新星座配置（傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星）主要用于衛(wèi)星通信，因?yàn)槠淇杀苊饨K端和衛(wèi)星收發(fā)機(jī)之間的快速移動，并允許使用單個(gè)衛(wèi)星進(jìn)行廣泛覆蓋。人們也專門開發(fā)了多波束衛(wèi)星系統(tǒng)，以便在覆蓋區(qū)域里實(shí)現(xiàn)有效的頻率復(fù)用和高吞吐量寬帶速率，類似于地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此外，由于先進(jìn)的通信技術(shù)和低發(fā)射成本的驅(qū)動，新星座配置也在開發(fā)中。在這個(gè)方面，人們有很大的興趣研發(fā)大型LEO星座，以提供低延遲的大吞吐量寬帶服務(wù)。星上處理能力一直是高級衛(wèi)星電信發(fā)展的瓶頸。大多數(shù)的衛(wèi)星作為中繼運(yùn)行，主要用于轉(zhuǎn)換、放大和轉(zhuǎn)發(fā)通信信號，因此星載微處理器需要高速DMIPS處理能力。由于衛(wèi)星進(jìn)入軌道后無法修復(fù)或更換，星載微處理器和相應(yīng)的技術(shù)必須是快速、超可靠和耐輻射的。最近的計(jì)算效率技術(shù)的發(fā)展以及新的數(shù)字處理器件（如Teledynee2v的LS1046-Space四核ARM®Cortex®-A72微處理器）允許增強(qiáng)的星上處理，可用于創(chuàng)新的通信技術(shù)，如靈活路由/信道化、波束形成、自由空間光學(xué)甚至是信號再生。LS1046-Space的四核架構(gòu)采用3路無序解碼、Speculativeissue和超標(biāo)量管線技術(shù)。

 

此外，使用可用的ARM軟件模塊，LS1046-Space能夠完全滿足星上電信的處理的需求，也支持在衛(wèi)星生命周期里升級。在地面物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器/傳感通信方面，盡管該技術(shù)采用了低成本的復(fù)雜傳感器/執(zhí)行器，全球傳感器的絕對數(shù)量將產(chǎn)生可觀的通信流量，從而對未來的空間通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨大影響。因此，未來的衛(wèi)星需要通過回程技術(shù)卸載地面網(wǎng)絡(luò)的工作，或僅在地面網(wǎng)絡(luò)無法達(dá)到的時(shí)候保證服務(wù)的連續(xù)性。這個(gè)特殊的應(yīng)用可根據(jù)衛(wèi)星支持的項(xiàng)目和物聯(lián)網(wǎng)傳感器在地面上的分布方式來分類。例如：“廣域”物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)分布在廣闊的區(qū)域，并由中央服務(wù)器控制匯報(bào)信息。衛(wèi)星可發(fā)揮“廣域”作用的典型應(yīng)用包括：

 

1。能源：對石油/天然氣基礎(chǔ)設(shè)施（如管道狀態(tài)）的關(guān)鍵監(jiān)視

 

2。交通：車隊(duì)管理、資產(chǎn)跟蹤、數(shù)字標(biāo)牌、遠(yuǎn)程道路警報(bào)

 

3。農(nóng)業(yè)：牲畜管理、養(yǎng)殖

 

4。本地物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：這類應(yīng)用中的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備用于采集本地?cái)?shù)據(jù)并報(bào)告給中央服務(wù)器。典型的應(yīng)用包括智能電網(wǎng)子系統(tǒng)（高級計(jì)量）或車載移動平臺服務(wù)（如貨輪、卡車或火車上的集裝箱）

 

5。航空和海事跟蹤與通信：這些系統(tǒng)通常和其他類型的設(shè)備對設(shè)備（D2D）通信和物聯(lián)網(wǎng)有相似之處。這些相似之處包括低數(shù)據(jù)率、通信的偶發(fā)性和協(xié)議的簡單性。

 

空間防御和網(wǎng)絡(luò)安全

 

世界各地的國防部和國防機(jī)構(gòu)都從傳統(tǒng)和新太空的商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)展中受益。這些機(jī)構(gòu)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)使用商業(yè)衛(wèi)星 “托管”他們的傳感器和/或通信包可以更快、更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)在軌能力。通過與商業(yè)公司分擔(dān)開發(fā)、發(fā)射和地 面系統(tǒng)的費(fèi)用，能大大降低成本。使用托管的載荷也可幫助促進(jìn)在軌的“載荷擴(kuò)散”，使對手難以摧毀整個(gè)系 統(tǒng)。隨著商業(yè)電信衛(wèi)星數(shù)量的迅速增加，國防機(jī)構(gòu)能夠開發(fā)用于空中和海上的防空應(yīng)用的互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)。

