2021 Vol. 38(4): 1-11| [摘要](48) | [PDF](17)- 宇航抗辐射加固集成电路技术发展与思考
- 赵元富，王亮，岳素格，隋成龙，李同德
- 宇航抗辐射加固集成电路是航天工程的核心基础技术。长期以来，美欧等国家对抗辐射加固集成电路持续支持并严格禁运，宇航集成电路的发展和自主可控是我国向航天强国迈进的关键核心基础之一，受到国家的高度重视。本文总结了宇航抗辐射加固集成电路发展特点和我国发展现状，分析了未来宇航抗辐射加固集成电路的发展需求，探讨了未来需要重点关注的3个技术方向，即软加固的天算芯片、高压功率器件加固和单粒子效应仿真。
- 2021 Vol. 38(4): 12-18
| [摘要](31) | [PDF](14)人工智能与高效能计算- 基于天基边缘计算的在轨智能技术
- 张飞，陈小前，于帅，季明江，刘勇，曹璐
- 针对低轨互联网星座的发展以及天基应用不断拓展对计算能力的需求，开展基于天基边缘计算的在轨智能技术研究，这对提升星地带宽利用率和实时决策效率具有重要意义。提出了以低轨卫星为核心的天基边缘计算架构，在此基础上，进一步提出了一种基于深度模仿学习的智能计算卸载模型，以及该模型的在轨分布式联邦学习训练方案。基于空天地海一体化网络，开展了面向移动应用的实时计算卸载决策，以及空间数据、模型的在轨学习及训练方法研究。该方案在保障空间数据隐私的基础上，可进一步降低程序运行时延和提升模型的决策准确率。结果表明:与传统方法相比，该技术最多降低了54.96%的程序运行时延。
- 2021 Vol. 38(4): 19-24
| [摘要](18) | [PDF](9)- 基于误差模型的权重二值神经网络近似加速
- 朱新忠，程利甫，吴有余，林闽佳，胡汝豪
- 针对智能识别系统精确度和硬件复杂度之间的均衡设计问题，提出了一种基于误差统计模型的权重二值神经网络近似加速方法。在提出了一种获得高精度轻量神经网络的权重二值化处理算法基础上，引入近似加法器、消除乘法器以进一步提高能效。最终提出了一种系统级误差统计模型用于系统评估和优化设计，该设计能够分析和预测权重二值神经网络近似加速系统的最终精度。结果表明:该模型可以准确地预测系统精度，与仿真结果对比，相对误差在2.05%～3.07%。该模型预测用于指导相应软硬件的设计优化，可大幅提高设计的迭代速度。
- 2021 Vol. 38(4): 25-30
| [摘要](13) | [PDF](4)- 一种快速响应型小卫星的自主任务规划设计与应用
- 范凯，崔本杰，陈占胜，成飞
- 浦江一号卫星是由上海航天技术研究院研制的一颗快速响应型小卫星，于2015年9月成功发射，卫星质量347 kg，运行在高度481 km的太阳同步轨道。为高效、高精度识别定位地面大范围广泛而随机分布的电磁辐射目标，浦江一号卫星提出了基于单星电磁信号监测载荷与光学成像载荷综合应用的在轨自主任务规划方案。在轨应用表明:该设计解决了电磁信号监测与光学成像高效协同难题，实现了星上自主任务规划时间快于0.10 s，引导指向精度优于0.10°，单次任务连续引导目标数量多于10个，为后续多手段遥感卫星的综合应用及在轨自主任务规划设计提供借鉴。
- 2021 Vol. 38(4): 31-37
| [摘要](21) | [PDF](7)- 星载异构计算环境下的能耗优化任务调度
- 安建峰，游红俊，赵伟勋，刘咪咪，张盛兵
- 针对航空航天探测等要求高可靠性、强实时性、低功耗的尖端领域，基于新型的异构多核计算平台对全迁移策略的支持，提出了能耗优化的实时任务调度算法。算法主要分为2部分:负载分配和任务调度。负载分配确定每个任务在不同的处理器集群上工作量的分配比例，并对系统的能耗进行优化。任务调度在负载分配的基础上，采用时间片划分的思想对已分配的任务进行合理调度，保证每个任务都能满足系统约束条件。将此算法与现有的SA算法和Hetero-Split算法进行对比，实验结果显示:此算法比Hetero-Split算法在寻求可行性任务调度方案方面相当，但强于SA算法;在能耗比方面，此算法比Hetero-Split算法在系统总能耗方面有大幅度的降低，降低比率约为23%~24%。
- 2021 Vol. 38(4): 38-44
| [摘要](8) | [PDF](4)- 基于小样本学习的多因素单粒子翻转截面预测
