新星座配置（傳統的GEO衛星）主要用于衛星通信，因為其可避免終端和衛星收發(fā)機之間的快速移動(dòng)，并允許使用單個(gè)衛星進(jìn)行廣泛覆蓋。人們也專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了多波束衛星系統，以便在覆蓋區域里實(shí)現有效的頻率復用和高吞吐量寬帶速率，類(lèi)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)射成本的驅動(dòng)，新星座配置也在開(kāi)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星電信發(fā)展的瓶頸。大多數的衛星作為中繼運行，主要用于轉換、放大和轉發(fā)通信信號，因此星載微處理器需要高速DMIPS處理能力。由于衛星進(jìn)入軌道后無(wú)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(xué)甚至是信號再生。LS1046-Space的四核架構采用3路無(wú)序解碼、Speculativeissue和超標量管線(xiàn)技術(shù)。

 

此外，使用可用的ARM軟件模塊，LS1046-Space能夠完全滿(mǎn)足星上電信的處理的需求，也支持在衛星生命周期里升級。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/執行器，全球傳感器的絕對數量將產(chǎn)生可觀(guān)的通信流量，從而對未來(lái)的空間通信網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生巨大影響。因此，未來(lái)的衛星需要通過(guò)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(wú)法達到的時(shí)候保證服務(wù)的連續性。這個(gè)特殊的應用可根據衛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(lái)分類(lèi)。例如：“廣域”物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)分布在廣闊的區域，并由中央服務(wù)器控制匯報信息。衛星可發(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)鍵監視

 

2。交通：車(chē)隊管理、資產(chǎn)跟蹤、數字標牌、遠程道路警報

 

3。農業(yè)：牲畜管理、養殖

 

4。本地物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)：這類(lèi)應用中的物聯(lián)網(wǎng)設備用于采集本地數據并報告給中央服務(wù)器。典型的應用包括智能電網(wǎng)子系統（高級計量）或車(chē)載移動(dòng)平臺服務(wù)（如貨輪、卡車(chē)或火車(chē)上的集裝箱）

 

5。航空和海事跟蹤與通信：這些系統通常和其他類(lèi)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據率、通信的偶發(fā)性和協(xié)議的簡(jiǎn)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構都從傳統和新太空的商業(yè)衛星的發(fā)展中受益。這些機構已經(jīng)發(fā)現使用商業(yè)衛星 “托管”他們的傳感器和/或通信包可以更快、更經(jīng)濟地實(shí)現在軌能力。通過(guò)與商業(yè)公司分擔開(kāi)發(fā)、發(fā)射和地 面系統的費用，能大大降低成本。使用托管的載荷也可幫助促進(jìn)在軌的“載荷擴散”，使對手難以摧毀整個(gè)系 統。隨著(zhù)商業(yè)電信衛星數量的迅速增加，國防機構能夠開(kāi)發(fā)用于空中和海上的防空應用的互聯(lián)網(wǎng)戰術(shù)網(wǎng)絡(luò )。

 

“托管”背后的想法是簡(jiǎn)單地利用正在開(kāi)發(fā)的商業(yè)通信衛星星座，以降低國防成本，并提高可靠性和數據吞吐 量。例如，在這一領(lǐng)域的許多核心項目中，國防機構正在開(kāi)發(fā)利用持續可用的大帶寬、超視距通信技術(shù)，在各 種固定和移動(dòng)的操作位置之間無(wú)縫轉移和共享數據的能力。這種新能力被稱(chēng)作“路徑無(wú)關(guān)通信”，因為它使軍 事用戶(hù)能夠可靠地與世界上的任何地點(diǎn)通信，無(wú)需特別規定使用通訊網(wǎng)絡(luò )的某個(gè)節點(diǎn)。由于以商業(yè)衛星為基礎 的商業(yè)空間互聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，研發(fā)路徑無(wú)關(guān)的通信系統變?yōu)榭赡?。如前所述，商業(yè)宇航/衛星公司計劃建立 由數百至數千顆衛星組成的太空互聯(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(zhù)宇航發(fā)展的技術(shù)和成本障 礙逐漸減少，更多的國防機構和商業(yè)公司在衛星建設、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(jìn)步創(chuàng )造了新的機會(huì )，但是空間服務(wù)也顯現了新的風(fēng)險。某些國防機構在了解到太空行動(dòng)的優(yōu)勢后，轉而發(fā) 展威脅其他國防機構利用太空的能力。這種能力包括太空行動(dòng)和反太空系統，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)例子是機密行動(dòng)的商業(yè)解決方案（CSfC）。CSfC允許開(kāi)發(fā)人員在如何設 計和組織機密/敏感數據方面具有更大的靈活性，同時(shí)依然保持較高的IT安全標準。與強制使用政府現貨(GOTS) 設備不同，CSfC 使開(kāi)發(fā)者能夠利用商用貨架產(chǎn)品(COTS)和微處理器構建替代的解決方案，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 須符合一套嚴格的安全要求，例如，希望發(fā)送和接收移動(dòng)數據（包括語(yǔ)音和視頻電話(huà)）的用戶(hù)需要使用雙VPN 隧道加密數據。通過(guò)CSfC構建的雙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(xué)習

 

面對日益復雜、變化的環(huán)境，為了適應不斷變化的系統需求，太空/衛星網(wǎng)絡(luò )繼續朝著(zhù)自動(dòng)化和自主運行的方向 發(fā)展。系統內部對“智能”和“密集計算”的需求也在呈指數級增長(cháng)。下面是關(guān)于系統級智能的設計和發(fā)展的 一些基本術(shù)語(yǔ)：

