榮鵬

（北京空間機電研究所，北京 100094）

美國快速響應衛(wèi)星遙感相機電子學的技術特點

榮鵬

（北京空間機電研究所，北京 100094）

以美國快速響應衛(wèi)星光學遙感相機電子學產品所使用的技術為研究對象，首先介紹了快速響應衛(wèi)星的發(fā)展歷程，然后詳細介紹了該類衛(wèi)星光學遙感相機電子學產品在總線技術的應用、圖像算法的使用、軟件的重配置、低等級器件的選用、單粒子效應的防護等方面的情況。最后結合美國快速響應衛(wèi)星相機電子學產品的技術特點得出 3點啟示：第一，為實現(xiàn)快速響應衛(wèi)星的設計要求，COTS （Commercial off-the-shelf）器件在相機電子學產品中得到了廣泛的應用；第二，多光譜成像技術是未來相機電子學的發(fā)展方向；第三，圖像的在軌處理技術是未來遙感相機電子學的發(fā)展重點。期望這些快響技術工作原理和實現(xiàn)方式的分析介紹，能為中國遙感相機電子學產品的研制工作提供參考。

快速響應 空間相機 電子學系統(tǒng) 單粒子效應 即插即用 衛(wèi)星遙感

0 引言

從2000年起，美國通過研究發(fā)現(xiàn)已有的航天遙感系統(tǒng)不適應聯(lián)合作戰(zhàn)的要求，在實際應用中暴露出了諸多不足。首先，現(xiàn)有的大型衛(wèi)星系統(tǒng)還不能及時響應戰(zhàn)場變化，時效性差；其次，衛(wèi)星的研制、準備和發(fā)射的時間很長，費用高昂；第三，發(fā)生故障后損失巨大，不適合戰(zhàn)術應用。這些問題迫使美國探索成本低廉、靈活可靠的空間系統(tǒng)，以實現(xiàn)更快的應用需求。

針對上述問題，美國調整了衛(wèi)星研制的目標，提出了“更快、更好、更省”的新設計理念。隨后，美國綜合上述設計需要，于2002年首次提出快速響應（operationally responsive space，ORS）的概念。在衛(wèi)星研制方面，美國海軍研究實驗室和空軍實驗室已完成了從 TacSat-1到 TacSat-6，以及 ORS-1到ORS-4的研制。其中TacSat-1、TacSat-2、TacSat-3、ORS-1和ORS-4的微小衛(wèi)星上裝備了光學遙感載荷。

TacSat-1是一顆低分辨率光學成像小衛(wèi)星。它搭載的紅外成像儀使用的探測器不需要低溫冷卻。TacSat-1作為“戰(zhàn)術衛(wèi)星”系列的首顆衛(wèi)星，在設計思想上還是繼承了傳統(tǒng)衛(wèi)星和空間飛行器的設計思路。它的主要任務是驗證載荷的控制和保密路由網絡的數據分發(fā)，保證地面應用人員可以直接遙控星上成像設備，并從保密路由網絡中獲得所需要的圖像信息[1]。

TacSat-2是一顆全色多光譜光學成像小衛(wèi)星。它的主要任務是了解快速部署衛(wèi)星的工程技術；了解快速研制新衛(wèi)星和有效載荷的要求和限制；了解小衛(wèi)星之間如何相互引導才能實現(xiàn)目標成像。TacSat-2的主要載荷是地球表面成像儀。該成像儀采用仙童公司（Fairchild）的CCD583型TDI CCD（time delayed and integration charge coupled device），具有較高的地面掃描速率。在軟件方面，成像儀采用了可對敏感目標圖像進行提取的RX（Reed-XiaoLi）算法；在硬件方面，成像儀使用COTS（commercial off-the-shelf）器件實現(xiàn)載荷設計，同時使用即插即用技術實現(xiàn)設備間的接口通用化。這些改進體現(xiàn)了TacSat-2的進步[2-4]。