 

“托管”背后的想法是簡單地利用正在開發(fā)的商業(yè)通信衛(wèi)星星座，以降低國防成本，并提高可靠性和數(shù)據(jù)吞吐 量。例如，在這一領(lǐng)域的許多核心項(xiàng)目中，國防機(jī)構(gòu)正在開發(fā)利用持續(xù)可用的大帶寬、超視距通信技術(shù)，在各 種固定和移動的操作位置之間無縫轉(zhuǎn)移和共享數(shù)據(jù)的能力。這種新能力被稱作“路徑無關(guān)通信”，因?yàn)樗管?事用戶能夠可靠地與世界上的任何地點(diǎn)通信，無需特別規(guī)定使用通訊網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)節(jié)點(diǎn)。由于以商業(yè)衛(wèi)星為基礎(chǔ) 的商業(yè)空間互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，研發(fā)路徑無關(guān)的通信系統(tǒng)變?yōu)榭赡堋Ｈ缜八?，商業(yè)宇航/衛(wèi)星公司計(jì)劃建立 由數(shù)百至數(shù)千顆衛(wèi)星組成的太空互聯(lián)網(wǎng)星座，從而促進(jìn)全球互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的發(fā)展。隨著宇航發(fā)展的技術(shù)和成本障 礙逐漸減少，更多的國防機(jī)構(gòu)和商業(yè)公司在衛(wèi)星建設(shè)、太空發(fā)射、太空探索和載人航天方面廣泛合作。雖然這 些進(jìn)步創(chuàng)造了新的機(jī)會，但是空間服務(wù)也顯現(xiàn)了新的風(fēng)險(xiǎn)。某些國防機(jī)構(gòu)在了解到太空行動的優(yōu)勢后，轉(zhuǎn)而發(fā) 展威脅其他國防機(jī)構(gòu)利用太空的能力。這種能力包括太空行動和反太空系統(tǒng)，如干擾和網(wǎng)絡(luò)空間的能力等。 在國防和網(wǎng)絡(luò)安全方面，NSA的一個(gè)例子是機(jī)密行動的商業(yè)解決方案（CSfC）。CSfC允許開發(fā)人員在如何設(shè) 計(jì)和組織機(jī)密/敏感數(shù)據(jù)方面具有更大的靈活性，同時(shí)依然保持較高的IT安全標(biāo)準(zhǔn)。與強(qiáng)制使用政府現(xiàn)貨(GOTS) 設(shè)備不同，CSfC 使開發(fā)者能夠利用商用貨架產(chǎn)品(COTS)和微處理器構(gòu)建替代的解決方案，從而為網(wǎng)絡(luò)安全提 供更大的技術(shù)靈活性（如Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM® Cortex® -A72微處理器）。CSfC解決方案必 須符合一套嚴(yán)格的安全要求，例如，希望發(fā)送和接收移動數(shù)據(jù)（包括語音和視頻電話）的用戶需要使用雙VPN 隧道加密數(shù)據(jù)。通過CSfC構(gòu)建的雙VPN隧道將快速創(chuàng)建解決方案，并具有更強(qiáng)的計(jì)算能力和更高的可靠性。

 

空間級應(yīng)用的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

 

面對日益復(fù)雜、變化的環(huán)境，為了適應(yīng)不斷變化的系統(tǒng)需求，太空/衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)繼續(xù)朝著自動化和自主運(yùn)行的方向 發(fā)展。系統(tǒng)內(nèi)部對“智能”和“密集計(jì)算”的需求也在呈指數(shù)級增長。下面是關(guān)于系統(tǒng)級智能的設(shè)計(jì)和發(fā)展的 一些基本術(shù)語：

 

1. AI: 人工智能。計(jì)算機(jī)執(zhí)行需要人類智能的任務(wù)。

2. ML: 機(jī)器學(xué)習(xí)。一種AI的應(yīng)用程序，提供輸入以自動訓(xùn)練計(jì)算機(jī)模型如何工作。學(xué)習(xí)通常是通過一個(gè)“訓(xùn)練” 模型的應(yīng)用來監(jiān)管的，被稱作“推理”。利用群集分析，學(xué)習(xí)也可在無監(jiān)管的情況下進(jìn)行。

