2. 星上处理系统需求捕获与指标分解

星上处理系统的设计起点不是处理器选型，而是需求捕获。任务载荷的探测体制决定了数据的形式与规模，数据率决定了链路与存储的压力，时延与精度决定了处理算法的实时性与可信度，功耗与热耗则决定了整星的资源边界。这些约束彼此耦合，必须自上而下逐层分解，才能形成可验证、可分配、可追溯的系统级与分系统级指标。

一、从探测体制出发捕获原始需求

不同探测体制产生的数据形态差异极大。以合成孔径雷达（SAR）为例，其原始回波为复数采样，距离向与方位向均需脉冲压缩，数据率与分辨率、测绘带宽、脉冲重复频率直接相关；而光学多光谱相机输出的是按行扫描的像素流，数据率主要由像元数、量化位数、帧频和谱段数决定。需求捕获的第一步，是明确载荷的物理输出接口：是原始回波、还是已做部分预处理的图像数据，是连续流还是突发帧。

以某型多光谱载荷为例，假设其探测器为 4096 像元×32 谱段，量化位数 12 bit，行频 8 kHz。则单行数据量为 4096×32×12 bit = 1.572864 Mbit，对应原始数据率约为 1.572864 Mbit×8000 = 12.58 Gbit/s。若采用 2:1 无损压缩，则进入星上处理链的数据率约为 6.29 Gbit/s。这个数字就是后续所有指标分解的源头。

二、系统级指标的确定

系统级指标描述整星处理系统对外呈现的能力边界，通常包括：最大输入数据率、最大输出数据率、端到端处理时延、处理精度（如辐射精度、几何定位精度）、整机功耗、质量与体积上限、可靠性（寿命、单粒子翻转容忍度）等。这些指标必须与载荷、数传、平台电源和热控专业协商确定，不能由处理分系统单方面决定。

例如，若数传下行能力为 2 Gbit/s，而载荷原始数据率为 12.58 Gbit/s，则系统级压缩比至少为 6.29:1 才能匹配。若要求端到端时延不超过 300 ms，则从数据进入处理板到压缩码流输出，必须在该窗口内完成辐射校正、几何粗校正、压缩打包等全部操作。系统级指标一旦确定，就成为分系统指标分解的约束条件。

三、分系统级指标的分解方法

分系统级指标必须满足三个条件：可分配、可验证、可追溯。可分配意味着每个指标都能落到具体的硬件板卡、FPGA 逻辑或软件模块上；可验证意味着存在明确的测试点与判据；可追溯意味着每个分系统指标都能向上映射到某条系统级指标。

以时延分解为例。系统级端到端时延要求为 300 ms，处理链包含采集、预处理、压缩、打包输出四个环节。按照经验分配，采集与缓存占 40 ms，辐射校正与几何粗校正占 80 ms，压缩编码占 120 ms，打包与输出占 60 ms，合计 300 ms。每个环节的时延指标再进一步分解到 FPGA 流水线级数、DDR 访问次数和算法迭代次数。例如压缩编码的 120 ms 可分解为：分块与变换 30 ms、量化与熵编码 70 ms、码流组织 20 ms。这种逐层分解使每个模块的设计目标清晰可测。

数据率分解同样需要细化。12.58 Gbit/s 的原始数据率进入采集接口后，若采用 16 通道并行 LVDS，每通道速率约为 786 Mbit/s，接口时序余量需要按 20% 预留。预处理后的数据率若仍为 12.58 Gbit/s，则压缩模块的输入带宽必须匹配；压缩后输出 2 Gbit/s，则输出接口可采用 4 通道 SerDes，每通道 500 Mbit/s。这些数字直接决定了 FPGA 的 IO 标准、PCB 走线层数和连接器选型。

四、精度与功耗的约束传递

精度指标通常以辐射精度和几何精度表述。辐射精度要求 5%，意味着辐射校正算法中的定标系数误差、暗电流扣除残差、非均匀性校正残差之和不得超过 5%。若探测器非均匀性为 3%，则算法校正后残差需控制在 2% 以内。这一指标会传递到定标数据存储精度、乘法器位宽和累加器位宽的设计上。例如，若采用 16 bit 定点运算，量化误差约为 1/65536，远小于 2% 的要求，但若中间累加采用 12 bit，则可能因截断误差超标。

功耗约束的传递更为直接。整机功耗 45 W，其中处理板 25 W、存储板 8 W、电源转换损耗 7 W、其他 5 W。处理板 25 W 再分解到 FPGA 动态功耗、DDR 功耗、接口功耗和辅助电路。若 FPGA 动态功耗预算为 15 W，则逻辑资源利用率、时钟频率和翻转率必须受限。此时可能需要降低并行度或采用时钟门控，而这又会影响时延指标，形成功耗与性能的折中。

五、形成指标分配表

需求捕获与指标分解的最终交付物是一份指标分配表。表中每一行包含：指标名称、系统级要求值、分系统分配值、验证方法、测试点、责任模块、备注。以下为示例片段，参数为教学假设，非实测数据。

指标分配表不是一次成型的。在方案设计阶段，它用于指导架构设计；在详细设计阶段，它用于约束模块实现；在测试阶段，它用于逐项验证。任何一项指标在测试中不满足，都需要沿分配路径回溯，判断是分配不合理、实现有缺陷，还是系统级指标本身需要重新协商。需求捕获与指标分解因此不是一次性活动，而是贯穿研制全过程的迭代闭环。