轻量级SpaceFibre节点高速传输系统的优化设计

为满足卫星有效载荷间SpaceFibre链路的高带宽、高可靠性和轻量化的应用需求,提出一种SpaceFibre节点传输系统的优化设计。该设计采用基于帧累计的增量化计算方法减少了计算电路的冗余;通过四级流水架构满足了错误检测操作的时序要求,使用循环冗余校验共享机制平衡了硬件资源的使用;采取基于完整应答的双层控制策略提升了系统的可靠性,通过构建面向资源优化的控制状态机和存储架构简化了确认重传算法的实现逻辑。使用型号为XC7Z100FFG900-2的FPGA搭建双节点系统,板级验证表明:该设计满足协议规范,与同类设计方案相比,最高工作频率提高1.5倍,支持最高6.25 Gbit/s的传输速率,查找表资源和存储资源降低,寄存器资源相近,为开发具有自主知识产权的高速可靠SpaceFibre编解码器提供了参考。

航天器数据定义方法及其工具设计

为解决传统的数据对象采用接口控制文件方式进行定义,不同的航天器上的数据对象定义方式也是不同的,导致在任务期间不易修改,跨任务时数据格式难以复用等问题,文章基于欧洲空间标准化合作组织(ECSS)提出的包应用标准(PUS)中的数据定义方法,实现对数据对象的通用化定义,并给出了通用的数据对象Schema。基于该方法,设计了数据定义工具,供用户完成对数据类型、数据参数和数据格式的定义。该工具可以单独使用,也可以辅助已有的工具完成数据定义工作。以遥测场景为例,结合空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的基于可扩展标记语言的遥测遥控信息交换标准(XTCE)对工具进行验证。结果表明:使用数据定义方法定义出的通用的数据对象是可行的,并且可以按需进行标准格式转换,便于信息在异构数据系统之间交换。

航天器电子数据单应用方法分析

为提升航天器部件的即插即用和自主能力,针对电子数据单技术在航天领域应用的问题,文章从空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的空间数据系统参考架构(RASDS)信息视角,论述了信息对象的描述方法和抽象数据架构、数据模型、具体数据对象的3个建模过程。采用该方法,结合CCSDS的可扩展标记语言的遥测遥控信息交换标准(XTCE)和航天器接口业务电子数据单(SEDS)标准,分析了针对航天器所需要的遥测、遥控和部件接入等信息对象的应用场景,提出了相应的插件式电子数据单工具系统的设计思路,给出了在航天领域电子数据单技术研究方向的建议。

基于CCSDS RASDS信息对象建模方法的数据注入工具设计

为了解决航天工程中,信息数据格式不易修改,机构间接口协调过程复杂,跨任务难以继承使用等问题,参照空间数据系统咨询委员会(CCSDS)空间数据系统参考体系架构(RASDS)中的信息对象建模方法,以数据注入指令设计为例,开发了工具链软件。工具链基于可扩展标记语言的遥测遥控信息交换(XTCE)标准,结合具体应用场景,对指令设计需求到具体数据文件转换过程中涉及的工具进行了划分,提出了生成遥控数据对象模型的方法。按照该方法设计的工具软件实现了抽象信息对象到数据模型的转换,有序自动生成模板文件,进行了验证。结果表明:RASDS从抽象数据结构到数据模型,再到具体数据对象的描述和转化方法是可行的,可以用于指导各种信息对象和数据对象的规范化设计和工具设计。

低空复杂场景红外弱小目标快速精准检测

针对低空复杂场景下红外弱小动目标检测难度大、虚警率高等问题,面向探测系统中高帧频图像实时处理应用需求,提出基于全卷积网络的弱小目标精准检测方法和基于现场可编程逻辑门阵列(field programmable gate array,FPGA)的低时延并行处理方法。采用轻量化全卷积网络对红外图像中弱小目标进行空域检测,对相邻图像帧疑似目标进行时域轨迹关联以进一步降低虚警率。实验结果表明:上述方法相比于五种传统方法在检测率和虚警率性能方面均有显著提升,并在单片FPGA上完成100 Hz图像实时处理,处理时延低于1.8 ms,实现低空复杂场景弱小目标高精度高鲁棒快速实时检测。