TacSat-3主要用于評估超光譜傳感器的應用效能，同時研制能夠快速響應的、具有靈活性和低成本的太空作戰(zhàn)系統(tǒng)。其主要載荷為先進響應型戰(zhàn)術有效軍用成像光譜儀（advanced responsive tactically effective military imaging spectrometer，ARTEMIS）。相比上一代產品，ARTEMIS成像儀在成像光譜數量方面提高顯著，擁有幾百個成像譜段，可以探測到地面的特征，并像油畫那樣顯示細節(jié)。在載荷設計方面，該衛(wèi)星繼承上一代衛(wèi)星的設計思路，大膽使用COTS器件和總線技術，同時將多種壓縮算法存儲在星上，通過軟件重配置技術實現(xiàn)單獨調用，以滿足不同任務的需求，還將商業(yè)相機直接加固后用于副載荷的設計。這些設計方法比上一代產品又有了很大的進步[5-7]。

ORS-1是一顆多光譜成像衛(wèi)星。其星載設備主要包括一臺改進型“高級光電偵察系統(tǒng)-2”（senior year electro-optical reconnaissance system，SYERS-2）多光譜傳感器、固態(tài)存儲器（容量達64Gbits，可緩存6 000km2未壓縮的NIIRS-4級別的圖像數據）、載荷保護裝置等。其中主載荷（改進型“高級光電偵察系統(tǒng)-2”）是由 U2偵察機的主載荷加固、改進而來。ORS-1衛(wèi)星是首顆使用航空機載成像設備作為主載荷的遙感衛(wèi)星。該衛(wèi)星的成功應用證明了此類航天器的有效性[8]。

上述4顆美國“快響”衛(wèi)星的光學遙感相機電子學系統(tǒng)的技術特點如表1所示。

表1 相機電子學技術指標和特點對比Tab.1 Comparison of specifications and characteristics of camera electronics technology

通過以上介紹，可以看出美國“快響”衛(wèi)星光學遙感載荷的技術改進是按照逐步深入的思路進行的。第一步，實現(xiàn)衛(wèi)星的及時響應，實現(xiàn)應用者對衛(wèi)星的直接控制和圖像的近實時傳遞。這是“快響”的基本要求。第二步，針對“更快、更好、更省”的設計目標，在硬件設計上開始使用通用總線技術和COTS器件，以實現(xiàn)更短的研制周期和更低的制造成本，在軟件設計中加入各種算法和功能函數庫，并輔助以軟件重配置技術，為使用者提供更多的應用選擇，更好的滿足差異化的任務需求。第三步，在多次使用COTS器件的基礎上，開始嘗試改造COTS設備或軍用設備，以實現(xiàn)更快的研發(fā)速度、更低的研制成本和更好的應用效果。

我國在航天遙感器的研制方面同樣也遇到了諸多問題。這些問題表現(xiàn)為：軟件產品靈活性差；硬件的元器件供貨周期長，研發(fā)進度緩慢；軟硬件產品通用性差，無在軌修復能力。有鑒于此，本文將以美國“快響”衛(wèi)星視頻相機電子學技術為目標，詳細介紹這些技術的工作原理和應用情況，希望能對我國“快響”衛(wèi)星的研制，尤其是遙感相機的研制有所幫助。

1 快響技術要求和技術途徑

美國快速響應衛(wèi)星的設計目標是“更快、更好、更省”。用“更快”的設計理念提高衛(wèi)星研制的速度，用“更好”的設計目標來提高衛(wèi)星的響應能力，用“更省”的設計要求來降低設計成本。具體來說，從單機研制到整星組裝、調試用時1年左右，而發(fā)射階段只需要1周左右的準備時間；功能方面要具有直接向地面使用人員提供環(huán)境感知、給出提示，并警告可能出現(xiàn)的威脅的能力。造價要從幾億美元減少為幾千萬美元。

