新星座配置（傳統(tǒng)的GEO衛(wèi)星）主要用于衛(wèi)星通信，因為其可避免終端和衛(wèi)星收發(fā)機之間的快速移動，并允許使用單個衛(wèi)星進行廣泛覆蓋。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)域里實現(xiàn)有效的頻率復用和高吞吐量寬帶速率，類似于地面蜂窩網(wǎng)絡。此外，由于先進的通信技術(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。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)星進入軌道后無法修復或更換，星載微處理器和相應的技術(shù)必須是快速、超可靠和耐輻射的。最近的計算效率技術(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)機器/傳感通信方面，盡管該技術(shù)采用了低成本的復雜傳感器/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)絡的工作，或僅在地面網(wǎng)絡無法達到的時候保證服務的連續(xù)性。這個特殊的應用可根據(jù)衛(wèi)星支持的項目和物聯(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)服務分布在廣闊的區(qū)域，并由中央服務器控制匯報信息。衛(wèi)星可發(fā)揮“廣域”作用的典型應用包括：

 

1。能源：對石油/天然氣基礎設施（如管道狀態(tài)）的關(guān)鍵監(jiān)視

 

2。交通：車隊管理、資產(chǎn)跟蹤、數(shù)字標牌、遠程道路警報

 

3。農(nóng)業(yè)：牲畜管理、養(yǎng)殖

 

4。本地物聯(lián)網(wǎng)服務：這類應用中的物聯(lián)網(wǎng)設備用于采集本地數(shù)據(jù)并報告給中央服務器。典型的應用包括智能電網(wǎng)子系統(tǒng)（高級計量）或車載移動平臺服務（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備對設備（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)絡安全

 

世界各地的國防部和國防機構(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)濟地實現(xiàn)在軌能力。通過與商業(yè)公司分擔開發(fā)、發(fā)射和地 面系統(tǒng)的費用，能大大降低成本。使用托管的載荷也可幫助促進在軌的“載荷擴散”，使對手難以摧毀整個系 統(tǒng)。隨著商業(yè)電信衛(wèi)星數(shù)量的迅速增加，國防機構(gòu)能夠開發(fā)用于空中和海上的防空應用的互聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡。

 

“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)域的許多核心項目中，國防機構(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”，因為它使軍 事用戶能夠可靠地與世界上的任何地點通信，無需特別規(guī)定使用通訊網(wǎng)絡的某個節(jié)點。由于以商業(yè)衛(wèi)星為基礎 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?。如前所述，商業(yè)宇航/衛(wèi)星公司計劃建立 由數(shù)百至數(shù)千顆衛(wèi)星組成的太空互聯(lián)網(wǎng)星座，從而促進全球互聯(lián)網(wǎng)服務的發(fā)展。隨著宇航發(fā)展的技術(shù)和成本障 礙逐漸減少，更多的國防機構(gòu)和商業(yè)公司在衛(wèi)星建設、太空發(fā)射、太空探索和載人航天方面廣泛合作。雖然這 些進步創(chuàng)造了新的機會，但是空間服務也顯現(xiàn)了新的風險。某些國防機構(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)絡空間的能力等。 在國防和網(wǎng)絡安全方面，NSA的一個例子是機密行動的商業(yè)解決方案（CSfC）。CSfC允許開發(fā)人員在如何設 計和組織機密/敏感數(shù)據(jù)方面具有更大的靈活性，同時依然保持較高的IT安全標準。與強制使用政府現(xiàn)貨(GOTS) 設備不同，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，并具有更強的計算能力和更高的可靠性。

 

空間級應用的人工智能和機器學習

 

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

 

1. AI: 人工智能。計算機執(zhí)行需要人類智能的任務。

2. ML: 機器學習。一種AI的應用程序，提供輸入以自動訓練計算機模型如何工作。學習通常是通過一個“訓練” 模型的應用來監(jiān)管的，被稱作“推理”。利用群集分析，學習也可在無監(jiān)管的情況下進行。

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

4. DL: 深度學習。使用大神經(jīng)網(wǎng)絡的ML。

5. CV: 計算機視覺。計算機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)品硬件上驗證和實現(xiàn)。這一過程由于需要優(yōu)化星上 處理資源而變得復雜，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和各種計算機處理器之間。劃分這些功能增加了設計的復雜 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。雖然用于計算機視覺的人工智能和機器學習的天基部署還處于發(fā)展階段，各個 組織已經(jīng)在地面部分的生產(chǎn)系統(tǒng)中采用了機器學習技術(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。為了降低運營成本，大型的衛(wèi)星運營商一直致力于推動將機器學習用于飛行器的健康監(jiān)測。這些運營商可以 從一個控制中心監(jiān)測多個衛(wèi)星。如有需要，工程師能對錯誤和故障做出反應。工程師負責監(jiān)測衛(wèi)星的健康狀況， 并可以借助機器學習的幫助進行趨勢分析。通過使用機器學習模型來補充，而不是取代控制中心里負責根據(jù)新信 息采取行動的工程師，可保證低風險水平。運營商在數(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，減少了實時遙測數(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)對機器學習的接收程度，并可能用于未來的高度自主航天器的機器學習。

 

由于光學圖像技術(shù)的應用，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)）提供了使用密集計算和機器學 習的另一個機會。地理空間分析的機器學習支持星載處理，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關(guān)鍵的優(yōu)點，因為可用的頻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。機器學習非常適合需要處理大量數(shù)據(jù)的應用，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64位ARM® Cortex® -A72的核心和包處理加速以及高速外設，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現(xiàn)。Layerscape架構(gòu)是一種可編程的數(shù)據(jù)平面引擎網(wǎng)絡架構(gòu)，提供了先進的高性能數(shù)據(jù)路 徑和網(wǎng)絡外設接口。LS1046還包含一個加密引擎，在安全通信和國防應用中非常有用。通過機器學習軟件， LS1046-Space能夠?qū)W習、推理和適應，以在面臨最小延遲和帶寬的挑戰(zhàn)的時候?qū)崟r做出決策。

 

TELEDYNE LS1046-SPACE的性能特點和QLS1046-4GB-SPACE

 

Teledyne e2v是經(jīng)過宇航認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，實現(xiàn)了四核Arm® Cortex® A72的設計，用盡可能小的尺寸提 供了無與倫比的性能， 同時使用戶可以使用與Arm® 技術(shù)兼容的龐大的軟件服務、應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，具有高性能的架構(gòu) 和業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的計算密度。LS1046-Space的計算性能超過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 的空間應用。此外，作為Teledyne e2v半導體生命周 期管理計劃(SLiM™)的一部分，這款器件的生命周期長達15年，避免了器件過時的問題。

 

 

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計算性能，還可 使用支持Arm® 的生態(tài)系統(tǒng)，為系統(tǒng)設計創(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計。 LS1046-Space也將被集成到Teledyne e2v最新 的Qormino® 計算模塊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，由于對密集計算微處理器的需求，航天飛行系統(tǒng)的設計正進入一個關(guān)鍵的發(fā)展階段。人工智能和機器語 言算法的發(fā)展和普及，以及先進的基于互聯(lián)網(wǎng)的應用和服務的發(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)絡在全球的發(fā)展）。每一個太空/ 衛(wèi)星設計的核心都是對獨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算太空/ 衛(wèi)星的開發(fā)并使在軌實時重配置變?yōu)榭赡堋?/div>