Visionsbaserad navigering har blivit allt viktigare i en rad olika rymdtillämpningar för att öka självständigheten och tillförlitligheten. Framtida uppdrag, såsom aktiv skräpborttagning för remediating den låga jord omloppsmiljön, kommer att förlita sig på nya högpresterande avionik för att stödja avancerade bildbehandlingsalgoritmer med betydande arbetsbelastning. När man utformar nya avioniska arkitekturer innebär dock begränsningar i fråga om användning av elektronik i rymden stora utmaningar, vilket förvärras ytterligare av behovet av betydligt snabbare bearbetning jämfört med konventionella centralprocessorer i rymdklass. Med det långsiktiga målet att designa högpresterande inbyggda datorer för rymden, i detta papper, en utökad studie och kompromissanalys av en mängd olika datorplattformar och arkitekturer (dvs., centrala bearbetningsenheter, multicore digitala signalprocessorer, grafik bearbetningsenheter, och fältprogrammerbara gate arrayer) utförs med strålningshärdad och kommersiell off-the-shelf-teknik. Sammantaget omfattar studien mer än 30 enheter och 10 riktmärken, som väljs efter att ha utforskat de algoritmer och specifikationer som krävs för visionsbaserad navigering. Den nuvarande analysen kombinerar litteraturundersökning och intern utveckling/testning för att få en ansenlig och konsekvent bild av alla möjliga lösningar. Resultaten visar bland annat att vissa 28nm system-on-chip-enheter presterar snabbare än rymdklass och inbyggda processorer med 1-3 storleksordningar, samtidigt som de konsumerar mindre än 10 Watts. FPGA-plattformar ger högsta prestanda per Watt-förhållande. Vision-baserad navigering (VBN) ger robotsystem med förmågan att styra sig själv autonomt i en okänd miljö genom att använda aktiva eller passiva bildsensorer för att uppfatta sin omgivning. Vision tillämpningar i rymden varierar från rover prospektering på Mars med samtidig lokalisering och kartläggning, till Moon landning med landmärke spårning och riskundvikande, och till rymdfarkoster närhet verksamhet med pose uppskattning av kooperativa eller icke-operativa banor mål. Men de ständigt ökande kraven på beräkning av dessa möjliggörande tekniker utmanar nu den klassiska fordonsbaserade databehandlingen, både när det gäller arkitektur och processorkraft. Ett exempel där detta blir särskilt uppenbart gäller aktivt borttagande av skräp (ADR) scenarier, vars syfte är att aktivt avlägsna tunga skräpföremål genom att fånga dem och sedan antingen bortskaffa dem genom destruktiv återinträde i atmosfären eller flytta dem till kyrkogårdens omloppsbanor [1]. I framtida ADR uppdrag måste jagare rymdfarkoster, bland annat, förlita sig på HD-kameror och komplexa datorseende algoritmer utför bildfunktion extraktion, matchning, 3D rekonstruktion, spårning, etc., med hög bildhastighet. Med tanke på kraven på snabb och exakt autonom relativ navigering ökar klyftan mellan algoritmisk komplexitet och konventionella processorer av rymdkvalitet snabbt och kräver nya högpresterande inbyggda datorer i rymden. Conventional Avionics Architecture 2 Classical on-board datahantering [2] är baserad på en central ombord dator (OBC) ansluten till olika plattformsundersystem, såsom radiokommunikation, attityd och omloppskontroll (AOCS), nyttolaster, etc. (Fig. 1 )............................................................................................................... Oftast innebär det interna kommunikationsnätet en seriebuss med hög dataintegritet, dvs. militärstandarden 1553 eller CAN-bussen (controller area network) vid cirka 1 Mbps. OBC har två primära funktioner, nämligen att avkoda telekommandon och att fungera som den centrala terminalen för rymdfarkosten. I få fall hanterar OBC även nyttolastdata, t.ex. för en fjärranalysapplikation som annars skulle kräva en separat processor. De perifera terminalerna är fristående enheter eller inbäddade i rymdfarkostens instrument. De mer komplicerade av dessa instrument inkluderar sin egen inbyggda processor för att stödja intelligenta styrenheter (ICU), sofistikerade fjärrbussgränssnitt och specialiserad vetenskaplig databehandling, som normalt kräver högre prestanda än OBC [2]. Ibland samlas instrumentdata in av ett oberoende "datahanteringssystem för belastning" som stöder relativt höga datahastigheter. Rutinmässiga rymdfarkoster uppgifter som attitydkontroll, hushåll rapporter, kommando avkodning och systemhantering, kräver