- 刘婷，杨博，于泽芳
- 针对空间粒子辐射效应评价中的多因素影响问题，提出了端到端数据驱动方法预测多因素条件下的单粒子翻转截面。首先通过卷积神经网络进行多因素特征提取，接着利用小样本学习匹配网络进行样本间特征融合，最后使用集成学习回归器预测重离子线性能量传输和单粒子翻转截面的关系曲线。在公开文献中提取的2种类型182个样本的小规模数据集上，对该模型进行端到端训练和测试，结果表明:该方法能够有效预测大部分场景下的多因素效应单粒子翻转界面，并能对各因素的重要程度给出量化评价，在国产处理器SM750的案例分析中获得了与重离子辐照实验相当的系统失效率上界。与传统方法相比，这种方法不依赖经验参数，具有更广泛的应用场景。
- 2021 Vol. 38(4): 45-51
| [摘要](11) | [PDF](1)- 面向在轨高效实时图像处理的二值权重沙漏网络加速器设计
- 程利甫，徐炜莉，赵启义，段欣欣，蒋仁兴
- 为了实现在轨高速实时图像处理，提出了基于多级预测校准机制及查找表方法的二值权重沙漏网络加速器。首先，提出了一种计算架构来统一支持二值权重及多位宽权重卷积计算;其次，提出了多级预测模型来实现可变精度的高效卷积，基于这2种方法可以将网络的计算量降低77.4%，推理速度提升2.3倍。本文针对残差模块中跳转连接造成的存储访问问题，提出了基于模块计算的流水架构，使得片上存储需求及访存操作分别降低了60%和31%，最终在28 nm工艺下完成了硬件后端设计以及性能分析，该加速器的面积为0.7 mm2。在500 MHz工作频率下，功耗为117 mW，功耗效率达到10.15 TOPS/W，与当前主流二值加速器相比提升2个数量级以上。
- 2021 Vol. 38(4): 52-59
| [摘要](11) | [PDF](4)体系架构与软件技术- 一种基于可重构片上互连的多核处理器架构
- 刘强，苏嘉玮，罗宇，王滔，孙泽渝
- 面向宇航应用，基于可重构片上互连，本文提出了一种新型的多核处理器架构。该架构在锁步技术的基础上进行了改进，利用可重构片上互连使得锁步技术引入的冗余核可以分时复用，以充分发挥多核性能。基于该架构的处理器软件编程，需对任务进行关键等级划分，使得非关键任务可以线程级并行执行，关键任务锁步执行，满足宇航应用对高可靠和高性能的需求。本文给出了该架构基于第五代精简指令集(RISC-V)的一种实现，并进行验证。结果表明:该架构实现了多核处理器在多核锁步和多核并行两种状态之间切换，分别获得高可靠或高性能的特性。
- 2021 Vol. 38(4): 60-67
| [摘要](11) | [PDF](3)- 一种基于控制流解耦的可重构阵列动态调度方法
- 尹琛，彭飞，景乃锋
- 可重构阵列依靠数据流驱动带来的能效优势，被广泛运用在特定领域的运算加速中。随着应用范围的增大，当应用中存在不同控制流区域时，采用传统的空间调度方案同时执行整个数据流图，会由于非一致性控制流的存在，造成严重的性能损失。本文提出一种基于控制流解耦的调度方法，通过将处于不同控制边界的数据流解耦成若干个相互独立的子图交替执行，同时将每个子图进行充分并行展开以提高阵列的计算资源利用率。实验结果表明:在相同面积开销的约束下，利用本文提出的调度方法分别在执行性能和执行能效上，相比于一种典型的静态调度可重构阵列(Plasticine)，分别提高了35%和18%;相比于一种典型的指令调度的可重构阵列(TIA)，分别提高了27%和45%。
- 2021 Vol. 38(4): 68-74
| [摘要](9) | [PDF](1)- 在轨任务规划的新型开发方法
- 关宁，双小川，彭娜，胡浩，田文波
- 作为未来航天器智能化的发展方向，在轨任务规划的实现是一项涉及多个领域知识的复杂软件工程问题，需要与之匹配的先进开发方法。本文基于动态语言和嵌入式操作系统，提出了一种在轨任务规划的开发方法;从需求出发，调研了一组适用于在轨任务规划应用的开源基础库，涉及航天器任务规划、地理信息数据库、地图投影、坐标变换、几何拓扑关系求解、线性规划等多个方面;将这些领域的典型开源库作为中间件移植到高性能星载计算机和嵌入式操作系统上，并进行了功能测试。本文的工作能给后续在轨任务规划系统的设计和实现提供启发和帮助。
- 2021 Vol. 38(4): 75-83