為了實現(xiàn)上述設計要求，光學相機電子學產品在硬件、軟件、單粒子監(jiān)控等方面進行了如下嘗試：在硬件方面，采用了工業(yè)領域中成熟的總線技術實現(xiàn)設備間的即插即用和快速組裝，舍去超出任務要求的冗余備份并使用COTS器件以降低成本；在軟件方面，重要的處理單元使用可在軌重新配置的FPGA實現(xiàn)軟件的更新，使用多種圖像處理算法提高圖像品質和實用性；在單粒子監(jiān)控方面，使用有針對性的軟硬件技術緩解單粒子效應對產品可靠性的影響，確保COTS器件的可靠性。這些技術的應用使得“快響”衛(wèi)星相機電子學產品具有靈活、實用、適應性強、成本低、可靠性高的鮮明特點，有效的實現(xiàn)了原定的設計目標[9]。

2 硬件技術

美國“快響”衛(wèi)星在硬件設計方面有兩個主要特點：一是廣泛使用能夠實現(xiàn)即插即用功能的通用總線。這使得設備之間的連接更加簡單，測試更加方便，極大的縮短了研制周期。二是大膽的使用了低等級器件和設備。這種設計方法以目前已有的軍用產品或商業(yè)現(xiàn)貨為基礎，通過對其進行軟硬件加固和專項測試，使其滿足航天應用的要求。這些方法極大的降低了衛(wèi)星的成本，縮短了研制時間。

2.1 即插即用技術的應用

即插即用（plug-and-play，PnP）是指不需要跳線和軟件配置過程，當系統(tǒng)插入一個即插即用設備時，可以在運行過程中動態(tài)進行檢測和配置的技術。美國快速響應衛(wèi)星遙感相機電子學系統(tǒng)中常用的即插即用總線主要有Space Wire總線、CPCI總線、Ethernet總線。

2.1.1 Space Wire總線的應用

Space Wire是一種網絡型總線。它基于數據包路由選擇（packet-switched）機制，通過高速（2～200Mbit/s）、全雙工、點對點的數據鏈路連接節(jié)點和路由器，組成星載數據處理網絡。Space Wire采用 LVDS（lowvoltage differential signaling）作為電平標準，編碼方式采用數據—濾波（data strobe）編碼。Space Wire總線的連接方式非常靈活、網絡建立十分便利，具有較好的故障檢測與恢復機制。它可以保證在總線發(fā)生故障后系統(tǒng)能夠感知，并自主進行鏈路重啟，不引起故障擴散。在設備自動檢測方面，它可以通過“握手—識別—配置”的模式實現(xiàn)主設備對從設備的自動檢測。由于具有上述特點，Space Wire總線可以將星上的圖像數據處理設備、數據存儲設備、成像設備以及地面測試系統(tǒng)等不同的設備和子系統(tǒng)方便地連接到一起，進行集成和測試，極大的縮短了產品的研發(fā)時間。Space Wire總線在美國快速響應衛(wèi)星中有很多應用，其中TacSat-3的ARTEMIS中使用了Space Wire總線。它通過使用一種類似于USB接口芯片的接口模塊實現(xiàn)了Space Wire總線的接口設計。該模塊可以橋接任意組件，實現(xiàn)設備之間的互連，簡化了創(chuàng)建即插即用設備的方式[10]。

