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1、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
2、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)(2Scho1ofE1ectronicsandlnforma
3、tioEnginering,Beihangllniversity,Being100191,China)Abstract：IntheremotesensingsatelItedatatransmisionsystem,mu1tiremotesensingdatumaremu1tip1exedusingvirtualchannelstoformastandardframe-structuredstreamsuitab1eforphysicalchannelofspacecommunication.Twomu1tip1exingschemesareputforwardintherestrictedb
4、ufercapacitycondition.Inthefirstone,a1virtualchannelsaremu1tip1exedtoformbothlandQframes.Andinthesecond/oneha1fofvirtua1channelsarem1tip1exedtoformIframeswhi1etheotherha1fofvirtua1channelsaremu1tip1exedtoformQframes.Thebufercapacitydemandsofbothmu1tip1exingschemesareanalyzeddynamicalyusingsimu1ation
5、techniaues.Theresu1tsshowthatthesecondschemereauires1esbufercapacity/makingitfeasib1ethato1y8Kaddresdepthbuferscanmetthenedofthem1tip1exingprocedure.TheSecondschemehasbenapp1iedtothedatatransmisionsystemproductsofcertainsate1itepro-Iectandhaspasedalgroundtests,experimentsandf1Ightverifications.Theap
6、proachproposedInthispaperhasareferenceva1ueformu1tip1exingofotherremotesensingdatuminfo1ow-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 CcP22htCCD3JWft -2 t
7、 CiTM I m 2btCCD5*y 2icv6Wft -ZbrtCCirJkWW .2btCCDlWft1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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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(BitStreamProtocolDa
14、tallnitB-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
15、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,.，y8(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(by
16、te);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-0J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=8y=64；y=61y?I=0,yf=16/77=255,=243,ZI=1066,z2=1024o代人式(1)可得o=22.645Mbits,于是8路CCD图像数据传输所需的数传码
