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美国快速响应卫星遥感相机电子学的技术特点(下)

时间:2017年07月20日 信息来源:《航天返回与遥感》 点击: 【字体:

3 软件技术

 “快响”卫星的软件技术特点主要体现在图像处理算法的使用和软件重配置的使用方面。图像处理算法的使用使得卫星可以直接按照地面的要求传输感兴趣的图像,而不是像传统卫星那样在海量图片中挑选感兴趣的图像。软件重配置技术的使用实现了同一平台、不同功能的设计目标,实现了卫星对不同任务的快速响应。这些技术的使用使“快响”卫星相机电子学产品能够“更好”的满足任务需求。

3.1 图像处理算法

 美国“快响”卫星空间成像系统中所使用的图像处理算法大致可以分为 3 类。第一类是针对图像成像品质的算法,主要用于去除成像系统的畸变、响应的不均匀性以及大气对成像的干扰;第二类主要用于对图像中的特定目标进行检测和甄别;第三类是图像的压缩算法。在使用中,第一类算法先将图像中的固定噪声和畸变去除,最大程度的逼近拍摄物的原貌;而第二类算法则在第一类算法的基础上提取图像中的敏感目标,例如特殊建筑物或感兴趣的目标,然后将包含敏感目标的图像进行特殊标注;第三类算法负责根据要求调用合适的压缩算法对图像进行压缩,然后发送给地面使用者。通过这种方式下传的图像可以直接被使用者使用,而不需要地面处理部门经过几天的处理后再转发给使用者。这极大的提高了图像的使用效率,满足用户对图像实时性的需要,实现快速响应的设计要求。在 TacSat-2 卫星上,图像处理的工作是在可扩展信号处理器(malleable signal processorMSP)中实现的。该系统用于运行图像的校正算法和压缩算法,实现星载多光谱图像的自适应处理。其具体工作流程如下:

 1MSP 首先以流水线的方式对图像数据进行相对辐射校正。它通过乘法增益校正、减法偏移校正以补偿焦平面的非均匀性来实现相对辐射校正;

 2)相对辐射校正之后,MSP 可以选择 RX 异常检测算法。该算法主要用于敏感目标的提取;

 3)处理后的数据将直接被 MSP 中的数据压缩模块进行压缩和加密,最后将数据编码,下传到通用数据链路的 RF 调制解调器中。

 据资料显示,TacSat-2 卫星的图像压缩单元具有可变压缩比的功能,可根据要求使用不同的压缩比,提高图像传输的效率。这种可变压缩比的压缩方法在 TacSat-3 中又有新的提高。高光谱成像仪ARTEMIS 所使用的压缩方法被誉为目前最先进的压缩算法。据文献介绍,在 ARTEMIS 的可重配置处理器中包含了一个预定义函数库,用户可以根据任务的需要自行调用,被调用的函数通过重配置技术进入到 FPGA 中,实现不同需求的图像压缩。

3.2 软件重配置技术

 快速响应卫星的快速响应能力不仅体现在快速组装、快速测试、快速发射方面,还体现在软件的快速更新上。重配置技术是实现软件在轨更新的重要手段。它通过向 FPGA 内部写入不同的应用程序,实现了同一平台应对多种任务的设计目标。

3.2.1 基于 System ACE 的重配置技术

 系统高级配置环境 System ACEsystem advanced configuration environment)技术是 Xilinx 公司提供的一种程序重新配置方法,与传统的可编程只读存储器 PROMprogrammable read only memory)相比,每比特成本显著降低。利用此技术可以方便的实现全局动态重配置,实现 FPGA 的分时复用,提高资源利用率。System ACE 配置方式主要包括 System ACE 控制器、Flash 卡和被重新配置的 FPGA 三个部分。TacSat-2 中的 MSP 单元的重配置就是基于这种方式。伺服 FPGA 的配置由外部的 System ACE 控制器负责,System ACE 控制器连接一个带校验功能的 Flash 卡,程序存储在 Flash 卡中;工作时 System ACE控制器接收外部控制信号启动对 FPGA 的配置,外部控制信号除了包括启动配置的信号外,还包括 System ACE 控制器的地址信号,通过控制地址信号可以对 FPGA 配置不同的程序,以适应不同的任务需求。