星载高速串行数据处理系统设计与实现

遥感卫星图像数据量的高速增长,以及遥感卫星搭载的相机不同工作模式下产生的数据差异化处理的需求,为星间数据处理带来了巨大挑战。针对星载Gbit·s-1级高速数据收发及文件缓存等星间数据处理面临的问题,以百兆每秒级星载高速接收缓存系统为切入点,以遥感卫星数据处理的发展为依据,在分析SerDes传输原理的基础上,采用模型仿真和工程验证的方法,制定了高速串行数据链路层传输协议SSLLP(Satellite Serial Link Layer Protocol)和类文件化高速缓存的策略。在硬件设计和软件开发的基础上,最终完成了具备处理入口速率3.2 Gbit·s^(-1)并能以类文件化的方式缓存64个数据文件的星载数据处理单元的工程实现。测试结果表明,基于SSLLP的高速串行数据接收正确,缓存策略有效,系统高效可靠。该设计已在某型号任务中取得在轨验证,为星载高速串行数据处理系统提供了参考。

支持MIPS架构的轻量型开源鸿蒙系统移植

空间数据系统咨询委员会高级在轨系统标准定义的空间数据系统分布式架构是提高星载系统整体可靠性的一种有效方案。国内通常采用基于MIPS架构的龙芯系列处理器作为该架构典型应用节点的航天器控制终端,但由于缺失自主可控的轻量型操作系统,限制了该架构在航天领域的部署与应用。为了构建自主可控的航天信息系统技术体系,实现在龙芯控制终端上移植适配国产轻量型开源鸿蒙操作系统的目标,通过分析开源鸿蒙操作系统LiteOS-M轻量实时内核与MIPS架构,聚焦硬件抽象层(HAL)和内核硬件相关部分,设计并实现一种包括引导系统启动加载、HAL架构适配、串口驱动、内核裁剪、工具链搭建的移植方案。为了验证移植后系统的基础功能与实时性能指标,在基于MIPS架构的龙芯星载控制终端LS1J与LS1C硬件平台上设计测试用例并开展实验。实验结果表明,轻量型开源鸿蒙操作系统成功适配MIPS架构,能够稳定可靠地运行在龙芯控制终端上,系统任务上下文切换时延为0.229μs,中断响应时延为4.73μs,满足实时性系统指标。

高速SpaceFibre路由系统设计

为了满足空间多元化数据的高速传输需求,本文对SpaceFibre高速总线网络进行了研究,针对路由网络中的数据转发冲突,提出了一种SpaceFibre路由系统设计方案.其中,配置端口实现了网络参数的实时配置和状态的实时反馈;路由端口实现了基于虚拟通道机制的QoS调度,为不同数据源提供不同服务;路由交换模块中利用全连接结构实现了虚拟网络间的互联,并针对虚拟网络中的数据交换冲突,设计了一种基于优先级等待的动态仲裁算法,能兼顾优先级和等待时间为数据发送提供保障;在路由广播中采用轮询仲裁算法,解决了端口间的广播冲突.最后通过搭建仿真测试平台,对路由进行仿真测试,结果表明设计的SpaceFibre路由能够高效地处理数据转发冲突,并提供QoS数据传输服务,每路接口带宽高达3.125 Gbps.

基于SOIS架构的星载设备虚拟访问设计

为了更好地解决航天器设备间互操作难、软件通用性弱等问题,文章对空间数据系统咨询委员会(CCSDS)的航天器星载接口业务(SOIS)架构中,基于标准业务和电子数据单(EDS)的星载数据系统架构进行了分析,提出了以标准业务和EDS的融合方式开展设备虚拟访问的设计方法。对设备发现、设备枚举、设备访问、设备虚拟、数据池以及访问管理业务及其相关原语进行了实例化设计,结合1553B总线为实现即插即用而设计的EDS,开展了初步的测试验证,证明了其可行性。文章提出的星载设备虚拟访问融合方式可为标准业务及其相关的电子数据单设计提供参考,有助于系统快速集成、软硬部件的重用。

基于DFT-MARTE模型的时序分析算法

针对航天嵌入式软件(aerospace embedded software,AES)时序需求复杂带来的时序需求定义不准确问题,提出一种基于MARTE(modeling and analysis of real-time and embedded systems)模型的数据流时序(data flow timing based on MARTE,DFT-MARTE)模型,设计基于该模型的处理点缓存计算算法、时序偏离概率检测算法和时序序列分析算法。处理点缓存计算算法动态更新缓存空间,使后续时序检测正常执行;时序偏离概率检测算法利用多线程并发模拟时序特性,检测需求中时序偏离问题;时序序列分析算法是基于梯度下降算法,拟合时序序列,指导用户优化需求。该模型相比传统数据流模型更适用航天嵌入式软件,利于后续开发和维护,具有极高的应用价值。