17、速率r=8.ri=181.16Mbit/s数传码速率做计为190Mbit/S,设计余量为R-r=8.84Mbit/S设计裕度为(RfR=4.65%.设计裕度是以在数传组帧数据流中插人填充帧的形式表现出来的，它在数值上同填充帧率的统计平均值相当。2.4 数传合路方案设计在数传合路处理前，首先对各路虚拟信道数据进行独立的缓冲存储。缓存的容量用位宽和深度度量，位宽指一次读/写操作的比特位数，深度指最多可存储多少个数据位宽的数据量。只要确定了虚拟信道数据传输对相应缓存深度的需求值，就等于确定了对缓存容量的需求值。缓存的数据位宽为8bit,因此先将压缩码流数据位宽由2bit转换成8bit后再存人缓存缓存
18、的输人、输出端分别使用异步时钟(时钟频率为32MHz)、同步时钟(时钟频率为95MHZ)控制模式0各路虚拟信道输人信号中的有效数据独立写人相应的缓存，输出端在同步时钟驱动下利用帧格式同步计数器作为状态机，以计数值为同步控制信号完成缓存状态判断、虚拟信道传输时隙分配、缓存数据读取，以及CADU组帧等一系列操作。对8路CCD压缩码流进行数传合路处理时，本文设计了两种备选方案.为便于表述，各路CCD及其虚拟信道(VC)的对应关系约定为CCDLVC葭协整数，1A8)第一种数传合路方案如图3所示，各路CCD压缩码流数据经位宽转换后，送人相应的先进先出数据缓存器(FIFO)进行缓存，然后在虚拟信道调度管理
19、程序的控制下，将VCVC8数据同时数传合路到I帧和Q帧中。每从某路缓存读出8bit数据后，就将其拆分为高4bi怵口低4bit,高4bit嵌入到I帧传输,低4bit嵌人到Q帧传输。于是在任意一个传输帧时隙，同步的I帧和Q帧均传输了同一个虚拟信道的数据,且分别包含了该虚拟信道的一半数据量OE5朴JW 粉f侬版罂FH唔CaF呢部M 如近庭承 Ce院脸部yJ二巴府电瀛 T柄GCCDi懈喊L蕊画器而砾号一OaE他网A青:侬侬法加FsweCCBJ而聊蛾泻色飨楸罂HmFL14帆一TE1JZETENHK,UW8岫j;并M淋隹幽电量 Ubit l btQK图3第一种数传合路设计方案Fig.3Firstmulti
20、p1exingscheme第二种数传合路方案如图4所示，各路CCD压缩码流数据经位宽转换后，送人相应的FIFo进行缓存，然后在虚拟信道调度管理程序的控制下，将VGVC数据数传合路到I帧，每从VGVC,中的某路缓存读出8bit数据后，不做拆分，直接嵌人到I帧传输o将VC5-VC8数据数传合路到Q帧，每从VC5-VC8中的某路缓存读出8bit数据后，不做拆分，直接嵌人到Q帧传输。于是在任意一个传输帧时隙，同步的I帧和Q帧传输的虚拟信道不同（不算保留的填充帧）。以下对数传合路方案的缓存需求进行定性分析O图4第二种数传合路设计方案Fig.4Secondmultip1exingscheme为缓解缓存中数
21、据的大量积压，数传合路方案采用了基于剩余量优先的虚拟信道调度策略，即对缓存数据存取深度取最大值的虚拟信道进行优先处理。为便于简洁地描述和分析缓存数据存取深度的动态变化情况，引人变量Dk（。、MK（。、Dk、TkeDke表示在时刻，第罐虚拟信道缓存的动态存取深度；M（O表示。式。在历史中的最大值；&为Mi（D的全局最大值，即第榴虚拟信道数据传输对缓存深度的最小需求值；7；表示以（。到达Dk的时刻。口（0的更新过程为:如果在时刻写人1个位宽数据，&（。值就加1；如果在时刻读出1个位宽数据就减1o虚拟信道数据是间歇式写人缓存的，且写人的平均速率显著小于突发读出数据率0因此，随着时间的推移Q0f关系呈
22、周期性涨落特性。M（O的更新过程为，在每帧的起始时刻t=（为正整数小表示CADU传输帧的一帧持续时间）进行判断，如果On）V做“），则M*）=d（。,否则帆（。值保持不变。随着时间的推移，M（0f关系呈阶梯递增特性如果数传码速率设计值国呆证了一定的设计余量，则必定存在一个时刻使得在该时刻之后缓存的读/写操作过程进入动态平衡状态，即当t=7；时，M”（9进行了最后一次更新，更新后的值为a,而当N7；时M（f）保持D值不变.在每帧的起始时刻，检测虚拟信道缓存的动态存取深度2（。值，选择存取深度取最大值的缓存判断是否还满足a（0W2z2（数传合路方案1）或者R（f）Wz2（数传合路方案2）的条件，如
23、果满足，则当前帧就传输该虚拟信道数据，否则就插人填充帧虚拟信道（在接收端剔除）,以确保数据传输的连续性o采用数传合路方案1时，在每帧的起始时刻，需要检测8个虚拟信道，虽然访问特定的虚拟信道缓存一次可能就会读出2Z2数据量，但平均来讲，对该虚拟信道缓存的重访周期需要8帧时间，在此过程中，数据写人过程不会停止，因此，在较长的重访周期内缓存中的数据会积压较多，对缓存容量的需求也就较高。而采用数传合路方案2时，在每帧的起始时刻只需要检测4个虚拟信道，虽然访问特定的虚拟信道缓存一次只可能读出Z2数据量，但平均来讲，对该虚拟信道缓存的重访周期缩短到4帧时间，因此，在较短的重访周期内缓存中的数据积压会较少，