3.2.2 基于 SelectMAP 的重配置技术

 SelectMAP 模式是 Xilinx 公司 FPGA 的常用上电配置方式。该模式由多位并行的数据信号、时钟信号和若干控制信号组成[16]。在TacSat-3中,RA-RCC处理器的FPGA使用了这种重配置模式。在TacSat-3中,负责完成配置的是Actel公司生产的RTAX2000FPGA,被配置的是3Xilinx公司生产的V4 LX160 FPGARTAX2000 在电路中主要实现 PCI 桥接芯片的功能,以及 3 Xilinx 公司 FPGA 的配置功能。存储 V4 LX160 FPGA 配置程序的是具有校验功能的 Flash 存储器,该存储器和 RTAX2000 FPGA相连。3 V4 LX160 FPGA 的配置信号也同样连接到 RTAX2000 上。当 RTAX2000 PCI 总线上收到重配置指令后,从 Flash 存储器中读取相应的配置程序,完成目标 FPGA 的配置。

 

4 单粒子监控技术

  OSR 项目中,相机电子学产品的核心器件,例如 DSP FPGA 等,大量采用了低等级的商业器件。同类型的低等级器件和宇航级器件相比,在性能、成本、功耗、体积、供货时间等方面都具有明显的优势,非常适合应用于 ORS 任务中。但是电子元器件在空间工作中会受到银河宇宙射线、太阳耀斑粒子、地球辐射带俘获粒子的影响,造成诸如单粒子锁定、单粒子引发的功能中断(single event functional interruptsSEFI)等问题。低等级器件在这方面较宇航级器件相差很多,如果不采取监测和控制措施,会影响产品的可靠性。为了提高低等级器件抗单粒子的能力,设计中主要使用了基于时间的三模冗余方法和 H-CoreHardened-Core)技术。

4.1 TTMR 算法

 TTMRtime triple modular redundancy)是一种将三模冗余和时间冗余相结合的方法。它可以减缓单粒子锁定,让 CPU 或者 FPGA 自动检错和纠错。这种方法将三模冗余技术和资源占用率相结合,在实现三方对比的同时尽量减少资源的消耗量。TTMR 可以运行在 CPU 中,也可工作在 FPGA 中,具有很好的通用性。为了验证TTMR算法的有效性,加州大学Davis分校的Crocker核物理实验室和Lawrence Berkeley国家实验室进行了相关的辐照试验。试验时,对“战术卫星-2”的 BSP-15 处理器以 51MeV 的能量进行质子流轰击,最初版本的 TTMR 出现错误,测试到 TTMR v2.2 版,程序能发现并纠正所有由 SEU 造成的错误。在测试的全过程中,TTMR 100%的发现并纠正 SEU 造成的错误。经过实验验证,BSP-15 运行 TTMR 后的总剂量达到 950Gy,可以作为航天电子产品元器件使用。

4.2 H-Core 技术

 SEFI 如果发生在微处理器内部,会造成微处理器进入不确定的状态或者停止响应。通常地面站如果发现某一设备停止响应,则会采取重新上电的方式进行恢复。整个设备在 SEFI 发生期间和重新启动设备期间是无法工作的,这会造成数据丢失和系统延时等问题。为此,Space Micro 公司发明了 H-Core 技术。H-Core 技术是一款用于监控的辐射加固型芯片。它可以回读被监控芯片的内部逻辑状态,以判定该芯片是否发生 SEFI。如果检测到 SEFI 发生,H-Core 则开始对被监控芯片进行重新配置,使其恢复到正确状态。为验证 H-Core SEFI 的检测和恢复能力,在 Davis 实验室对三款芯片做了 51MeV 的质子辐照实验。统计结果表明 H-Core 在测试期间 100%的检测并纠正了 SEFI。使用 H-Core 技术可以对低等级器件进行单粒子的监控,保证低等级器件的在轨稳定运行。