3. NN: 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。一類ML算法，既可以是CNN(卷積)，也可以是RNN(遞歸)。

4. DL: 深度學(xué)習(xí)。使用大神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的ML。

5. CV: 計(jì)算機(jī)視覺。計(jì)算機(jī)中用于感知圖像的技術(shù)。

 

根據(jù)以上定義，AI和CV之間的層級結(jié)構(gòu)是顯而易見的。密集計(jì)算“并行”處理，與“分層”處理，都是微處理 器和軟件所需要的。所需的軟件算法在開發(fā)完成后，將在產(chǎn)品硬件上驗(yàn)證和實(shí)現(xiàn)。這一過程由于需要優(yōu)化星上 處理資源而變得復(fù)雜，而星上處理資源又受到能夠用于惡劣太空輻射環(huán)境下的密集計(jì)算硬件的可用性的限制。 作為這種優(yōu)化的一部分，部分算法通常分布于FPGA和各種計(jì)算機(jī)處理器之間。劃分這些功能增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜 度和所需的工程“模塊”的數(shù)量。

 

航天工業(yè)已經(jīng)注意到了這些問題。雖然用于計(jì)算機(jī)視覺的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的天基部署還處于發(fā)展階段，各個(gè) 組織已經(jīng)在地面部分的生產(chǎn)系統(tǒng)中采用了機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。最初的主要發(fā)展是地基航天器健康監(jiān)測和地理空間分 析。為了降低運(yùn)營成本，大型的衛(wèi)星運(yùn)營商一直致力于推動將機(jī)器學(xué)習(xí)用于飛行器的健康監(jiān)測。這些運(yùn)營商可以 從一個(gè)控制中心監(jiān)測多個(gè)衛(wèi)星。如有需要，工程師能對錯(cuò)誤和故障做出反應(yīng)。工程師負(fù)責(zé)監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況， 并可以借助機(jī)器學(xué)習(xí)的幫助進(jìn)行趨勢分析。通過使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來補(bǔ)充，而不是取代控制中心里負(fù)責(zé)根據(jù)新信 息采取行動的工程師，可保證低風(fēng)險(xiǎn)水平。運(yùn)營商在數(shù)據(jù)中心處理的航天器遙測數(shù)據(jù)可用于訓(xùn)練算法，在某些情 況下，這種算法能夠先于人類分析出發(fā)展的趨勢，減少了實(shí)時(shí)遙測數(shù)據(jù)對人眼的需求。不斷發(fā)展的技術(shù)和逐步積 累的知識正在提高航天產(chǎn)業(yè)對機(jī)器學(xué)習(xí)的接收程度，并可能用于未來的高度自主航天器的機(jī)器學(xué)習(xí)。

 

由于光學(xué)圖像技術(shù)的應(yīng)用，地理空間分析（或處理成像衛(wèi)星提供的地球遙感數(shù)據(jù)）提供了使用密集計(jì)算和機(jī)器學(xué) 習(xí)的另一個(gè)機(jī)會。地理空間分析的機(jī)器學(xué)習(xí)支持星載處理，通過選擇要傳輸?shù)降孛娴南嚓P(guān)數(shù)據(jù)，減少了所需的下 行鏈路帶寬。下行鏈路帶寬的減少是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)榭捎玫念l帶正變得越來越擁擠，越來越昂貴。此外， 不斷提高的處理需求使得手工編寫算法代碼變得異常困難。機(jī)器學(xué)習(xí)非常適合需要處理大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用，如農(nóng)業(yè) 景觀分類、農(nóng)作物產(chǎn)量規(guī)劃、商場停車場汽車的檢測和分類等。

 

LS1046-Space微處理器包含四個(gè)64位ARM® Cortex® -A72的核心和包處理加速以及高速外設(shè)，可完成空間級 AI、ML和數(shù)據(jù)處理（如上所述）所需的密集計(jì)算。 LS1046-Space采用QorIQ系列的最新的Layerscape(LS)架構(gòu)，包含數(shù)據(jù)路徑加速架構(gòu)（DPAA）提供的功能， 可在軟件或硬件中實(shí)現(xiàn)。Layerscape架構(gòu)是一種可編程的數(shù)據(jù)平面引擎網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，提供了先進(jìn)的高性能數(shù)據(jù)路 徑和網(wǎng)絡(luò)外設(shè)接口。LS1046還包含一個(gè)加密引擎，在安全通信和國防應(yīng)用中非常有用。通過機(jī)器學(xué)習(xí)軟件， LS1046-Space能夠?qū)W習(xí)、推理和適應(yīng)，以在面臨最小延遲和帶寬的挑戰(zhàn)的時(shí)候?qū)崟r(shí)做出決策。

