卫星遥感多路数据传输合路方案研究.docx

卫星遥感多路数据传输合路方案研究摘要在遥感卫星的数传系统中,采用虚拟信道方式对多路遥感数据进行数传合路,形成标准帧格式信息流以适合空间物理信道传输。针对缓存容量受限的条件,提出了两种数传合路方案：第一种方案是将全部虚拟信道同时数传合路到I帧和Q帧；第二种方案是将其中一半虚拟信道数传合路到I帧,将另外一半虚拟信道数传合路到Q帧O采用仿真技术对两种数传合路方案的缓存容量需求进行了动态分析,结果表明:采用第二种方案时缓存容量需求更低,只须采用地址空间深度为8K的缓存器即可满足数传合路处理需求。第二种数传合路方案已应用到某卫星工程项目的数传系统产品中,通过了地面测试、试验以及在轨飞行验证。文章提出的技术途径可为后续航天器更多种类遥感数据的数传合路设计提供参考。关键词遥感卫星；数据传输；合路处理；动态分析中图分类号:TP302文献标志码:ADOI:10.3969i.isn.1673-8748.2013.01.013ResearchonMultiplexingschemesofDataTransmisionforSateIiteRemoteSensingZHUHong,KANGLi2ZHANGAibing1(1AcademyofSpaceE1ectroniclnformatioTechno1ogy,Xi,an710100,China)(2Scho1ofE1ectronicsandlnformatioEnginering,Beihangllniversity,Being100191,China)Abstract：IntheremotesensingsatelItedatatransmisionsystem,mu1tiremotesensingdatumaremu1tip1exedusingvirtualchannelstoformastandardframe-structuredstreamsuitab1eforphysicalchannelofspacecommunication.Twomu1tip1exingschemesareputforwardintherestrictedbufercapacitycondition.Inthefirstone,a1virtualchannelsaremu1tip1exedtoformbothlandQframes.Andinthesecond/oneha1fofvirtua1channelsarem1tip1exedtoformIframeswhi1etheotherha1fofvirtua1channelsaremu1tip1exedtoformQframes.Thebufercapacitydemandsofbothmu1tip1exingschemesareanalyzeddynamicalyusingsimu1ationtechniaues.Theresu1tsshowthatthesecondschemereauires1esbufercapacity/makingitfeasib1ethato1y8Kaddresdepthbuferscanmetthenedofthem1tip1exingprocedure.TheSecondschemehasbenapp1iedtothedatatransmisionsystemproductsofcertainsate1itepro-Iectandhaspasedalgroundtests,experimentsandf1Ightverifications.TheapproachproposedInthispaperhasareferenceva1ueformu1tip1exingofotherremotesensingdatuminfo1ow-upspacecraft.Keywords：remotesensingsate1ite；datatransmision；mu1tip1exing；dynamicalanalysis收稿日期：2012-10-15;修回日期:2012-11-28作者简介:朱红(1971)男,博士,高级工程师,研究方向为星用AoS编码和压缩编码技术.Email:zhuehong163,com.即 CcP22htCCD3J¼Wft -»2 t CiTM I m 2btCCD5*y¾¾ 2icv6W¾ft »-ZbrtCCirJkWW .2btCCDlW¾ft1引言数据处理与传输系统(简称数传系统)是遥感卫星上的重要有效载荷，承载着遥感数据的星地传输任务，其工作流程主要是从星上遥感载荷获取到观测数据开始,经压缩编码、数传合路、信道编码、调制、功率放大、空间辐射、射期三收、解调、译码等一系列处理，到最终恢复出遥感数据数传合路技术是数传中的一项关键技术，其方案设计遵循空间数据系统咨询委员会(CCSDS)制订的高级在轨系统(AdvancedOrbitingSystems,AOS)"标准，主要技术特征是采用虚拟信道(VirtUalChane1,VC)机制，对输人的多路载荷数据进行标准化的打包和标识，形成等长的虚拟信道数据单元(VirtUalChanelDataUnit,VCDU),使用虚拟信道动态调度策略完成VCDU的复接。叫实现多用户数据在同一空间物理信道上的共享传输.由于各路虚拟信道数据的特性不同，需要在人口端设置独立的数据缓存，以适应与虚拟信道调度过程的不同步。随着载荷数据路数的增加、数据率的提高、源包格式的变化，数传合路所需缓存容量的选择成为一个比较突出的问题o虽然国内外文献针对缓存容量的选择进行了讨论,但是还没有可用于工程的确切计算方法，有些还是凭经验选取的O容量选择太小，不能满足数据缓存需求，会造成数据溢出;容量选择太大,又会浪费存储资源，增加功耗和成本。