复旦大学科研团队研发“芯云”技术
发布时间:2017-12-05  浏览次数:0
 

北京时间2017年11月15日凌晨2时35分,我国风云三号04星(FY-3D)在太原卫星发射中心由长征四号丙运载火箭成功发射升空,将卫星送入预定轨道。而由复旦大学自主研发的“芯云”智能芯片首次随长征四号丙运载火箭一同进入太空。

新突破:太空垃圾 变废为宝

在以往各国每一次的火箭发射后,随着一级火箭、二级火箭以及整流罩的脱落并返回地面,末子级火箭会随着它的有效载荷一同进入轨道,并长期在太空中占据宝贵的轨道资源,对在轨空间飞行器造成安全威胁,是目前体量最大的太空垃圾,也是国际社会共同关心的一个问题。

为了解决这一困扰,由复旦大学信息科学与工程学院微纳系统中心、上海智能电子与系统研究院、复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室、上海宇航系统研究所和下属上海埃依斯航天科技有限公司等组成的研究团队经过长达两年多时间的联合攻关,对常规微纳卫星功能模块高度集成化与芯片化,硬件资源可重构和智能化设计,使其重量降至30克以内,整机结构重量降低到1.1千克。复旦大学无锡研究院参与了具体的工程实施。

复旦大学研究团队

据团队组长、项目总体专家、复旦大学信息科学与工程学院教授郑立荣介绍,通过在末子级上安装这种轻巧便携的智能芯片系统,团队将原本的火箭末子级改造成极低成本的科学实验和通信平台,实现太空垃圾“变废为宝”。

本次发射,复旦大学与航天八院双方研究人员巧妙地安装了多组这种芯片系统,建成了首个末子级留轨智能应用平台,开展天基物联网实验。在火箭发射任务相对频繁的当下,这种方法具有发射周期短、在轨数量多、载荷成本低等众多优势,对构建未来多轨道天基信息网络具有重要的价值。

新实验:自主容错 能量自治

本次火箭末子级载荷板采用了复旦大学自行设计的“芯云一号”片上智能系统芯片 (SoC)。该SoC集成了传感器接口、数字采样、高可靠处理器、多种信息加密技术、智能电源管理技术,以及丰富的数据接口和网络通信协议等,是一款集成度高、功能完备、自主可控的芯片卫星SoC。

复旦大学研发团队长期致力于建立具有类脑自主容错能力的计算模型和拓扑架构。受脑可塑性原理启发,团队在全球最早提出了类脑自主容错概念并用于高可靠系统芯片研发。研究表明,这种架构与传统多模冗余技术更具可靠性但功耗和芯片面积可以大大减少。同时,团队通过对专用指令集定制组合优化、运算单元阵列和内存访问层次重构等,大大增加数据复用率,减少数据搬移,从而提高了片上资源的整体使用效率,降低系统功耗。相关研究成果已在《IEEE电路与系统汇刊》《IEEE系统芯片国际会议》等发表。

本次在轨试验将对芯片的自主容错、动态重构、能量自治等功能进行验证。团队成员、复旦大学信息科学与工程学院微纳系统中心邹卓研究员说:“如实验成功,系统有望完全摆脱备用电池,仅需几片数个厘米大小的太阳能板就可实现能量自治”。

目前,该研究项目得到了上海市科委等部门的大力支持。

新应用:有效监测 万物互联

利用火箭末子级平台,复旦大学和航天八院联合开展了低功耗天基广域物联网实验。利用物联网精准监测了火箭末子级本身的飞行轨迹,测量了周边的空间环境以及长期在轨姿态演化规律,并对系统芯片自身功耗和平台能源管理等进行了系列实验和验证。

“截至2017年12月4日,该系统已经在轨运行430小时。运行期间,物联网试验节点与地面网络通信稳定,回传空间监控数据以及接收地面控制指令等功能运行如初、状态良好。”团队成员、复旦大学信息科学与工程学院微纳系统中心副教授秦亚杰兴奋地说。根据预定计划,团队已经完成了在轨核心关键技术试验与验证,并转入到在轨长管阶段当中。随后双方研究团队将进一步开展组网和路由、传输控制协议、流媒体分发等系列实验,并对芯片的自主容错、动态重构、能量自治等功能进行验证,对太空碎片的行为模型进行分析。

研究人员在太空测评工程中心现场

据项目指导、中国科学院院士、复旦大学电磁波信息科学教育部重点实验室主任金亚秋介绍, 随着我国“一带一路”倡议和海洋强国战略的实施,利用广域物联网对我国偏远地区、外围海域、热点地区等进行识别和监控的需求日益迫切。然而由于受到地球曲率的影响,地面和岸基物联网系统可覆盖的范围相对较小。我们的“芯云”技术能够覆盖视线外的广大区域,犹如伸出一条巨大的手臂,可操控与伸展的范围大大增加。

此次由复旦大学和航天八院利用各自优势资源打造的新型物联网载荷系统,作为地面物联网的有益补充,可以低成本地实现天、空、地、海大尺度的万物互联,提供大数据应用与相关服务,为我国后续在天基物联网、空间碎片监测、空间环境探测、高空地磁测绘等研究打下了坚实的技术基础,同时也是对火箭的回收利用和太空碎片处理这项国际性公共难题的一次巧妙而极具意义的尝试。

(封面制图:方圆)