mycket lite processorkraft, som kan tillhandahållas även av enkla 8-bitars microcontrollers [2]. Mer krävande uppgifter, såsom nyttolastprogramvara, intensiv digital signalbehandling (t.ex. tids-/frekvensdomänfiltrering, komprimering, extrahering och matchning av funktioner), dataformatering, felkontroll eller kryptering, utförs på mer avancerade mikroprocessorer. Sådana uppgifter inom nyttolaster/experiment kan ha en särskild styrenhet som är kopplad till plattformen, under realtidsdrift, för att mata ut data i källpaketformat. Deras regulator kommer vanligtvis att vara en vanlig mikroprocessor, såsom SPARC-baserad LEON, en digital signalprocessor (DSP) anordning, såsom TSC21020F, eller, i mer extrema fall, även en applikationsspecifik integrerad krets (ASIC). Perifera stödenheter, som universella asynkrona mottagare och sändare (UART), dynamiska slumpmässiga minne (DRAM) regulatorer, I/O-styrenheter, och kommunikationsenheter, har anpassade implementationer på fältprogrammerbar teknik [2]. Hittills har de ovan nämnda datorerna huvudsakligen varit av rymdteknik och därmed betydligt långsammare jämfört med sina nuvarande motsvarigheter på land, och släpat efter dem med 1 – 2 storleksordningar i prestanda [2] [3] [4]. Den senaste tidens utveckling inom rymdindustrin driver den fordonsbaserade bearbetningskraften och lagringen mot markbundna industriella metoder [2]. Målet är att stödja mer komplex dataorganisation, självständigt beslutsfattande, intensiv signalbehandling och multitasking samt samordning av stora distribuerade utvecklingsteam. Kommersiell-off-the-shelf (COTS) utrustning konkurrerar med konventionella rad-hårda komponenter genom att erbjuda fördelarna med högre prestanda, snabbare/billig utveckling, enkel underhåll, off-the-shelf utvecklingssystem och bearbetning/kommunikation bibliotek, inbyggd filhantering, multitasking och inter-task kommunikation, och programvara tillförlitlighet [2]. På senare tid har användningen av COTS i hög tillförlitlighet rymdtillämpningar ökar och sträcker sig från minneschips i flaggskepp planet Explorers till olika delar i Pico-nano Sats [4]. Operativa konstellationer av de senare tillhandahåller för närvarande användbara tjänster baserade på COTS som har valts ut 4 och testats för att uppfylla vissa uppdragskrav [5]. ESA:s färdplaner [6] visar på en framväxande trend mot antagande av COTS, medan USA aggressivt går mot att acceptera COTS-chips i rymden. Detta framgår också tydligt av institutionella uppdrag, t.ex. av ESA och CNES som har flera verksamheter med kommersiella Xilinx Zynq-enheter för bearbetning. På nedåtsidan kan COTS-anordningar, när de är utplacerade i rymden, allvarligt skadas av de hårda miljöförhållandena vid högvakuum, extrema temperaturer och höga nivåer av joniserande strålning, eller till och med av vibrationerna under uppskjutningen. Rymdanvändare överväger att tillämpa begränsningsmetoder, t.ex. redundans, för att hantera skadan och öka tillgängligheten/tillförlitligheten hos dessa komponenter under flygning [3, 6]. Mer specifikt [2], men med mycket låg sannolikhet, plastmaterial kan outgas under vakuum eller orsaka elektrostatisk urladdning. Termiskt sett kan många COTS-enheter endast arbeta inom ett begränsat temperaturområde, t.ex. −30 o till +70 o C, som måste modereras inom en rymdfarkost. Strålningsmässigt kommer en icke rad-hård COTS-enhet att drabbas av totala doseffekter (TDE) och enstaka händelseeffekter (SEE) på grund av de instängda partiklarna i Van Allen-bältena som omger jorden, de galaktiska kosmiska strålarna som härrör från djuprymden och de solflammande partiklarna [7]. I allmänhet [2] bör avionik vara tolerant mot 10–50 kRad total joniseringsdos (TID) för LEO-uppdrag och 100–300 kRad för MEO/GEO-uppdrag. Särskilt för kortvariga uppdrag i LEO:s omloppsbana, t.ex. som i ett ADR-scenario, skulle dock de ovan nämnda strålningseffekterna kunna tolereras även för COTS på grund av det skydd som erbjuds av jordens magnetfält och den begränsade exponeringstiden.
Behovet av ombordkartläggning och terränganalyskapacitet är allmänt accepterat men resursbegränsningarna för processorer i rymdklass har hindrat genomförandet av dessa beräkningskrävande moduler REF.
High-Performance Embedded Computing in Space: Evaluation of Platforms for Vision-Based Navigation
{'venue': None, 'journal': 'Journal of Aerospace Information Systems', 'mag_field_of_study': ['Engineering']}