2.1.2 CPCI總線的應用

CPCI（compact peripheral component interconnect）總線，又稱為緊湊型PCI，是在PCI技術基礎之上經過改造而成。CPCI總線時鐘頻率為 66.6MHz，總線寬度為 32位或 64位，最大數據傳輸率為528Mbyte/s，支持64位尋址，能夠實現(xiàn)高速數據的傳輸?？偩€采用數據信號和地址信號分時復用的方式，能夠滿足突發(fā)情況下的數據傳輸。在兼容性方面，該總線能夠實現(xiàn)不同設備和處理器的共存共享，即在同一系統(tǒng)中兼容不同速度的設備，以及兼容多種處理器甚至是未來的新處理器。在應用方面，CPCI總線能夠實現(xiàn)設備的即插即用，能夠自動檢測、識別和配置外部設備。當板卡插入系統(tǒng)后，系統(tǒng)會自動訪問板卡的配置空間，通過讀取配置空間中的參數，決定外設映射的基地址和所需的資源，再自動尋找相應的驅動程序。由于CPCI設備不占用固定的內存空間或I/O空間，而是由操作系統(tǒng)讀取板卡參數決定其映射的地址，所以CPCI總線可以真正的實現(xiàn)即插即用。CPCI總線在實際使用中通常需要總線橋接芯片。該芯片的主要功能是連接CPCI總線和局部總線，連接板卡上的設備和系統(tǒng)總線。CPCI橋接芯片的實現(xiàn)方式有兩種：一種方法是選擇專用的橋接芯片，另一種是使用 FPGA或 DSP中的硬件資源。美國的TacSat-3采用的是第二種方案。TacSat-3的響應可重構處理器RA-RCC（responsive avionics reconfigurable computer）采用了CPCI總線。總線橋接芯片使用的是Actel公司的RTAX2000型FPGA。該芯片是抗輻射的宇航級反熔絲器件，具有很高的可靠性。Actel公司為RTAX2000提供完整的可用于CPCI總線的IP （intellectual property）核，可以有效的節(jié)省開發(fā)時間和開發(fā)成本[11]。

2.1.3 Ethernet總線的應用

以太網是在20世紀70年代初期由Xerox公司Palo Alto研究中心推出的。1979年Xerox、Intel和DEC公司正式發(fā)布了DIX版本的以太網規(guī)范，1983年IEEE 802.3標準正式發(fā)布。以太網是一種能夠使通訊設備相互傳遞信息的介質。它可以由許多物理網段組合而成，每個網段包括導線和網絡設備。在接收數據方面，以太網采用廣播機制，所有與網絡連接的工作站都可以看到網絡上傳遞的數據。網絡設備通過查看數據幀中的目標地址，確定是否進行接收。在數據發(fā)送方面，為避免沖突，以太網采用帶沖突檢測的載波監(jiān)聽多路訪問技術（carrier sense multiple access with collision detection，CSMA/CD）。該技術要求通訊設備首先需偵聽網絡是否空閑，如果空閑，才會把所要發(fā)送的信息投放到網絡當中。以太網的接入通常使用專用的網卡或主板上的專用電路。無論是哪種方法，實現(xiàn)網絡連接功能的電路都需要包含以太網媒體接入控制器和物理接口收發(fā)器兩個主要的部分。以太網媒體接入控制器主要負責控制和連接物理層的物理介質。物理接口收發(fā)器的功能較多：一是實現(xiàn)數據的串并轉換和編碼輸出；二是實現(xiàn)CSMA/CD的部分功能，檢測網絡上是否有數據在傳送；三是進行網絡通訊的自協(xié)商。自協(xié)商功能允許一個網絡設備將自己所支持的工作模式信息傳達給網絡上的對方，并接收對方傳過來的相應信息。自協(xié)商功能完全由物理層芯片實現(xiàn)，因此不帶來任何高層協(xié)議開銷。在鏈路初始化時，自協(xié)商協(xié)議向對方設備發(fā)送 16bit的報文并從對方設備接收類似的報文。自協(xié)商的內容主要包括速度、雙工、流控。自協(xié)商功能是以太網設備能夠實現(xiàn)即插即用的主要原因。以太網設備通過這種協(xié)商建立了設備的自動檢測和自動配置。目前，千兆以太網、10G以太網已經在衛(wèi)星上使用。如TacSat-3的ARTEMIS相機的G4-SBC單板計算機和衛(wèi)星通信模塊之間使用的就是千兆以太網，其以太網媒體接入控制器部分由G4-SBC單板計算機上的DSP實現(xiàn)，物理接口收發(fā)器使用的是專用的接口芯片。

2.2 低等級器件的選用和改造

選用已有的商業(yè)級、軍用級產品，或直接使用COTS器件進行設計是實現(xiàn)衛(wèi)星低成本制造的重要技術途徑。相對于使用宇航級元器件而言的傳統(tǒng)設計方法，這種方法更能節(jié)省物資成本和時間成本。