| [摘要](9) | [PDF](7)- 基于动态库的星载软件可重构设计与实现
- 白亮，邱源，韦杰，孙逸帆，高洁
- 针对卫星在轨运行、长期处于无人值守状态，主要依靠星载软件的安全性和可靠性来保证整星任务的稳定工作。复杂多变的空间环境可能会引起星载器件的异常变化，从而导致星载软件异常，甚至发生软件“衰老”。本文在分析现有可重构方案基础上，提出了一种利用动态库的静态链接方式实现在轨可重构的方案，针对存在软件缺陷，或者需要功能升级和拓展的模块，利用遥控上注手段，采用MD5算法对数据文件完整性校验通过后，写入文件系统，并对原动态库文件作备份处理，以便版本回退。以具体实例对本文所述方案的可行性和有效性进行验证，结果表明:在嵌入式操作系统架构下，利用本方案实现星载软件可重构，能够有效提升星载软件在轨实施可重构的可靠性和安全性，进一步为星载软件的扩展和灵活应用提供支撑。
- 2021 Vol. 38(4): 84-91
| [摘要](12) | [PDF](4)航天通信技术- 基于星间链路状态的低轨卫星网络路由算法
- 张路，燕锋，章跃跃，夏玮玮，谢晔，石云墀，沈连丰
- 低轨卫星通信网络可以提供全球覆盖的低延迟服务，但是低轨卫星网络拓扑的频繁变化给路由设计带来了挑战。针对低轨卫星通信网络拓扑快速变化的问题，提出一种基于星间链路状态的路由算法，在卫星的实际坐标和相对位置关系的基础上，建立了逻辑拓扑结构，并计算路由跳数、传输方向和优先级，进而确定路由路径。针对链路故障问题，实时检测链路状态，并利用链路状态信息进行路由修正。在NS3仿真软件中进行仿真验证，结果表明:与传统星间路由算法相比，该算法实施简单，并能有效降低链路故障的影响，使丢包率降低20%，传输时延约为200 ms。
- 2021 Vol. 38(4): 92-100
| [摘要](13) | [PDF](6)- 天地联合测控鲁棒性路由算法
- 夏茹敏，史可懿，何健，李红艳
- 针对未来海量飞行器的测控需求与中继卫星有限资源之间的矛盾，在天地联合组网测控架构的基础上，设计了基于时变图的时延保障鲁棒性路由算法，以满足测控任务低时延、高可靠的通信要求。首先，构建时间扩展图(TEG)，精准表征天地联合网络的时变拓扑、链路时延与业务需求;然后，将时延保障鲁棒性路由问题建模为最短时延备份路径问题，采用贪心思想和增广路径回退机制，设计基于TEG的最短时延备份路径算法，高效获取两条低时延且互为链路备份的端到端路径，为测控业务传输提供鲁棒性保障;最后，分析了时间复杂度并给出算法应用示例。相比于传统备份路由方法，所提算法能够构建时延性能较好的备份路径(仅增加0.01 s)，100%保障单链路失效情况下测控业务传输不中断。
- 2021 Vol. 38(4): 101-108
| [摘要](14) | [PDF](4)- 基于数字多波束星载多通道VDES设计
- 王文伟，张喆，谷晓鹰，刘宇宏，林伟，戴琳
- 阐述了甚高频数据交换系统(VDES)系统产生背景，针对目前普遍存在的系统通信速率受限以及自动识别系统(AIS)时隙冲突问题，提出一种全双工射频通信频段设计方法和时隙冲突解决途径。通过采用多个射频通道以及多个波束合成，利用阵列天线和数字波束合成(DBF)技术，将卫星大覆盖范围划分为多个相互独立区域，缩小单个天线波束视场覆盖范围，减少单波束范围内船舶数量，能有效降低AIS信号时隙冲突。以600 km卫星轨道为例，介绍了8通道及8个波束DBF设计方法，对波束视场和天线增益等进行了仿真计算。结果表明:多波束可覆盖±42°视场角范围，单波束视场角最大为±14°。
- 2021 Vol. 38(4): 109-117
| [摘要](8) | [PDF](3)- 基于CCSDS空间数据链路安全协议的星载遥控认证保护
- 唐利锋，崔阳，刘晓瑞，刘希红
- 在国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)规定的空间遥控系统数据传输体制下，对星载遥控认证保护进行了研究。选择了遥控数据认证保护层次，并设计了认证保护数据范围。针对上行遥控的认证保护机制与国际空间数据系统咨询委员会的空间遥控链路命令操作过程(COP-1)之间存在的“闭锁”风险，设计了重传请求保护机制。基于空间数据链路安全(SDLS)协议体制，提出了一种遥控认证帧结构模型。在该模型中，通过插入随机序列码段，使相同指令/数据帧经认证算法计算后，其结果的非线性度扩大;通过插入毫秒级精度的时间序列码段，抵御重放攻击，并极好地适应不同地面控制中心对航天器的并行控制。提出一种针对遥控认证保护的，涉及“常态”和“应急态”的安全关联(SA)周期管理的方法、密钥生存周期管理的方法，有效实现各虚拟信道的独立保护及密钥的科学管理。同时，提出一种开展星载遥控认证保护业务的算法设计方法。