基于改进CFSFDP的雷达信号预分选方法

通过改进CFSFDP聚类方法对雷达信号进行预分选,针对原始CFSFDP方法对截断距离敏感的问题,提出直方图均衡化方法对局部密度进行均衡化,提升聚类结果鲁棒性;针对雷达信号参数交叠严重、密度分布不均衡问题,提出改进的可达距离计算方法及改进的类别分配机制,提升对复杂数据的聚类能力。通过仿真数据集及UCI标准数据集进行实验验证,采用调整兰德系数(ARI)、调整互信息(AMI)和F1-measure值对聚类结果进行评价,结果表明所提方法可有效处理复杂参数分布数据,相较于原始CFSFDP方法及经典聚类方法(DBSCAN,AP,K-means, OPTICS),聚类性能得到了提升。

XFDU标准在遥测数据定义上的应用研究与设计

固定的星载数据格式设计会造成数据冗余,占用遥测数据下行带宽,导致不关注、不需要的数据被传输等问题.参照OAIS模型中XFDU的设计思路,提出了采用CCSDS XFDU标准进行数据格式的包装方法,采用PUS标准的参数定义方法给出了星载数据定义的方法模型,设计了相应的元数据schema,元数据编码表以及进一步的XFDU格式文件.相应设计了XFDU转换器,支持对描述数据格式的星载二进制数据串到XML文件的转换,基于元数据schema生成元数据文本,并进行了相应的测试验证.通用的XFDU转换器可以提供给不同的系统,供其识别和解析收到的数据格式,从而支持异构系统之间异构信息的解读.采用XFDU可以将卫星遥测场景下的数据定义模型与OAIS模型进行衔接,有利于星地的标准化数据流转、处理和保存,从而进行星载数据的灵活定义,成为定义卫星的一个手段.

基于压缩感知的荧光成像技术现状及趋势研究

压缩感知成像技术是压缩感知与空间光调制技术结合的产物,其可突破Nyquist-Shannon采样定理限制,实现了亚采样成像,并且具降维探测和高通量测量等优势,具有巨大的发展潜力和应用前景。目前国际上已利用压缩感知成像技术有效地实现了光谱成像、时间分辨成像、相位成像等研究。作为近十几年来发展起来的一种前沿技术,压缩感知成像已逐渐从基础研究走向应用,特别在高维光信号测量和极弱光测量领域有了进一步的发展,具有十分重要的应用前景。本文综述了压缩感知成像研究现状及在荧光成像工程化方面的进展,并提出发展基于压缩感知成像技术的生物荧光传感颠覆性技术的建议,为我国极弱光信号探测与量子精密测量技术发展规划的制定提供参考。

人机共融的远程态势智能感知系统

针对人与远程无人设备协同精准配合的迫切需求,以机器人操作系统为基础构建了一种人机共融的远程态势感知系统,并开展了实验与分析。该系统以视觉定位技术为基础,以人机感知共融为切入点,通过实时三维场景重建技术与场景一致性融合方法,将无人设备探测到的环境及目标信息进行三维重构,并通过增强现实设备进行显示,与人的视觉信息进行一致性融合,实现无GPS条件下远程无人设备与人所佩戴的增强现实设备之间的协同定位。实验结果表明,系统在近距离时具有较好的人机协同定位准确度,定位精度随着距离的增加而逐渐降低。所构建的系统使无人设备成为人眼的延伸,在不干扰人员正常行动的情况下实现了穿障碍、跨视距的感知能力,在未来信息化作战中可发挥重要作用。

暗物质粒子探测卫星的集中式载荷管理系统

暗物质粒子探测卫星有效载荷由4种探测器组成,探测器的电子学前端共有28台设备.针对载荷设备数量多、接口复杂的特点,设计了一种通过载荷数管系统进行集中式载荷管理的方案,实现对探测器电子学前端的遥测、遥控、数据采集和二次电源供配电.同时,载荷数管系统具有大容量数据存储和高速数据复接功能,可分区存储科学数据和工程参数,在进入地面接收站时,将存储的科学数据和工程参数组成符合CCSDS协议的传输帧,经RS编码和加扰后发送给数传发射机.解决了突发式、多信源科学数据采集、存储,探测器在轨自主探测管理,大功率、低噪声二次电源配电等关键技术.该系统经过了在轨考核验证,结果表明控制和信息体系合理,自主探测管理和健康管理措施有效.