在衛(wèi)星上使用低等級產品需要考慮產品的力學特性、溫度適應范圍、真空漏氣和空間輻射等多方面因素。美國在快速響應衛(wèi)星研制過程中，考慮到衛(wèi)星運行的軌道較低，在軌壽命通常為1年，因此適當的放寬了對電子產品的工作時間和壽命的要求，允許在非關鍵環(huán)節(jié)上使用低等級元器件或部組件。

2.2.1 商業(yè)級產品的加固和實驗

ARTEMIS是TacSat-3實驗任務的主要有效載荷，其中包括一臺可見光相機，該相機又稱高分辨率成像儀。為了滿足成本和進度方面的要求，負責高分辨率成像儀研制的美國雷聲公司將 Dalsa公司的一款成本低、結構緊湊的相機進行了改造。改造后進行了環(huán)境實驗，重點驗證電子學部分的力學、溫度、漏氣、抗輻射4個方面的特性，試驗結果表明改造后的產品能夠滿足設計要求[12]。

2.2.2 軍級產品的改造和移植

移植軍用產品是快速響應衛(wèi)星使用低等級產品的另一種方式。以ORS-1衛(wèi)星的光電偵查載荷為例，該載荷由古德里奇公司“高級光電偵察系統(tǒng)-2”（SYERS-2）多光譜探測設備改進而成，采用了新型時間延遲積分焦平面。該設備曾是U-2高空偵察機使用的主要成像偵查設備。改進型SYERS-2的偵查設備工作譜段從可見光到中波紅外共7個譜段，可以完全兼容改進前的地面接收系統(tǒng)，避免了用戶系統(tǒng)的升級。

2.2.3 低等級元器件的應用

美國快速響應衛(wèi)星的很多產品直接使用 COTS器件或軍級器件。其中比較典型的是 TacSat-3的RA-RCC單元。該設備主要用于圖像壓縮，所用主要元器件中包括 3片 Xilinx公司的 XC4VLX160型FPGA、1片Actel公司的RTAX2000型FPGA。其中XC4VLX160型FPGA是非宇航級的低等級器件，RTAX2000型FPGA是宇航級器件。XC4VLX160型FPGA主要用于圖像處理，RTAX2000型FPGA主要用于對低等級器件運行狀態(tài)的監(jiān)控。

3 軟件技術

“快響”衛(wèi)星的軟件技術特點主要體現(xiàn)在圖像處理算法的使用和軟件重配置的使用方面。圖像處理算法的使用使得衛(wèi)星可以直接按照地面的要求傳輸感興趣的圖像，而不是像傳統(tǒng)衛(wèi)星那樣在海量圖片中挑選感興趣的圖像。軟件重配置技術的使用實現(xiàn)了同一平臺、不同功能的設計目標，實現(xiàn)了衛(wèi)星對不同任務的快速響應。這些技術的使用使“快響”衛(wèi)星相機電子學產品能夠“更好”的滿足任務需求。

3.1 圖像處理算法

美國“快響”衛(wèi)星空間成像系統(tǒng)中所使用的圖像處理算法大致可以分為3類。第一類是針對圖像成像品質的算法，主要用于去除成像系統(tǒng)的畸變、響應的不均勻性以及大氣對成像的干擾；第二類主要用于對圖像中的特定目標進行檢測和甄別；第三類是圖像的壓縮算法。在使用中，第一類算法先將圖像中的固定噪聲和畸變去除，最大程度的逼近拍攝物的原貌；而第二類算法則在第一類算法的基礎上提取圖像中的敏感目標，例如特殊建筑物或感興趣的目標，然后將包含敏感目標的圖像進行特殊標注；第三類算法負責根據要求調用合適的壓縮算法對圖像進行壓縮，然后發(fā)送給地面使用者。通過這種方式下傳的圖像可以直接被使用者使用，而不需要地面處理部門經過幾天的處理后再轉發(fā)給使用者。這極大的提高了圖像的使用效率，滿足用戶對圖像實時性的需要，實現(xiàn)快速響應的設計要求。在TacSat-2衛(wèi)星上，圖像處理的工作是在可擴展信號處理器（malleable signal processor，MSP）中實現(xiàn)的。該系統(tǒng)用于運行圖像的校正算法和壓縮算法，實現(xiàn)星載多光譜圖像的自適應處理。其具體工作流程如下：

