物目標或事件的已知樣本特征，開展多譜段數(shù)據(jù)下的溫度反演、光譜特征提取、幾何特征提取、配準、信息融合、特征鑒別等處理，實現(xiàn)目標或事件的自動化快速檢測、分類和識別。

圖5 相對輻射校正及云判功能Fig.5 Relative radiometric correction and cloud detection functions

如針對森林火災、秸稈焚燒等空間異常事件，采用溫度反演+掩膜實現(xiàn)，如圖6所示。對于地震等時間異常事件，采用與歷史圖像進行變化檢測算法，實現(xiàn)快速發(fā)現(xiàn)快速預警。經數(shù)萬個樣本測試，結果檢測率超過92%，虛警率不超過2%。系統(tǒng)通過程序上注可支持多用戶APP同時在線運行、模型更新、參數(shù)更新等功能。在軌工作時隨著典型樣本數(shù)量持續(xù)更新豐富，依托在軌智能感知(深度學習和訓練)能力，系統(tǒng)決策模塊進行算法調整優(yōu)化，可進一步提升處理結果性能。

圖6 水域溫度反演Fig.6 Inversion of water temperatue

固存實時記錄及檢索回放驗證，根據(jù)地面指令從固存回放指定的原始圖像數(shù)據(jù)和處理后信息(包括目標切片、目標信息列表及其他處理結果)并進行下傳。指令中指定載荷設備號、任務號、圖像行號以及其它關鍵信息，固存檢索出符合特征值的數(shù)據(jù)，回放數(shù)據(jù)從光纖接口輸出至智能處理器路由板，再轉發(fā)至射頻通道傳輸?shù)降孛?，經過譯碼、格式解析等處理后恢復出固存回放原始數(shù)據(jù)，判讀結果正確。

4 結論

經過以上設計驗證，數(shù)傳系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)百Gbps載荷數(shù)據(jù)高實時性原始信息處理及處理后信息傳輸能力。隨著人工智能技術發(fā)展，以深度學習等為代表的新一代智能處理算法性能較傳統(tǒng)處理方法有顯著改善，可提升在軌信息提取準確度、置信度，將有效支持星上信息提取與快速分發(fā)等典型應用，深刻改變衛(wèi)星的應用模式，為在軌目標信息提取應用提供新手段。新型數(shù)傳系統(tǒng)將從基于星載約束的人工智能處理新方法以及高性能智能處理平臺性能提升等方面深入開展研究，采取通用及專用芯片構建高性能嵌入式人工智能異構平臺，提升多源多分辨率遙感圖像適應性、優(yōu)化高速并行處理深度網絡模型性能，實現(xiàn)基于星載約束的開放式高可靠、高性能處理系統(tǒng)。