一种智能微纳卫星的制作方法

本发明涉及卫星技术领域，特别是涉及一种智能微纳卫星。

背景技术

随着集成电路与微系统、新材料、计算机、软件、即插即用、综合化电子系统等技术的发展，及其在微纳卫星平台上的大量应用，给微纳卫星的设计带来了新的机遇和挑战。得益于微纳卫星中的立方体卫星规范和标准的普及，以及一箭多星、空间站释放等多种发射模式，使得微纳卫星技术及应用服务得以很快发展，已经从技术试验发展到业务应用，其提供的服务在全球商业航天市场占据重要地位。

传统微纳卫星设计方法，平台和载荷严格划分，计算单元大多是cpu架构，卫星完成的功能和服务在设计阶段已经固化，卫星核心软件固化在部组件存储单元，不适合快速更改相应软件和功能，此外，卫星本身的智能化水平还有很大发展空间。

技术实现要素：

本发明提供了一种智能微纳卫星，以解决现有技术卫星的智能化水平有待提高的问题。

本发明提供了一种智能微纳卫星，包括：

环境保障单元，用于使智能微纳卫星在空间辐照和极端温度环境下正常工作；

行动控制单元，用于使智能微纳卫星在空间轨道保持预设姿态和预设变轨机动操作；

规划决策单元，用于使智能微纳卫星根据探测感知信息进行在轨计算处理，任务规划、任务管控和飞行规划；

网络通信单元，用于使智能微纳卫星与其他卫星、卫星地面站进行数据交换；

探测感知单元，用于智能微纳卫星进行射频频段感知、空间、临近空间、空中、地面、水面等各类目标感知；

应用服务单元，用于给空间、临近空间、空中、地面、水面用户提供通信、导航、遥感和技术试验服务。

进一步地，所述探测感知单元进一步包括射频感知模块和目标感知模块；

所述射频感知模块包括多个软件定义无线电平台，分别进行射频频段感知，进行各频段检测和存储；

所述目标感知模块包括多个可编程成像仪，分别进行空间、临近空间、空中、地面和水面目标感知和存储。

进一步地，所述规划决策单元包括飞控软件平台、硬件计算平台和支撑单元。

进一步地，所述硬件计算平台进一步包括cpu模块、gpu模块、npu模块和xpu模块；

所述cpu模块包括多个计算处理单元，用于进行智能微纳卫星各部组件信息处理、智能微纳卫星计算、存储、能源、网络资源综合处理和诊断监控、各类任务所需资源的处理和规划、各类任务的管理和控制、姿态和变轨的计算和处理计算处理任务；

所述gpu由多个图像处理单元集成，用于进行智能微纳卫星各级各分辨率图像类数据的处理；

所述npu模块由多个神经网络处理单元集成，用于进行射频识别模型计算、目标识别模型计算和矩阵计算处理；

所述xpu模块由多个未知处理单元集成，以供模块拓展。

进一步地，所述飞控软件平台进一步包括平台抽象层、系统服务层和应用层；

其中，所述平台抽象层由裁剪过的轻量级linux操作系统及驱动程序构成；

所述系统服务层由软件总线、时间服务、事件服务、控制服务和上传服务中间服务模块组成；

所述应用层由共性的可重复使用的app和跟任务相关的app组成。

进一步地，所述应用服务单元进一步包括通信服务模块和遥感服务模块。

进一步地，通信服务模块，用于为用户进行数据传输、数据中继和网络交换服务；

遥感服务模块，用于为用户进行各类不同空间的目标识别、态势感知和图像大数据服务

进一步地，射频感知模块和通信服务模块是以软件定义无线电平台为基础，通过编程改变任务功能，进行模块功能重构。

进一步地，目标感知模块和遥感服务模块是以可编程的成像仪为基础，通过编程改变任务功能，进行模块功能重构。

本发明有益效果如下：

本发明通过设计智能微纳卫星软硬件架构，主要包含探测感知单元、规划决策单元、行动控制单元、应用服务单元、网络通信单元和环境保障单元，通过能源和数据总线进行网络联接，具有分布式综合化模块化特点，结合机器学习等人工智能技术，解决卫星自主感知决策行动等智能化问题。

附图说明

图1是本发明实施例的一种智能微纳卫星的结构示意图；

图2是本发明实施例的智能微纳卫星各单元内部构成框图；

图3是本发明实施例的探测感知单元组成框图；

图4是本发明实施例的规划决策单元组成框图；

图5是本发明实施例的硬件计算平台组成框图；

图6是本发明实施例的飞控软件平台组成框图；

图7是本发明实施例的应用服务单元组成框图；

图8是本发明实施例的智能微纳卫星应用拓展流程图；

图9是本发明实施例的射频机器学习软件训练流程图；

图10是本发明实施例的射频机器学习软件工作流程图；

图11是本发明实施例的射频自主配置软件工作流程图；

图12是本发明实施例的射频机器学习软件训练流程图；

图13是本发明实施例的目标识别软件工作流程图。

具体实施方式

为了解决现有技术卫星的智能化水平不高的问题，本发明提供了一种智能微纳卫星，本发明通过设计智能微纳卫星软硬件架构，主要包含探测感知单元、规划决策单元、行动控制单元、应用服务单元、网络通信单元和环境保障单元，各单元进行综合化模块化，并通过能源和数据总线进行网络联接，分布式部署，结合机器学习等结合人工智能技术，解决卫星自主感知决策行动等智能化问题。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