1）MSP首先以流水線的方式對圖像數據進行相對輻射校正。它通過乘法增益校正、減法偏移校正以補償焦平面的非均勻性來實現(xiàn)相對輻射校正；

2）相對輻射校正之后，MSP可以選擇RX異常檢測算法。該算法主要用于敏感目標的提??；

3）處理后的數據將直接被MSP中的數據壓縮模塊進行壓縮和加密，最后將數據編碼，下傳到通用數據鏈路的RF調制解調器中。

據資料顯示，TacSat-2衛(wèi)星的圖像壓縮單元具有可變壓縮比的功能，可根據要求使用不同的壓縮比，提高圖像傳輸的效率[13]。這種可變壓縮比的壓縮方法在 TacSat-3中又有新的提高。高光譜成像儀ARTEMIS所使用的壓縮方法被譽為目前最先進的壓縮算法。據文獻[14]介紹，在ARTEMIS的可重配置處理器中包含了一個預定義函數庫，用戶可以根據任務的需要自行調用，被調用的函數通過重配置技術進入到FPGA中，實現(xiàn)不同需求的圖像壓縮。

3.2 軟件重配置技術

快速響應衛(wèi)星的快速響應能力不僅體現(xiàn)在快速組裝、快速測試、快速發(fā)射方面，還體現(xiàn)在軟件的快速更新上。重配置技術是實現(xiàn)軟件在軌更新的重要手段。它通過向FPGA內部寫入不同的應用程序，實現(xiàn)了同一平臺應對多種任務的設計目標。

3.2.1 基于System ACE的重配置技術

系統(tǒng)高級配置環(huán)境System ACE（system advanced configuration environment）技術是Xilinx公司提供的一種程序重新配置方法，與傳統(tǒng)的可編程只讀存儲器PROM（programmable read only memory）相比，每比特成本顯著降低。利用此技術可以方便的實現(xiàn)全局動態(tài)重配置，實現(xiàn)FPGA的分時復用，提高資源利用率。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三個部分[15]。TacSat-2中的MSP單元的重配置就是基于這種方式。伺服FPGA的配置由外部的System ACE控制器負責，System ACE控制器連接一個帶校驗功能的Flash卡，程序存儲在Flash卡中；工作時System ACE控制器接收外部控制信號啟動對FPGA的配置，外部控制信號除了包括啟動配置的信號外，還包括System ACE控制器的地址信號，通過控制地址信號可以對FPGA配置不同的程序，以適應不同的任務需求

3.2.2 基于SelectMAP的重配置技術

SelectMAP模式是Xilinx公司FPGA的常用上電配置方式。該模式由多位并行的數據信號、時鐘信號和若干控制信號組成[16]。在TacSat-3中，RA-RCC處理器的FPGA使用了這種重配置模式[17]。在TacSat-3中，負責完成配置的是Actel公司生產的RTAX2000型FPGA，被配置的是3片Xilinx公司生產的V4 LX160 型FPGA。RTAX2000在電路中主要實現(xiàn)PCI橋接芯片的功能，以及3片Xilinx公司FPGA的配置功能。存儲V4 LX160型FPGA配置程序的是具有校驗功能的Flash存儲器，該存儲器和RTAX2000型FPGA相連。3片V4 LX160型FPGA的配置信號也同樣連接到RTAX2000上。當RTAX2000從PCI總線上收到重配置指令后，從Flash存儲器中讀取相應的配置程序，完成目標FPGA的配置。