已有的数据处理设计采用了位宽为8bit、地址空间深度为8K(IK=IO24)的先进先出数据缓存器(FirStInFirstOutFIFO)而新任务的载荷路数更多、数据率更高，为降低研制风险，迫切需要解决使用地址空间深度8K的缓存是否可行的问题。为此，本文设计了两种数传合路方案并进行了动态仿真分析，证明采用各将一半虚拟信道分别合路到I帧和Q帧的数传合路方案，所需缓存深度更小，采用8K深度缓存可以满足其数传合路需求.2遥感数传设计2.1 数据接口设计某遥感卫星的高分辨率相机输出8路电荷耦合器件(CCD)的图像数据(CCDl-CCD8),相机采用推扫方式成像，图像数据按行送出，每行包括图像辅助数据和图像数据，其中图像辅助数据不压缩.相机/数传之间的数据接口如图1所示.相机图像数据通过压缩编码处理后形成压缩码流，再通过数传合路单元处理后形成两路组帧数据流，送空间物理信道下传。数传采用四相相移键控(QPSK)调制方式，于是两路组帧数据流分别作为QPSK调制器的I路输人数据(In-PhaSe,同相分量)和Q路输入数据(Quadrature,正交分量)。乎*ijs赢HWEmKOWj前幽啷映2CCD34b"!f1»源编码忸块3CCD44bit”缩*H夬ICCD54btI-夬5CCD64bit；Jk缩编码愎块f,CCD74btMimu夬：CCD4bit；y>.g码梆夬8、一:刖制族图1相机/数传之间数据接口Fig.1DatainterfacebetwenCameraanddatatransmisionsystem压缩编码器的每个模块独立接收和处理1路CCD图像，采用条带压缩方式和基于小波的分层树集合分裂编码(SetPartitioninginHierarchicalTres,SPIHT)Im压缩算法，将数据率降低到数传带宽范围内，同时减小误码扩散影响，并确保重建图像质量满足任务需求。为抵御信道误码，确保数据传输质量，对图像压缩数据采用RS(255,243)纠错编码，并同图像辅助数据进行拼接，形成压缩码流后输出，输出数据信号时序如图2所示。图2中，参数T、八、7；表示门控信号的周期、正程长度、逆程长度，单位均为ms0参数Xd和Zd均表示局部的有效数据传输长度，参数次表示间歇期长度，参数”表示的和Zd的重复次数,xa.ya.乙的单位均为byte.>在正程区域内传输有效数据(有效数据量=Xd+4.,逆程为空闲期。各参数取值为J17.7、T2=14.6335、Tn=3.0665×乂=2048,y=384,Zd=255,图2压缩编码器输出数据信号时序Fig.2OutputdatasignaltimingofCompresionencoder数传合路单元接收多路压缩码流，采用CCSDSAoS标准编码技术完成多路高速复接，整合成码速率恒定的I、Q路组帧数据流，送人星地物理信道传输o按照CCSDS协议分层模型，压缩码流数据属于空间链路层(SpaceLinkSub-networkSLS)中的非定界位流数据(Bitstreaming),SLS层又划分为两个子层:虚拟信道链路控制子层(VirtUalChannelLinkControIsub1ayer,VCLC)和虚拟信道访问子层(VirtualChannelAcessub1ayer,VCA)oVCLC子层完成载荷及其压缩数据位流的组织;VCA子层完成虚拟信道的复用和组帧。数传合路单元处于SLS层与空间物理信道(SPaCePhySiCalChannel)之间，采用位流协议数据单元(BitStreamProtocolDatallnitB-PDU)组织数据帧«2.2传输帧结构设计使用统一的传输帧结构实现多路压缩码流的共享信道传输，首先将输人的压缩码流数据放人B-PDU数据域形成B-PDU数据单元，对B-PDU数据单元分配虚拟信道形成VCDU数据单元，对VCDU数据单元进行高速复接和组帧，对帧格式的重要区域进行RS纠错编码，填人RS校验信息形成编码虚拟信道单元(CodedVirtualChannelDataUnitCVCDU),再经伪随机化和添加同步码，最终形成信道访问数据单元(ChannelAcesDataUnitCA-DU)下行传输帧。CADU传输帧的帧长度和B-PDU位流数据区长度是数传码速率设计所需的两个重要控制参数。2.3 数传码速率设计确定传输帧结构后需要进一步确定虚拟信道数据对传输带宽的需求，并以此为依据设计一个固定的数传码速率，以适应空间物理信道传输和地面接收端同步处理需要O采用式(1),可算出单路CCD图像数据传输所需的码速率,(Mbit/s)r>=125.y,.，y</+Vi/Xz?+8./77C(-)C'>8"(1)8z1式中：俵示CCD的序号;Xi*表示CCD图像行周期(ms)、每行包含的辅助数据量(bit)；加力表示压缩条带包含的行数、条带压缩包格式开销(bit)；mm表示对条带压缩数据进行RS纠错编码采用的分组长度(byte)、信源长度(byte)",Z2表示CADU传输帧的帧长度(byte)、B-PDU位流数据区长度(byte);中间变量X表示对单个条带进行图像压缩后所得的数据量(bit);函数C(X)表示将变量X向上舍人为最接近的整数。采用式(2),可算出XX=ciy-0'J十添)(2)y21式中：X3.X，表示每行包含的像元数量、像元量化位数(bit)；WJ3表示数据压缩比、压缩数据量浮动率;函数C(X)表示将变量X向上舍人为最接近的整数。式、(2)中，参数取值为X”=0.2765625,Xai=256,X3)=4096,X*I=8»y=64；y=61y?I=0,y»f=16»/77=255,=243,ZI=1066,z2=