 

1. AI: 人工智能。計算機執行需要人類(lèi)智能的任務(wù)。

2. ML: 機器學(xué)習。一種AI的應用程序，提供輸入以自動(dòng)訓練計算機模型如何工作。學(xué)習通常是通過(guò)一個(gè)“訓練” 模型的應用來(lái)監管的，被稱(chēng)作“推理”。利用群集分析，學(xué)習也可在無(wú)監管的情況下進(jìn)行。

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

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

5. CV: 計算機視覺(jué)。計算機中用于感知圖像的技術(shù)。

 

根據以上定義，AI和CV之間的層級結構是顯而易見(jiàn)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(kāi)發(fā)完成后，將在產(chǎn)品硬件上驗證和實(shí)現。這一過(guò)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”的數量。

 

航天工業(yè)已經(jīng)注意到了這些問(wèn)題。雖然用于計算機視覺(jué)的人工智能和機器學(xué)習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)系統中采用了機器學(xué)習技術(shù)。最初的主要發(fā)展是地基航天器健康監測和地理空間分 析。為了降低運營(yíng)成本，大型的衛星運營(yíng)商一直致力于推動(dòng)將機器學(xué)習用于飛行器的健康監測。這些運營(yíng)商可以 從一個(gè)控制中心監測多個(gè)衛星。如有需要，工程師能對錯誤和故障做出反應。工程師負責監測衛星的健康狀況， 并可以借助機器學(xué)習的幫助進(jìn)行趨勢分析。通過(guò)使用機器學(xué)習模型來(lái)補充，而不是取代控制中心里負責根據新信 息采取行動(dòng)的工程師，可保證低風(fēng)險水平。運營(yíng)商在數據中心處理的航天器遙測數據可用于訓練算法，在某些情 況下，這種算法能夠先于人類(lèi)分析出發(fā)展的趨勢，減少了實(shí)時(shí)遙測數據對人眼的需求。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(xué)習的接收程度，并可能用于未來(lái)的高度自主航天器的機器學(xué)習。

 

由于光學(xué)圖像技術(shù)的應用，地理空間分析（或處理成像衛星提供的地球遙感數據）提供了使用密集計算和機器學(xué) 習的另一個(gè)機會(huì )。地理空間分析的機器學(xué)習支持星載處理，通過(guò)選擇要傳輸到地面的相關(guān)數據，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)，因為可用的頻帶正變得越來(lái)越擁擠，越來(lái)越昂貴。此外， 不斷提高的處理需求使得手工編寫(xiě)算法代碼變得異常困難。機器學(xué)習非常適合需要處理大量數據的應用，如農業(yè) 景觀(guān)分類(lèi)、農作物產(chǎn)量規劃、商場(chǎng)停車(chē)場(chǎng)汽車(chē)的檢測和分類(lèi)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，可完成空間級 AI、ML和數據處理（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，包含數據路徑加速架構（DPAA）提供的功能， 可在軟件或硬件中實(shí)現。Layerscape架構是一種可編程的數據平面引擎網(wǎng)絡(luò )架構，提供了先進(jìn)的高性能數據路 徑和網(wǎng)絡(luò )外設接口。LS1046還包含一個(gè)加密引擎，在安全通信和國防應用中非常有用。通過(guò)機器學(xué)習軟件， LS1046-Space能夠學(xué)習、推理和適應，以在面臨最小延遲和帶寬的挑戰的時(shí)候實(shí)時(shí)做出決策。

 

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

 

Teledyne e2v是經(jīng)過(guò)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(shí)現了四核Arm® Cortex® A72的設計，用盡可能小的尺寸提 供了無(wú)與倫比的性能， 同時(shí)使用戶(hù)可以使用與Arm® 技術(shù)兼容的龐大的軟件服務(wù)、應用程序和工具的生態(tài)系統。 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 和業(yè)內領(lǐng)先的計算密度。LS1046-Space的計算性能超過(guò)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T(mén)eledyne 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(cháng)達15年，避免了器件過(guò)時(shí)的問(wèn)題。

 

 

NXP市場(chǎng)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(hù)不僅能利用這些器件的先進(jìn)計算性能，還可 使用支持Arm® 的生態(tài)系統，為系統設計創(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?hù) 可以繼續使用Power架構的軟件和應用，Teledyne e2v也會(huì )繼續基于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(yíng)RM® 的解決方案，也 可使用NXP的Power® 的解決方案開(kāi)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。

 

 

 

結語(yǔ)

 

目前，由于對密集計算微處理器的需求，航天飛行系統的設計正進(jìn)入一個(gè)關(guān)鍵的發(fā)展階段。人工智能和機器語(yǔ) 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，其應用領(lǐng)域包括：軍事、氣象、地球觀(guān)測和電信（特別是隨著(zhù)5G網(wǎng)絡(luò )在全球的發(fā)展）。每一個(gè)太空/ 衛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(mǎn)足這些“全球”太空/衛星發(fā)展的需要。Teledyne e2v的LS1046-Space四核ARM® Cortex® -A72微處理器 將為未來(lái)幾十年的智能密集計算太空/衛星的發(fā)展帶來(lái)革命性的變化。利用GHz級高性能數據處理（30K DMIPS @ 1.8GHz)，結合方便的軟件編程（和重配置的能力），以及無(wú)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/ 衛星的開(kāi)發(fā)并使在軌實(shí)時(shí)重配置變?yōu)榭赡堋?/div>