4 單粒子監(jiān)控技術

在OSR項目中，相機電子學產品的核心器件，例如DSP和FPGA等，大量采用了低等級的商業(yè)器件。同類型的低等級器件和宇航級器件相比，在性能、成本、功耗、體積、供貨時間等方面都具有明顯的優(yōu)勢，非常適合應用于ORS任務中。但是電子元器件在空間工作中會受到銀河宇宙射線、太陽耀斑粒子、地球輻射帶俘獲粒子的影響，造成諸如單粒子鎖定、單粒子引發(fā)的功能中斷（single event functional interrupts，SEFI）等問題。低等級器件在這方面較宇航級器件相差很多，如果不采取監(jiān)測和控制措施，會影響產品的可靠性。為了提高低等級器件抗單粒子的能力，設計中主要使用了基于時間的三模冗余方法和H-Core（Hardened-Core）技術[18]。

4.1 TTMR 算法

TTMR（time triple modular redundancy）是一種將三模冗余和時間冗余相結合的方法。它可以減緩單粒子鎖定，讓CPU或者FPGA自動檢錯和糾錯。這種方法將三模冗余技術和資源占用率相結合，在實現(xiàn)三方對比的同時盡量減少資源的消耗量。TTMR可以運行在CPU中，也可工作在FPGA中，具有很好的通用性。為了驗證TTMR算法的有效性，加州大學Davis分校的Crocker核物理實驗室和Lawrence Berkeley國家實驗室進行了相關的輻照試驗。試驗時，對“戰(zhàn)術衛(wèi)星-2”的BSP-15處理器以51MeV的能量進行質子流轟擊，最初版本的TTMR出現(xiàn)錯誤，測試到TTMR v2.2版，程序能發(fā)現(xiàn)并糾正所有由SEU造成的錯誤。在測試的全過程中，TTMR能100%的發(fā)現(xiàn)并糾正SEU造成的錯誤。經過實驗驗證，BSP-15運行TTMR后的總劑量達到950Gy，可以作為航天電子產品元器件使用。

4.2 H-Core技術

SEFI如果發(fā)生在微處理器內部，會造成微處理器進入不確定的狀態(tài)或者停止響應。通常地面站如果發(fā)現(xiàn)某一設備停止響應，則會采取重新上電的方式進行恢復。整個設備在 SEFI發(fā)生期間和重新啟動設備期間是無法工作的，這會造成數據丟失和系統(tǒng)延時等問題。為此，Space Micro公司發(fā)明了H-Core技術。H-Core技術是一款用于監(jiān)控的輻射加固型芯片。它可以回讀被監(jiān)控芯片的內部邏輯狀態(tài)，以判定該芯片是否發(fā)生SEFI。如果檢測到SEFI發(fā)生，H-Core則開始對被監(jiān)控芯片進行重新配置，使其恢復到正確狀態(tài)。為驗證H-Core對SEFI的檢測和恢復能力，在Davis實驗室對三款芯片做了51MeV的質子輻照實驗。統(tǒng)計結果表明H-Core在測試期間100%的檢測并糾正了SEFI。使用H-Core技術可以對低等級器件進行單粒子的監(jiān)控，保證低等級器件的在軌穩(wěn)定運行。

5 啟示

美國“快響”衛(wèi)星在硬件設計、軟件設計和單粒子監(jiān)控設計方面具有鮮明的技術特點。其中總線技術的應用實現(xiàn)了產品的快速研制，圖像算法和軟件重配置技術的使用更好得滿足了用戶的需求，低等級器件和單粒子防護技術則降低了研制成本，保證了產品的可靠性。通過研究美國快速響應衛(wèi)星電子學產品的技術特點，對照我國光學遙感相機視頻電子學的研制現(xiàn)狀，得到以下啟示。