基于PYNQ框架的深度卷积特征异构跟踪系统

针对深度卷积特征目标跟踪算法中特征提取计算量大、速度慢、难以在嵌入式平台上应用的问题,提出了一种基于PYNQ框架的目标跟踪方案,并将其部署在Zynq异构平台。首先设计基于深度卷积特征的目标跟踪算法;根据算法的特点进行软硬件划分,完成片上系统的构建;然后针对深度卷积特征提取的计算过程进行并行优化,导出加速IP核;最后在PYNQ框架中通过Jupyter Notebooks,使用Python语言调用加速IP核作为硬件协处理器,实现底层到顶层的数据交互。实验结果表明,算法在通用数据集OTB-2015、UAV123上取得了良好的跟踪精度;跟踪速度与未集成加速IP核时相比,提升可达30倍。在兼顾跟踪稳健性的情况下,异构跟踪系统执行效率高,可移植性好,具有工程应用价值。

航天器智能能力的构建

为解决航天器智能能力的构建和智能技术的引入问题,从能力部署视角提出了智能等级的划分,从定性的自动、自治、自主的等级出发,自底向上分解为数据注入接收能力、任务执行能力、自学习能力、系统自我管理能力、任务自我管理和思考能力,其程度分为底层反应、中层程序和高层思考。对照上述能力给出可实施的5阶模型和人字架构。人字架构是以即插即用技术加自主控制技术来支持上层智能能力的模型。该模型基于航天器接口业务架构和欧洲空间局的包应用标准业务,采用管理信息库和电子数据单技术进行数据化设计。对应星上的智能能力等级讨论相适应的地面系统能力。人字架构具有层次化、业务模型化和自底向上归一化构建的特点,对上层智能技术的引入是开放的。

基于偏好型支持向量机的遥感图像云检测技术

针对以往遥感图像云检测方法对雪地等特殊地貌识别效果不理想的问题,基于偏好型支持向量机(preference support vector machine,PSVM)提出一种云检测技术。利用图像的灰度特征和纹理特征,提取图像的能量、对比度、逆差矩、熵、自相关性以及平均灰度值6个分类指标,使用偏好训练的方式,提高对云和普通地貌的识别准确率,准确区分云和雪地等特殊地物。实验结果表明,PSVM方法综合识别准确率达到了97.66%,特殊地貌识别准确率达到了99.31%,相比于传统的云检测算法性能提升显著。

面向深空探测应用的集成一体化载荷数管技术

深空探测对探测器有效载荷电子学及数管的轻小型化和自主能力提出了更高要求.将各载荷电子学与传统的载荷数管集成一体化设计,构建新型高度集成的载荷数管体系结构,可以实现资源集约利用,提高信息融合能力,利于实施自主管理.本文介绍了嫦娥系列探测器载荷电子学及数管设计的现状;提出两种新型一体化载荷数管体系结构,其中第一种低成本集成化方案已应用在中国首次火星探测任务中;通过对未来深空探测载荷数管的技术需求进行分析,对载荷数管发展趋势进行了展望.

融合通道互联空间注意力的Siamese网络跟踪算法

基于Siamese网络的跟踪算法在跟踪精度和速度方面展现出巨大的潜力,然而要使离线训练的模型适应在线跟踪仍然面临着挑战。为了提升复杂场景下算法的特征提取以及判别能力,提出了一种融合通道-互联-空间注意力的Siamese网络实时跟踪算法。首先构建以深度卷积网络VGG-Net-16作为主干网络的Siamese跟踪框架,增加特征提取能力;接着设计通道-互联-空间注意力模块,增强模型的适应能力与判别能力;然后加权融合多层响应图,获取更精准的跟踪结果;最后使用大规模数据集对网络进行端到端的训练,在通用数据集OTB-2015上进行跟踪测试。实验结果表明:与当前主流算法相比,所提算法具有较强的稳健性,能更好地适应目标外观变化、相似物干扰、目标遮挡等复杂场景,在NVIDIA RTX 2060 GPU上,跟踪速度平均达到37FPS,满足实时性要求。