Hardware architectures of aerospace data systems for on-board hyperspectral image data processing/compression

Abstract

Earth remote sensing is a crucial technique for gathering information about the planet’s surface, water areas and atmosphere. Hyperspectral imaging records data in continuous spectral bands, allowing the detailed characterization of materials and physical features. These systems generate huge amounts of data (hundreds of GBs per day), necessitating the need for efficient compression to optimize bandwidth usage and support real-time applications.Modern space missions demand sophisticated in-flight data processing techniques. Processing platforms range from general-purpose CPUs to specialized Radiation-Hardened-By-Design (RHBD) processors and Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs). FPGAshave proven exceptionally well suited for space applications due to their excellent energy efficiency and high computing capabilities, achieving data rates that can exceed 1 Gbps. Hyperspectral data compression requires specialized algorithms that exploit spectral and spatial correlation. The CCSDS 123.0 standard is a prediction-based algorithm developed specifically for the compression of multispectral and hyperspectral data. The CSDS123.0-B-2 version extended the capabilities of the standard by introducing near-lossless compression and a new Hybrid Entropy Coder. The first contribution of the thesis focuses on the design and implementation of the Hybrid Entropy Coder architecture, including all pixel orderings (BIP, BIL, BSQ) of the CCSDS standard, consisting of specialized submodules with data pipelining for 1 sample/cycle performance. The architecture implemented in Xilinx Kintex Ultrascale XQKU060 FPGA achieves stable performance of 305 MSamples/s (@16 bpppb), consuming 2.05% LUTs (5086), 0.89% DSP (17) and 0.08% BRAM (1) for the dimensions of the AVIRIS instrument. The second contribution concerns the variation of the CCSDS 123. 0-B-2 standard with external quantization and the implementation of a high-performance 6-core parallel architecture by segmenting the hyperspectral cube towards the direction of the horizontal axis. The modification of the standard with external quantization has been proven to offer similar quality and compression performance to the original standard, while the implementation of the architecture in a Xilinx Kintex Ultrascale XCKU040 FPGA achieves 285 MSamples/s (4.56 Gbps) @ 1.68W for one core and 1590 MSamples/s (25.44 Gbps) @ 6.12W for six cores. This work demonstrates that high compression efficiency can be achieved with simplified architectures that avoid complex algorithmic optimizations. The proposed solutions balances between performance, quality, and power consumption, constituting them suitable for modern and future Earth Observation space missions. The hardware architectures presented in this doctoral thesis has achieved significant technological maturation and adoption, evidenced by three key milestones. The introduced architecture of Hybrid Entropy Coder has been integrated into the ESA Lossless/LossyMultispectral & Hyperspectral Compression IP Core (4000136723/22/NL/CRS), which will be included into the Agency’s portfolio of operational IP cores. Also, the Hybrid Entropy Coder architecture is part of the Payload Processing unit for the Traceable Radiometry Underpinning Terrestrial- and Helio- Studies (TRUTHS), which is planned to launch at 2030. A laboratory validation of the CCSDS 123.0-B-2 compression IP Core architecture with two cores was successfully conducted for radiation-hardened Xilinx Kintex Ultrascale XQRKU060 FPGA on an Airbus D&S platform in at the company’s facilities in Elancourt, France, as part of the European H2020 Hi-SIDE project, also receiving the Innovation in Space Award 2022. Furthermore, a separate implementation on a Xilinx Zynq 7045 SoC FPGA has been developed for an in-orbit demonstration aboard the ERMIS mission’s CubeSat constellation, scheduled for launch in March 2026. This implementation has attained Technology Readiness Level (TRL) 8, certifying it as a flight-ready, high-tech space product developed in Greece.