 

5 启示

 美国“快响”卫星在硬件设计、软件设计和单粒子监控设计方面具有鲜明的技术特点。其中总线技术的应用实现了产品的快速研制,图像算法和软件重配置技术的使用更好得满足了用户的需求,低等级器件和单粒子防护技术则降低了研制成本,保证了产品的可靠性。通过研究美国快速响应卫星电子学产品的技术特点,对照我国光学遥感相机视频电子学的研制现状,得到以下启示。

 1)快速响应卫星是一种具有灵活的系统架构、低廉的生产成本和简单的制造工艺的小卫星。卫星的特点决定了视频电子学产品和以往产品相比具有很多不同。由于整星不再追求较长的在轨寿命,因此在制造过程中大量使用了 COTS 器件。COTS 器件的广泛使用成为快速响应卫星视频电子学的一个特点。同时从对 COTS 器件采取的可靠性设计中可以看出,美国快速响应卫星在追求低成本、高效益的同时并没有降低对可靠性的要求。在提高产品可靠性方面,设计人员通过标准化的硬件接口,实现了不同设备之间的灵活互联,为信号和数据的传输提供了通用的、统一的硬件平台;可重配置的软件实现了卫星的在轨修复;单粒子监控技术为提高 COTS 器件的抗辐照能力提供了技术保障。我国在遥感卫星视频电子学产品中也使用 COTS 器件,但就 COTS 器件的可靠性设计方面和美国相比还有差距。我国使用 COTS器件的主要原因是缓解宇航级高可靠性元器件的紧缺问题。因此,着重研究 COTS 器件的使用方法,提高 COTS 器件在使用中的可靠性,对我国遥感卫星视频电子学产品来说具有非常重要的现实意义,应该得到足够的重视。

 2)多光谱成像可以利用伪装物和背景物在某个成像谱段上的微小差异实现对伪装目标的探测。在TacSat 系列和 ORS 系列中,所有相机均为多谱段成像设备,谱段数量也从简单的 TacSat-2 4 个谱段到复杂的 TacSat-3 的四百多个谱段不等。从以上情况可以看出单纯的全色成像已经不能满足实际需要,多光谱或高光谱成像将成为未来视频电子学的发展趋势。我国的遥感相机发展也同样呈现上述趋势,近几年发射的遥感卫星大多具备多光谱成像能力。

 3)图像的在轨处理是视频电子学未来的一个重要发展方向。复杂的图像算法需要性能更为强大的处理平台。NASA 和很多宇航机构一直在研制处理能力更强、功耗更低的信号处理设备。从 TacSat 系列卫星的各种处理器中可以看出,高性能 CPU、嵌入式操作系统、高速数据存储器以及高性能 FPGA 将成为未来信号处理设备的重要组成部分。这些技术的使用将改变目前单纯依靠 FPGA 实现图像处理算法的现状,同时将提高信息处理能力,缩短算法开发时间。我国视频电子学的图像处理设备发展相对缓慢。这主要受限于宇航级元器件的生产能力。解决这一问题的根本还是要大力发展元器件的设计和制造能力,另外使用 COTS 器件也可以起到一定的缓解作用。

 

6 结束语

 美国在快速响应卫星方面起步早,在设计方面通过统一的硬件接口、可重配置的软件、图像的在轨处理、低等级器件的使用以及对单粒子的监控实现了“更快、更好、更省”的设计目标。在快响卫星设计过程中,其总线技术、图像算法和软件重配置技术、低等级器件和单粒子防护技术等领域一些比较成功的设计方法值得我们借鉴。

 


(作者:荣鹏)
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