- 2021 Vol. 38(4): 118-127
| [摘要](9) | [PDF](5)图像处理技术- 基于注意力机制特征重建网络的舰船目标检测
- 牛戈，陈小前，季明江，郭鹏宇，刘勇，冉德超
- 深度学习为遥感领域诸多应用提供了重要的技术支撑，光学遥感图像的舰船目标检测对国防侦察和预警具有重要意义。真实场景中的舰船往往呈不同方向任意排列，且小目标的占比大，经典的深度学习目标检测算法在这种复杂条件下精度低、易漏检。为此，本文设计了基于注意力机制特征重建网络的舰船目标检测算法。首先，通过引入注意力机制对多尺度特征融合网络模型进行训练，以高召回率产生水平锚框;然后，旋转锚框以缓解密集排列目标引起的噪声问题，并利用特征重建模块来缓解特征不对齐的问题，实现模型精炼。在HRSC2016和DOTA数据集上的测试结果表明:舰船目标检测平均精度分别达到90.20和87.52，相比经典的深度学习目标检测算法得到了有效提升，并在模拟星载嵌入式智能图像处理平台上验证了算法在轨应用的可行性。
- 2021 Vol. 38(4): 128-136
| [摘要](15) | [PDF](12)- 基于空间分布特性多层RX高光谱点目标检测
- 张宁，朱浩文，谢少彪，兰先超，陈乾
- 针对目前高光谱图像异常点目标检测过程中准确率低和虚警率高的问题，本文结合目标的空间分布特性，提出了一种多层级RX检测方法。通过计算被检测区域图像谱向相似性响应图，采用非线性抑制的方法，突出点目标并抑制背景。为进一步提高检测算法的表达能力和泛化性能，采用多级检测器级联的方式，逐层级增强异常点处的相对能量，削弱背景的影响，从而达到较高的检测性能。在外场挂飞试验数据集上进行验证，结果表明:该方法AUC值达到0.988 1，明显优于CEM算法的0.962 6和传统RX算法的0.939 2。
- 2021 Vol. 38(4): 137-143
| [摘要](10) | [PDF](4)- 基于HLS的红外遥感图像连通域快速提取方法
- 成昊天，丁荣莉，胡博文，李杰，李焱，欧阳尚荣
- 连通域提取是红外遥感图像目标检测算法中的重要组成部分，包含在粗检算法中，能够筛去多数虚警，提升粗检效果，减少检测算法的运算量，降低系统功耗。现有的一些连通域提取算法基于CPU处理方式设计，不适合部署在现场可编程逻辑门阵列(FPGA)硬件端。本文采用高层次综合(HLS)的开发模式，设计了适合FPGA加速的连通域提取方法，相比传统的硬件描述语言开发方法具有更高的灵活性和效率。通过只扫描一次二值图像，将面积、范围和连通信息均记录在远小于图像的等价表中，通过简化标记规则和等价表刷新的方法，既提高了运算速度又节省了大量缓存，最终在硬件平台实测256×256的8 bit图像达到了797 帧/s的处理速度。
- 2021 Vol. 38(4): 144-151
| [摘要](14) | [PDF](3)- 星上高光谱图像无损压缩方法
- 舒锐，武少林，龚伟，陈阳，张天序
- 针对星上高光谱图像压缩问题，本文从消除高光谱图像的谱间与谱内空间冗余信息入手，提出了基于KLT与自由无损图像格式(FLIF)算法的高光谱图像无损压缩算法。KLT用于去除图像的谱间冗余信息，FLIF算法的MANIAC决策树能够在压缩过程中动态更新上下文环境内容，实时调整上下文环境的数量，多上下文环境建模的设计大幅提升了压缩性能。仿真实验表明:在高分五号卫星上的高光谱数据集上，本方案取得了不错的压缩比特率结果。此外，针对KLT变换后图像的特点，本文提出了多压缩器灵活切换的加速方法，在可见光波段让压缩耗时缩短为未优化前的1/5。
- 2021 Vol. 38(4): 152-160
| [摘要](10) | [PDF](1)
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