Η τηλεπισκόπηση της Γης αποτελεί κρίσιμο εργαλείο για τη συλλογή πληροφοριών σχετικά με την επιφάνεια, τα ύδατα και την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Οι υπερφασματικές απεικονίσεις, που καταγράφουν δεδομένα σε συνεχόμενες φασματικές ζώνες, επιτρέπουν τον λεπτομερή χαρακτηρισμό υλικών και φυσικών χαρακτηριστικών. Τα συστήματα αυτά παράγουν τεράστιους όγκους δεδομένων (εκατοντάδες GB ημερησίως), δημιουργώντας την ανάγκη αποδοτικής συμπίεσης για τη βελτιστοποίηση της χρήσης εύρους ζώνης και την υποστήριξη εφαρμογών πραγματικού χρόνου. Οι σύγχρονες διαστημικές αποστολές απαιτούν εξελιγμένες τεχνικές επεξεργασίας δεδομένων εν πτήσει. Οι πλατφόρμες επεξεργασίας ποικίλλουν από γενικού σκοπού CPUs έως εξειδικευμένους επεξεργαστές ανθεκτικούς στην ακτινοβολία (RHBD) και προγραμματιζόμενη λογική (FPGAs). Τα FPGAs έχουν αποδειχτεί ιδιαιτέρως κατάλληλα λόγω της εξαιρετικής ενεργειακής απόδοσης και της υψηλής υπολογιστικής τους ισχύος, επιτυγχάνοντας ρυθμούς δεδομένων που μπορούν να υπερβούν το 1 Gbps. Η συμπίεση υπερφασματικών δεδομένων απαιτεί εξειδικευμένους αλγορίθμους που εκμεταλλεύονται τη φασματική και χωρική συσχέτιση. Το πρότυπο CCSDS 123.0 αποτελεί έναν σημαντικό prediction-based αλγόριθμο που αναπτύχθηκε ειδικά για πολυφασματικάκαι υπερφασματικά δεδομένα. Η έκδοση CCSDS 123.0-B-2 επέκτεινε τις δυνατότητες του προτύπου με την εισαγωγή near-lossless συμπίεσης και ενός νέου υβριδικού κωδικοποιητή εντροπίας (Hybrid Entropy Coder). Η πρώτη συνεισφορά της διατριβής εστιάζει στη σχεδίαση και υλοποίηση της αρχιτεκτονικής του Hybrid Entropy Coder, συμπεριλαμβάνοντας όλες τις διατάξεις pixel (BIP, BIL,BSQ) του προτύπου CCSDS, αποτελούμενη από εξειδικευμένες υπομονάδες σχεδιασμένες με διοχέτευση (pipeline) δεδομένων για απόδοση 1 δείγματος/κύκλο ρολογιού. Η αρχιτεκτονική είναι υλοποιημένη σε Xilinx Kintex Ultrascale XQKU060 FPGA και πετυχαίνει σταθερή απόδοση 305 MSamples/s (@16 bpppb), καταναλώνοντας 2.05% LUTs (5086), 0.89% DSP (17) και 0.08% BRAM (1) για τις διαστάσεις του οργάνου AVIRIS.Η δεύτερη συνεισφορά, αφορά την παραλλαγή του προτύπου CCSDS 123.0-B-2 με εξωτερική κβάντιση και την υλοποίηση μιας υψηλής απόδοσης παράλληλης αρχιτεκτονικής 6 πυρήνων, μέσω τμηματοποίησης του υπερφασματικού κύβου στην κατεύθυνση του ο-ριζόντιου άξονα. Η παραλλαγή του προτύπου με εξωτερική κβάντιση αποδεικνύεται ότι προσφέρει παρόμοια ποιότητα και απόδοση συμπίεσης με το αρχικό πρότυπο, ενώ η υλοποίησή της αρχιτεκτονικής σε Xilinx Kintex Ulrtascale XCKU040 FPGA επιτυγχάνει 285MSamples/s (4.56 Gbps) @ 1.68W για έναν πυρήνα και 1590 MSamples/s (25.44 Gbps) @ 6.12W για έξι πυρήνες. Η εργασία αποδεικνύει ότι είναι εφικτή η επίτευξη υψηλής απόδοσης συμπίεσης με απλούστερες αρχιτεκτονικές που αποφεύγουν πολύπλοκες αλγοριθμικές βελτιστοποιήσεις. Οι προτεινόμενες λύσεις προσφέρουν ισορροπία μεταξύ απόδοσης, ποιότητας και κατανάλωσης ενέργειας, καθιστώντας τες κατάλληλες για τρέχουσες και μελλοντικές διαστημικές αποστολές παρατήρησης της Γης. Οι αρχιτεκτονικές υλικού της παρούσας διδακτορικής διατριβής βρίσκονται σε σημαντική τεχνολογική ωριμότητα η οποία αντικατοπτρίζεται στα παρακάτω ορόσημα. H αρχιτεκτονική του Hybrid Entropy Coder, που προτείνεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή, έχει συμπεριληφθεί στην υλοποίηση που θα προσφέρει η ESA για χρήση στις μελλοντικές διαστημικές αποστολές σύμφωνα με την σύμβαση ESA Contract No. 4000136723/22/NL/CRS. Επίσης, η αρχιτεκτονκή του Hybrid Entropy Coder συμπεριλαμβάνεται στην μονάδα επεξεργασίας δεδομένων της αποστολής Traceable Radiometry Underpinning Terrestrial- and Helio- Studies (TRUTHS), που αναμένεται να εκτοξευτεί το 2030. Η επιτυχής υλοποίηση με δύο πυρήνες σε τεχνολογία Xilinx Kintex Ulrtascale space-grade XQRKU060 FPGA της αρχιτεκτονικής του IP Core συμπίεσης με το πρότυπο CCSDS 123.0-B-2, επιδείχθηκε εργαστηριακά επί της αναπτυξιακής κάρτας της Airbus D&S στις εγκαταστάσεις της εταιρείας στο Elancourt της Γαλλίας, στο πλαίσιο του Ευρωπαϊκού έργου H2020 Hi-SIDE, όπου και έλαβε και το Innovation in Space Award 2022. Επιπλέον, η επιτυχής υλοποίηση με έναν πυρήνα σε τεχνολογία Xilinx Zynq 7045 SoC FPGA θα επιδειχθεί σε τροχιά στο διάστημα στο πλαίσιο της αποστολής ERMIS των τριων μικροδορυφόρων τύπου CubeSat του Εθνικού και Καποδιστριακού Πανεπιστημίου Αθηνών, που θα εκτοξευτούν τον Μάρτιο 2026. Η συγκεκριμένη υλοποίηση βρίσκεται αυτή την στιγμή στο επίπεδο τεχνολογικής ετοιμότητας (technology readiness level) 8, συνιστώντας ένα πραγματικό και καινοτόμο προϊόν υψηλής διαστημικής τεχνολογίας από την Ελλάδα, έτοιμο για λειτουργία εν πτήσει.