541 浏览气象卫星星载实时预处理系统设计
摘要：为实现气象卫星观测数据的高效应用,奠定后续星上遥感信息提取和信息生成技术的工作基础,对载荷观测数据实时开展无控制点几何定位与辐射定标,本文选择气象卫星主要光学载荷——中分辨率光谱成像仪作为处理对象,构建了基于Space VPX架构的星载实时预处理系统。系统选择FPGA+DSP作为核心处理模块,完成从数据输入、数据处理、数据输出整个流程设计,最终实现一级定位定标产品数据实时输出功能。为了提升系统处理速率,将系统应用能力扩展到多载荷多通道场景中,对多核DSP核间通信方式进行优化设计,解决了核间数据一致性以及共享存储资源浪费的问题,缩短了系统处理时间并提高了内存利用率。本论文主要工作内容如下:1.分析了星载处理技术的国内外研究现状,为了提升卫星应用的时效性,缩短载荷数据传输时间以及保障数据有效性成为发展星载处理技术的关键途径;2.设计了基于Space VPX架构的星载实时预处理系统,采用FPGA+DSP作为数据处理板架构,针对FY-3D中分辨率光谱成像仪观测数据完成几何定位和辐射定标算法设计和仿真验证,并基于硬件平台实现源代码开发,完成主要芯片选型以及硬件方案设计,对系统软件部分进行划分,其中DSP负责实现载荷数据的定位、定标核心算法,FPGA负责实现数据调度接口,并对SRIO、EMIF、RS422等接口进行了详细设计;3.针对中分辨光谱成像仪具有多个通道数据,且数据流持续输出的特点,本文预处理系统利用DSP多核并行协同和FPGA并行处理的优势,采用数据流驱动方式实现DSP多核并行处理,并采用共享存储查询的方式完成核间通信。考虑多载荷数据处理可扩展性,设计了一种基于循环队列结构与共享存储查询机制结合的DSP核间通信方案,解决了数据一致性的问题,并设计了多核DSP共享存储分区方式,对本星载数据预处理系统的处理性能进行了优化,使处理速率较传统方案提升两倍左右;4.设计了星载实时预处理系统测试平台,实现了载荷和卫星平台数据的输入、预处理系统的处理、结果输出流程的贯通,得到了与算法仿真结果一致性的处理结果,本系统1周期定位、定标处理时间为954.5ms,满足1.5s单周期数据的生成指标。验证了星载实时预处理系统的正确性和实时性。
关键词：星载实时处理
文章目录
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 选题背景与意义
1.2 气象卫星及其主要载荷
1.3 国内外研究现状
1.3.1 国外卫星星载处理研究现状
1.3.2 国内卫星星载处理研究现状
1.4 本文研究内容和组织结构
第二章 星载实时预处理系统设计概述
2.1 系统处理对象特征
2.2 系统连接关系设计
2.3 系统主要指标设计
2.4 系统总体方案设计
2.5 本章小结
第三章 星载实时预处理系统设计
3.1 星载预处理算法设计
3.1.1 几何定位
3.1.2 辐射定标
3.1.3 MATLAB仿真实现
3.2 星载预处理系统硬件设计
3.2.1 芯片选型
3.2.2 电源设计
3.2.3 接口设计
3.3 星载预处理系统软件设计
3.3.1 DSP软件设计
3.3.2 FPGA软件设计
3.4 本章小结
第四章 系统多核通信方案优化设计
4.1 多核通信方式选择
4.1.1 中断核间通信机制
4.1.2 基于SYS/BIOS系统核间通信
4.1.3 共享存储查询核间通信
4.1.4 核间通信方式分析
4.2 优化设计流程及方案
4.2.1 共享存储分区
4.2.2 构建循环队列
4.3 优化设计仿真试验
4.3.1 共享存储分区仿真试验
4.3.2 构建循环队列仿真试验
4.4 本章小结
第五章 星载预处理系统测试与验证
5.1 测试需求
5.2 测试平台的建立
5.2.1 综合测试设备
5.2.2 后端显示设备
5.2.3 程序加载设备
5.2.4 动态载荷数据发生器
5.3 测试验证及分析
5.3.1 PC机仿真与本系统处理对比
5.3.2 系统实时性分析
5.4 本章小结
第六章 总结与展望
6.1 总结
6.2 展望
参考文献
[1]Fengyun Meteorological Satellite Products for Earth System Science Applications[J]. Di XIAN,Peng ZHANG,Ling GAO,Ruijing SUN,Haizhen ZHANG,Xu JIA. Advances in Atmospheric Sciences. 2021(08)
[2]高分多模卫星星地一体化快速响应系统设计与在轨验证[J]. 汪精华,王跃,于龙江,范立佳,姜洋. 航天器工程. 2021(03)
[3]多源卫星信息在轨融合处理分析与展望[J]. 何友,姚力波,李刚,刘瑜,杨冬,李文峰. 宇航学报. 2021(01)
[4]基于FPGA+DSP的雷达任务管理控制器及其电路设计[J]. 邵威. 空军预警学院学报. 2020(06)
[5]“黑杰克”项目动向及应用前景分析[J]. 李菲菲,胡敏,武暾,王昊淳. 中国航天. 2020(09)
[6]2019年国外侦察监视卫星发展综述[J]. 刘韬,徐冰. 国际太空. 2020(02)
[7]基于FPGA+DSP弹载SAR信号处理系统设计[J]. 陈勇. 电子技术应用. 2019(09)
[8]Latest Progress of the Chinese Meteorological Satellite Program and Core Data Processing Technologies[J]. Peng ZHANG,Qifeng LU,Xiuqing HU,Songyan GU,Lei YANG,Min MIN,Lin CHEN,Na XU,Ling Sun,Wenguang BAI,Gang MA,Di XIAN. Advances in Atmospheric Sciences. 2019(09)
[9]天宫二号卫星宽波段成像光谱仪地理定位方法[J]. 杨涛,何玉青,胡秀清. 遥感信息. 2019(03)
[10]联合星载毫米波雷达和中分辨率光谱成像仪的云底高度反演[J]. 高顶,李冠林,马烁,严卫. 气象科学. 2018(06)