24、对缓存容量的需求也就较低，定量的结果需要对数传合路方案进行动态仿真分析才能获得3数传合路处理的动态仿真分析3.1 仿真分析流程本文采用动态仿真分析方法对数传合路方案的缓存需求进行快速、定量的评估.仿真分析流程如图5所示。在仿真分析的过程中，使用写时隙表示写时钟，使用读时隙表示读时钟。各路缓存的写时隙相互独立，每路平均写人速率为21.67Mbits读时隙对同一组缓存共用.采用数传合路方案1时，虚拟信道VGVd使用同一读时隙，突发读出速率为190Mbit/S；采用数传合路方案2时，虚拟信道VGVC使用同一读时隙，虚拟信道VC5-VC8使用同一读时隙，突发读出速率均为95Mbits对于写操作过程，在
25、写时隙如果有输人数据，就写人缓存，并对值进行相应的增量更新.对于读操作过程，在每帧的起始时刻，检测各路缓存的Dk（0值并进行判断，只有当满足判决条件时，才会启动对缓存的突发读操作过程，同时对值进行相应的减量更新。在程序运行过程中，实时监测MA（O变量的数值变化情况，当MKf）数值递增到一个稳定状态（即数值不再变化）时，表示处理过程已达到平衡状态，此时可以停止程序运行，获取仿真结果并进行分析。注：I2xr方案I.方案2八2依示ii蝌存H致；3VCID登示*康珀油标示符图5数传合路处理的仿真分析流程Fig.5F1owChartofmultip1exingsimu1ation3.2 仿真结果及分析3
26、.2.1 虚拟信道分布仿真结果在I、Q路组帧数据流中，虚拟信道随时间分布的仿真结果如图6所示。采用数传合路方案1时,纵轴表示的是虚拟信道VCVC8的序号。采用数传合路方案2时，只给出了I帧的虚拟信道分布结果（Q帧的虚拟信道分布结果同I帧类似）,纵轴表示的是虚拟信道VC.-VC4的序号。填充帧的虚拟信道序号为0。从仿真结果数据分析，采用数传合路方案1时的虚拟信道重访周期平均为0.7181ms,等于8帧时间（每帧时长约为89.77以s）；采用数传合路方案2时的虚拟信道重访周期平均为0.3591ms,等于4帧时间。较小的重访周期有利于缓解缓存中数据的积压程度，从这层意义上讲，数传合路方案2对缓存容量
27、的需求会较低一些O数传介路方案I故传合路方案2OOSIOIS2.02.53.0时间I/ms图6虚拟信道在组帧数据流中的分布Fig.6Virtualchanneldistributioninframestreams3.2.2 填充帧比率仿真结果在I、Q路组帧数据流中，填充帧比率的仿真结果如图7、图8所示（分别表示了0100ms、IO040OmS时间段中的填充帧比率变化情况）。从仿真结果可以看出，随着时间的推移，两种数传合路方案的填充帧比率均逐渐收敛于一个统计平均值5%。该值同数传码速率设计裕度计算值4.65%比较吻合，较小的误差是因为计算值附加了一定的余量。81W 11 H图7 填充帧比率随时间
28、的变化情况(0100ms)g. 7Fi 1 edframeratiovariationwithtime( 0-100 ms)*2 塞式6.015020025030035U400时间 mQC普?塞步图8填充帧比率随时间的变化情况(100400ms)Fig.8Fi1edframeratiovariationwithtime(1040ms)从仿真结果还可以看出，在同一时刻，数传合路方案1的填充帧比率明显更大一些。这是因为，采用该方案时，虚拟信道重访周期更长，且在启动突发读操作前对虚拟信道缓存存取深度的判决指标更高，造成缓存的数据存取深度不能及时满足预定的判决条件，也就未能及时触发突发读操作过程，因此
29、，只能插人更多的填充帧以保持数传帧的连续性。填充帧比率较大，则信道利用率较低，虚拟信道缓存中累积的数据量也会更多，对缓存存取深度的需求就相应较高O因此，从信道利用率以及对缓存存取深度的需求角度看，采用数传合路方案2更合理一些.再从统计特性上看，数传合路方案1填充帧比率波动较大，收敛较慢，均方差为0.022；而数传合路方案2填充帧比率波动就较小，收敛较快，均方差为0.018,说明其处理过程能更快地进入到平稳嫡。3.2.3 缓存存取深度仿真结果通过对缓存存取深度的动态仿真分析，发现采用两种数传合路方案时，均是虚拟信道VC3的缓存深度需求值最大，其它虚拟信道的缓存深度需求值略低一点。在050ms时间