 

TELEDYNE LS1046-SPACE的性能特點(diǎn)和QLS1046-4GB-SPACE

 

Teledyne e2v是經(jīng)過宇航認(rèn)證的防輻射器件制造商，最近發(fā)布了一款微處理器LS1046-Space。原始的LS1046 是NXP 64位ARM® Layerscape系列的一款產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了四核Arm® Cortex® A72的設(shè)計(jì)，用盡可能小的尺寸提 供了無與倫比的性能， 同時(shí)使用戶可以使用與Arm® 技術(shù)兼容的龐大的軟件服務(wù)、應(yīng)用程序和工具的生態(tài)系統(tǒng)。 Teledyne e2v的LS1046-Space 是一款1.8GHz的處理器，集成了包處理加速和高速外設(shè)，具有高性能的架構(gòu) 和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的計(jì)算密度。LS1046-Space的計(jì)算性能超過45,000 CoreMarks® ，帶有雙路10Gb以太網(wǎng)、PCIe Gen3、SATA Gen3等接口，適合用于一系列高可靠性 的空間應(yīng)用。此外，作為Teledyne e2v半導(dǎo)體生命周 期管理計(jì)劃(SLiM™)的一部分，這款器件的生命周期長達(dá)15年，避免了器件過時(shí)的問題。

 

 

NXP市場經(jīng)理Altaf Hussain表示：“在航天和國防行業(yè)，我們看 到了一個(gè)新的64位Arm® 產(chǎn)品發(fā)展趨勢，即Teledyne e2v使用我 們的Layerscape商業(yè)處理器技術(shù)制造的高等級器件。我們相信 Teledyne e2v的客戶不僅能利用這些器件的先進(jìn)計(jì)算性能，還可 使用支持Arm® 的生態(tài)系統(tǒng)，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)創(chuàng)造新的可能性。” Teledyne e2v的產(chǎn)品系列包括眾多基于PowerPC® 的處理器，如NXP QorIQ® P系列和T系列，甚至更古老的PowerQUICC® 器件?？蛻?可以繼續(xù)使用Power架構(gòu)的軟件和應(yīng)用，Teledyne e2v也會繼續(xù)基于NXP的新技術(shù)（如ARM® ）研發(fā)新的解決方 案?？腿丝梢砸浦驳交贏RM® 的解決方案，也 可使用NXP的Power® 的解決方案開始新的設(shè)計(jì)。 LS1046-Space也將被集成到Teledyne e2v最新 的Qormino® 計(jì)算模塊QLS1046-4GB-Space中， 其包含一片4GB耐輻射的DDR4存儲器和一片 LS1046，如右圖所示。

 

 

 

結(jié)語

 

目前，由于對密集計(jì)算微處理器的需求，航天飛行系統(tǒng)的設(shè)計(jì)正進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展階段。人工智能和機(jī)器語 言算法的發(fā)展和普及，以及先進(jìn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用和服務(wù)的發(fā)展，加速了寬帶、高速、超可靠、低延遲通訊 的發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域包括：軍事、氣象、地球觀測和電信（特別是隨著5G網(wǎng)絡(luò)在全球的發(fā)展）。每一個(gè)太空/ 衛(wèi)星設(shè)計(jì)的核心都是對獨(dú)立可靠的宇航級耐輻射微處理器的需求，這種微處理器的計(jì)算能力、速度、可靠性必 須滿足這些“全球”太空/衛(wèi)星發(fā)展的需要。Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM® Cortex® -A72微處理器 將為未來幾十年的智能密集計(jì)算太空/衛(wèi)星的發(fā)展帶來革命性的變化。利用GHz級高性能數(shù)據(jù)處理（30K DMIPS @ 1.8GHz)，結(jié)合方便的軟件編程（和重配置的能力），以及無與倫比的耐輻射宇航質(zhì)量測試流程， Teledyne e2v的LS1046-Space微處理器加速了密集計(jì)算太空/ 衛(wèi)星的開發(fā)并使在軌實(shí)時(shí)重配置變?yōu)榭赡堋?/div>