本发明实施例提供了一种智能微纳卫星，参见图1，该卫星包括：

环境保障单元，用于使智能微纳卫星在空间辐照和极端温度环境下正常工作；

行动控制单元，用于使智能微纳卫星在空间轨道保持预设姿态和预设变轨机动操作；

规划决策单元，用于使智能微纳卫星根据探测感知信息进行在轨计算处理，任务规划、任务管控和飞行规划；

网络通信单元，用于使智能微纳卫星与其卫星、地面站进行数据交换；

探测感知单元，用于智能微纳卫星进行射频频段感知、空间、临近空间、空中、地面、水面等各类目标感知；

应用服务单元，用于给空间、临近空间、空中、地面、水面用户提供通信、导航、遥感和技术试验服务。

也就是说，本发明实施例通过设计智能微纳卫星软硬件架构，主要包含探测感知单元、规划决策单元、行动控制单元、应用服务单元、网络通信单元和环境保障单元，各单元进行综合化模块化，并通过能源和数据总线进行网络联接，分布式部署，结合机器学习等结合人工智能技术，解决卫星自主感知决策行动等智能化问题。

具体来说，本发明实施例智能微纳卫星包含探测感知单元、规划决策单元、行动控制单元、网络通信单元、环境保障单元和应用服务单元，各单元可通过i2c、can、1553b、spacewire等主流数据总线和能源总线进行网络连接，如图1所示，各单元内部组成见图2。

环境保障单元，主要保障智能微纳卫星在空间辐照、极端温度等恶劣空间环境下可以正常工作，包含结构热控分系统、能源供配电分系统等。

行动控制单元，主要用于智能微纳卫星在空间轨道保持需要的姿态和变轨机动操作，包含姿态控制分系统和推进分系统。

规划决策单元，主要用于智能微纳卫星根据探测感知信息，在轨进行高效计算，进行任务灵活规划和自主管控、飞行自主规划，包含飞控软件平台、硬件计算平台和所需共性平台。

网络通信单元，主要用于智能微纳卫星与其他卫星、地面站进行网络通信，包含通信收发机和天线等。

探测感知单元，主要用于射频频段感知、各类目标感知等，包含射频感知模块、目标感知模块和其他感知模块。

应用服务单元，主要用于给空间、临近空间、空中、地面、水面等用户提供通信、导航、遥感等服务，包含通信服务模块、遥感服务模块和其他服务模块。

具体实施时，本发明实施例所述探测感知单元进一步包括射频感知模块和目标感知模块；

其中，本发明实施例所述射频感知模块包括多个软件定义无线电平台，分别进行射频频段感知，进行各频段检测和存储；所述目标感知模块包括多个可编程成像仪，分别进行空间、临近空间、空中、地面和水面目标感知。

进一步地，本发明实施例所述规划决策单元包括飞控软件平台、硬件计算平台和支撑单元。

其中，所述硬件计算平台进一步包括cpu模块、gpu模块、npu模块和xpu模块；

所述cpu模块包括多个计算处理单元，用于进行智能微纳卫星各部组件信息处理、智能微纳卫星计算、存储、能源、网络资源综合处理和诊断监控、各类任务所需资源的处理和规划、各类任务的管理和控制、姿态和变轨的计算和处理计算处理任务；

所述gpu由多个图像处理单元集成，用于进行智能微纳卫星各级各分辨率图像类数据的处理；

所述npu模块由多个神经网络处理单元集成，用于进行射频识别模型计算、目标识别模型计算和矩阵计算处理；

所述xpu模块由多个未知处理单元集成，以供模块拓展。

所述飞控软件平台进一步包括平台抽象层、系统服务层和应用层；

其中，所述平台抽象层由裁剪过的轻量级linux操作系统及驱动程序构成；

所述系统服务层由软件总线、时间服务、事件服务、控制服务和上传服务中间服务模块组成；

所述应用层由共性的可重复使用的app和跟任务相关的app组成。

具体实施时，本发明实施例所述应用服务单元进一步包括通信服务模块和遥感服务模块。

本发明实施例所述通信服务模块，用于为用户进行数据传输、数据中继和网络交换服务；

遥感服务模块，用于为用户进行各类不同空间的目标识别、态势感知和图像大数据服务

具体实施时，本发明实施例射频感知模块和通信服务模块是以软件定义无线电平台为基础，通过编程改变任务功能，进行模块功能重构。目标感知模块和遥感服务模块是以可编程的成像仪为基础，通过编程改变任务功能，进行模块功能重构。