30、段中，虚拟信道VC8缓存的动态存取深度DB（。及其历史最大值M6（。随时间的变化情况如图9所示;在01500ms时间段中，虚拟信道VC。缓存的动态存取深度历史最大值M）（。随时间的变化情况如图10所示。从图9所示的仿真结果可知，随着时间的推移，D8（。呈现出一定周期性的涨落特性，这是缓存数据读/写动态过程表现出的现象，而缓存数据读/写具有间歇性慢写和突发性快读的特点;随着时间的推移，乂8（。呈现出一种阶跃式递增特性，在015ms的早期时间段内增长速度较快，在15ms以后增长速度逐渐放缓。IlOOOSSOo660044002200容Im图9缓存存取深度随时间的变化Fig.9Storeddataa
31、mountvariationwithtimeinthebufer从图10所示的仿真结果可知，随着时间的推移，械（f）的增长速度逐渐放缓，直到达到一个顶峰值后就不再增长，此时数据处理过程达到了动态平衡。采用数传合路方案LMb）在7；=1430.459ms时，达到其顶峰值D8=10064（9.83K8K）;而采用数传合路方案2,U（0在心=722.456ms时，达到其顶峰值D8=8020（7.83KV8K）可见，数传合路方案2对缓存深度需求值更低（降低了983-7.83=2K）,采用地址空间深度配置为8K的缓存，就可以满足其处理需求。相比之下,至少需要地址空间深度配置为16K的缓存，才能满足数传合
32、路方案1的处理需求660044002200O300600%012001500H*f ms图10缓存存取深度历史最大值的变化情况Fig.10Maximum-va1ueevo1Utionofstoreddataamountinthebufer4结束语针对缓存容量受限条件下多路载荷数据合路传输的问题，基于CCSDSAoS标准的虚拟信道复用机制，提出了两种数传合路方案。利用计算机仿真技术，对两种方案的性能进行了动态分析，择优选择了数传合路方案2,只须采用地址空间深度配置为8K的缓存，即可满足数传合路处理的需求。该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。本文以8
33、路高分辨率图像传输为实例进行了数传合路研究，其设计思想和动态分析方法，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参考文献（ReferenCeS）1ConsultativeCommiteforSpaceDataSystem.Ad-Vancedorbitingsystem,networkanddata1inks:architecturalspecifications,CCSDS701.0-B-3.B1ueBookIsue3S.WashingtonD.C.:CCSDS,20012ConsultativeCommiteforSpaceDataSystem.Advancedorbitingsy
34、stem,networkanddata1inks：summeryofconcept,rationalandperformance#CCSDS700.0-G-3.GrenBook,Isue3S.Annapolis,Mary-1and:CCSDS,19923ConsultativeCommiteforSpaceDataSystem.AOSSpacedatalinkprotocolCCSDS732.0-B-2.Recommen-dedStandardIsue2S.WashingtonD.C.:CCSDS20064谭维炽，顾莹琦.空间数据系统M.北京:中国科学技术出版社，2004:128-136Tan
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39、辑:李多)发射短讯I法国昂宿星-1B卫星搭乘联盟号火箭发射P1 eiades-1B卫星概念图据SPaeeflightnoW网站2012年12月2日报道，在法属圭亚那航天中心，当日格林尼治标准时间(GMT)2点50分，法国侦察卫星昴宿星-IB(PleiadeS-IB)搭乘联盟号火箭发射PleiadeS-IB卫星质量970kg,卫星照相机分辨率为0.5mPleiadeS-IB将与2011年12月发射的PIeiadeS-IA一起，实现每天24小时全球覆盖且可向法国部队和全球商业用户提供50幅高分辨率图像，用于地点监视、灾难救援、城市规划，以及自然资源的可持续管理。法国国家空间研究中心(CNES)希望2013年春季，这个卫星系统能实现全面运行o