1）快速響應衛(wèi)星是一種具有靈活的系統(tǒng)架構、低廉的生產成本和簡單的制造工藝的小衛(wèi)星。衛(wèi)星的特點決定了視頻電子學產品和以往產品相比具有很多不同。由于整星不再追求較長的在軌壽命，因此在制造過程中大量使用了COTS器件。COTS器件的廣泛使用成為快速響應衛(wèi)星視頻電子學的一個特點。同時從對COTS器件采取的可靠性設計中可以看出，美國快速響應衛(wèi)星在追求低成本、高效益的同時并沒有降低對可靠性的要求。在提高產品可靠性方面，設計人員通過標準化的硬件接口，實現(xiàn)了不同設備之間的靈活互聯(lián)，為信號和數據的傳輸提供了通用的、統(tǒng)一的硬件平臺；可重配置的軟件實現(xiàn)了衛(wèi)星的在軌修復；單粒子監(jiān)控技術為提高COTS器件的抗輻照能力提供了技術保障。我國在遙感衛(wèi)星視頻電子學產品中也使用COTS器件，但就COTS器件的可靠性設計方面和美國相比還有差距。我國使用COTS器件的主要原因是緩解宇航級高可靠性元器件的緊缺問題。因此，著重研究COTS器件的使用方法，提高COTS器件在使用中的可靠性，對我國遙感衛(wèi)星視頻電子學產品來說具有非常重要的現(xiàn)實意義，應該得到足夠的重視。

2）多光譜成像可以利用偽裝物和背景物在某個成像譜段上的微小差異實現(xiàn)對偽裝目標的探測。在TacSat系列和ORS系列中，所有相機均為多譜段成像設備，譜段數量也從簡單的TacSat-2的4個譜段到復雜的TacSat-3的四百多個譜段不等。從以上情況可以看出單純的全色成像已經不能滿足實際需要，多光譜或高光譜成像將成為未來視頻電子學的發(fā)展趨勢。我國的遙感相機發(fā)展也同樣呈現(xiàn)上述趨勢，近幾年發(fā)射的遙感衛(wèi)星大多具備多光譜成像能力。

3）圖像的在軌處理是視頻電子學未來的一個重要發(fā)展方向。復雜的圖像算法需要性能更為強大的處理平臺。NASA和很多宇航機構一直在研制處理能力更強、功耗更低的信號處理設備。從TacSat系列衛(wèi)星的各種處理器中可以看出，高性能CPU、嵌入式操作系統(tǒng)、高速數據存儲器以及高性能FPGA將成為未來信號處理設備的重要組成部分。這些技術的使用將改變目前單純依靠FPGA實現(xiàn)圖像處理算法的現(xiàn)狀，同時將提高信息處理能力，縮短算法開發(fā)時間。我國視頻電子學的圖像處理設備發(fā)展相對緩慢。這主要受限于宇航級元器件的生產能力。解決這一問題的根本還是要大力發(fā)展元器件的設計和制造能力，另外使用COTS器件也可以起到一定的緩解作用。

6 結束語

美國在快速響應衛(wèi)星方面起步早，在設計方面通過統(tǒng)一的硬件接口、可重配置的軟件、圖像的在軌處理、低等級器件的使用以及對單粒子的監(jiān)控實現(xiàn)了“更快、更好、更省”的設計目標。在快響衛(wèi)星設計過程中，其總線技術、圖像算法和軟件重配置技術、低等級器件和單粒子防護技術等領域一些比較成功的設計方法值得我們借鑒。

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Electronics Technical Characteristics of Camera for American Operationally Responsive Satellite

RONG Peng

（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）

The object of this research is the technologies used in camera electronics products on American operational response satellite. First, the operational response satellite development course is introduced, then, application of this kind products in bus-technology, use of the image algorithm, reconfiguration of software, selection of low level devices and protection of single event effect are illustrated in detail. Three implications of the technical characteristics are clarified. First, to reach the design requirements of the operational response satellite, COTS components are widely used. Second, multi-spectral imaging technology leads the future orientation of camera electronics. Third, on-orbit image processing technology is the development priority of electronics in remote sensing camera. The operation principle and implementation mode of these technologies will provide reference for the development of remote sensing camera electronics in China.

operational response; space camera; electronics system; single event effect; plug-and-play; satellite remote sensing

V445.8

: A

: 1009-8518(2016)02-0009-09

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.02.002

榮鵬，男，2005年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學自動化測試與控制系，高級工程師，目前主要從事空間遙感相機信號處理方面的研究。E-mail：163ncnet@163.com。

（編輯：夏淑密）

2015-07-13