探测感知单元、规划决策单元和应用服务单元的智能化水平，代表着微纳卫星的智能特征，其他属于卫星共性单元。

探测感知单元由射频感知模块、目标感知模块以及其他感知模块组成，具体地，射频感知模块由多个软件定义无线电平台构成，目标感知模块由多个可编程成像仪构成，其他感知模块，由多个未知感知载体构成，方便后续感知拓展，如图3所示。

规划决策单元由飞控软件平台、硬件计算平台和支撑单元运行的模块如存储模块、交换模块、管理模块等共性平台构成，如图4所示。

硬件计算平台由cpu模块、gpu模块、npu模块和其他xpu模块组成，具体地，cpu模块由多个计算处理单元集成，gpu由多个图像处理单元集成，npu模块由多个神经网络处理单元集成，xpu模块由多个未知处理单元集成，方便后续模块拓展，如图5所示。

飞控软件平台由平台抽象层、系统服务层和应用层组成，其中平台抽象层主要由裁剪过的轻量级linux操作系统及驱动程序构成，系统服务层由软件总线、时间服务、事件服务、控制服务和上传服务等中间服务模块组成，应用层由共性的可重复使用的app和跟任务相关的app组成，如图6所示。

应用服务单元由通信服务模块、遥感服务模块以及其他服务模块组成，具体地，具体内容构成与射频感知模块、目标感知模块一样，如图7所示。

射频感知模块和通信服务模块是以软件定义无线电平台为基础，可通过编程改变任务功能，完成模块功能重构。同样，目标感知模块和遥感服务模块是以可编程的成像仪为基础，亦可通过编程改变任务功能，完成模块功能重构。

智能微纳卫星工作流程：按照预先设置的基础服务软件进行工作，主要提供应用服务，次要进行探测感知；在轨工作时，可根据探测感知的结果，由规划决策单元完成任务灵活调度规划、自主管控和自主飞行规划，通过行动控制单元和网络通信单元分别进行机动和网络通信，完成应用服务模式转变或功能增强、探测模式转变或功能增强，实现微纳卫星环境感知、规划决策到行动应用的智能化自主性运行。

智能微纳卫星应用拓展流程：地面任务管控中心，根据新的任务需求，按照星载软件环境要求，在地面同样的硬件环境下开发、调试、编译、生成软件，通过无线链路上传软件和上注加载指令，由规划决策单元完成任务调度，动态加载软件，调整应用服务单元或探测感知单元任务切换，完成模块功能重构。工作流程如下图8所示。

射频感知模块利用射频机器学习软件，通过采集到的射频大数据，基于机器学习算法进行空间射频频谱特征训练学习，建立射频识别模型。进而利用模型从复杂的无线电信号环境中，识别各种已知的射频波形以及未遵守规则的波形，进而确定自身哪些波形可以使用；利用射频自主配置软件选择一种可用的射频波形，通过编程配置软件无线电平台，对信号进行合成，完成射频感知任务。射频机器学习软件训练流程如图9，射频机器学习软件工作流程如图10，射频自主配置软件流程如图11。

目标感知模块利用利用空间目标图像学习软件，通过采集到的空间图像大数据，基于机器学习算法进行空间目标特征训练学习，建立图像识别模型。利用目标识别软件利用图像识别模型对所采集的图像数据进行识别，确定目标位置、类型、尺寸等属性状态信息，完成目标感知任务。空间目标图像学习软件流程如图12，目标识别软件工作流程如图13。

总体来说，本发明实施例至少能够带来以下的有益效果：

1、按照探测感知单元、规划决策单元、行动控制单元、应用服务单元、网络通信单元和环境保障单元等六个单元逻辑上重新定义微纳卫星软硬架构。

2、对探测感知单元进行了硬件、软件流程等详细设计，通过编程实现探测感知功能增强或转变到应用服务功能。

3、对规划决策单元进行硬件模块、软件模块、工作流程等详细设计，所设计软硬件架构，可支撑人工智能算法在微纳卫星中应用。

4、这种架构的微纳卫星可自主进行任务管控、功能自定义改变，在一定程度上打破卫星专用性。

5、采用智能微纳卫星架构可加快卫星研制速度，节省成本，同时方便维修。

也就是本发明提出了一种智能微纳卫星软硬件架构，在环境保障单元和网络通信单元的支撑下，利用探测感知单元，对卫星周围的射频波形和目标图像进行探测识别，感知周围环境信息，规划决策单元利用感知的环境信息进行任务规划、自主管控，对行动控制单元进行轨道机动，对应用服务单元的服务进行决策，从而完成感知、决策到行动的智能自主链条，解决卫星智能化问题。有助于缩短卫星软件研制周期、降低卫星研发成本，为在轨维护与智能服务创造更好的条件；有助于加快卫星产品的升级换代，对新的重大航天任务需求进行更为快速的响应。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。