史本忠++王萬玉++毛偉++何元春++劉智

摘 要：針對(duì)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)需求，提出了基于網(wǎng)絡(luò)的高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出技術(shù)方案。采用交換式以太網(wǎng)構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的輸出架構(gòu)，提出了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議，并通過配置IP地址的方式建立了一對(duì)一或一對(duì)多的連接線路，從而實(shí)現(xiàn)了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的可靠、實(shí)時(shí)輸出。該方案設(shè)計(jì)已用于工程項(xiàng)目中，測(cè)試結(jié)果表明該方案合理可行。

關(guān)鍵詞：遙感衛(wèi)星；數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)；高碼速；解調(diào)基帶數(shù)據(jù)；網(wǎng)路輸出

中圖分類號(hào)：TN961 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

隨著國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星有效載荷分辨率（包括高時(shí)間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等）的不斷提高，其在相同時(shí)間獲取的原始數(shù)據(jù)量倍增，寬帶高速傳輸已成為星地?cái)?shù)據(jù)傳輸?shù)谋厝悔厔?shì)[1-3]。如美國(guó)GeoEye衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率為740 Mb/s，QuickBird衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)800 Mb/s[4]；我國(guó)的高分專項(xiàng)相關(guān)衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸碼速率為800 Mb/s，后續(xù)衛(wèi)星將達(dá)到1.5 Gb/s。

目前國(guó)內(nèi)外遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)的輸出多采用串行碼流方式，電氣接口一般為ECL，其缺點(diǎn)是不適合長(zhǎng)距離高碼速數(shù)據(jù)的傳輸。接收數(shù)據(jù)碼速率的提高，使得采用上述傳輸方式的缺點(diǎn)更為突出。網(wǎng)絡(luò)傳輸具有傳輸距離長(zhǎng)、碼速性能好等優(yōu)點(diǎn)，將成為遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的發(fā)展趨勢(shì)。

針對(duì)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)輸出的技術(shù)需求，采用交換式以太網(wǎng)構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)，提出了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議；選用TCP/IP協(xié)議，將解調(diào)器作為TCP服務(wù)器端，數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器作為遠(yuǎn)程TCP客戶端需要連接解調(diào)器，通過配置IP地址的方式建立一對(duì)一或一對(duì)多的連接線路，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的輸出，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)簡(jiǎn)介

遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)主要由天饋伺分系統(tǒng)、跟蹤接收分系統(tǒng)、記錄與快視分系統(tǒng)、測(cè)試分系統(tǒng)、站任務(wù)管理與監(jiān)控分系統(tǒng)、技術(shù)支持分系統(tǒng)組成[5]。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)組成圖如圖1所示。

圖1 遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)組成圖

數(shù)據(jù)接收工作流程[6]：系統(tǒng)穩(wěn)定跟蹤后，X或S頻段饋源產(chǎn)生的和信號(hào)經(jīng)下變頻后送到解調(diào)器。解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)及相應(yīng)譯碼，通過ECL或網(wǎng)絡(luò)方式輸出I、Q合路與分路的衛(wèi)星基帶數(shù)據(jù)至記錄與快視分系統(tǒng)。采用基帶數(shù)據(jù)開關(guān)或網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)進(jìn)行解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的任意組合、切換，實(shí)現(xiàn)解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的熱備份能力。其數(shù)據(jù)接收流程圖如圖2所示。

2 高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出方案設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)

高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸能力主要由解調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)輸出能力、系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)交換能力及可靠的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議決定。

依據(jù)遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)所接收的遙感數(shù)據(jù)碼速率要求，解調(diào)器網(wǎng)絡(luò)輸出能力一般選千兆網(wǎng)或光纖口。采用千兆網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45、連接線Cat-5e或Cat-6）或10 Gb/s的光纖（網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬兆網(wǎng)卡選擇單模或多模光纖）構(gòu)建遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多采用交換式以太網(wǎng)。交換式以太網(wǎng)以交換機(jī)為中心構(gòu)成，是一種星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，交換機(jī)采用存儲(chǔ)交換方式，交換機(jī)背板帶寬可以保證端到端的信息傳輸能力?？筛鶕?jù)系統(tǒng)中配置的高速解調(diào)器的數(shù)量選配合適的網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，以保證高速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能。

常用的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議為UDP/IP和TCP/IP。

（1）UDP/IP為無連接協(xié)議，簡(jiǎn)單、傳輸效率高，數(shù)據(jù)報(bào)模式，傳輸不可靠，無法保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)捻樞?，可能丟包；

（2）TCP/IP為基于連接的協(xié)議，有一定的傳輸時(shí)延（特別當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境較差時(shí)），流模式，可靠傳輸協(xié)議，可保證數(shù)據(jù)的傳輸順序。

高速解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸一般要求數(shù)據(jù)有序、可靠，因此選用TCP/IP協(xié)議。

服務(wù)器端與客戶端數(shù)據(jù)交換使用TCP-IP協(xié)議。解調(diào)數(shù)據(jù)包括解調(diào)器解調(diào)之后的原始數(shù)據(jù)及同步數(shù)據(jù)，用于后續(xù)數(shù)據(jù)本地存盤及網(wǎng)絡(luò)傳輸，該數(shù)據(jù)信息的交換可支持多客戶端。因此可通過配置IP地址的方式進(jìn)行一對(duì)一或一對(duì)多的實(shí)時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)流的交互，實(shí)現(xiàn)解調(diào)器與數(shù)據(jù)記錄設(shè)備的任意組合、切換。遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

網(wǎng)絡(luò)通信采用TCP/IP協(xié)議。解調(diào)器作為TCP服務(wù)器端，開啟偵聽端口，數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器作為遠(yuǎn)程TCP客戶端需要連接解調(diào)器時(shí)，發(fā)送連接請(qǐng)求，由解調(diào)器判斷請(qǐng)求是否正確，如正確且解調(diào)器具備連接條件，則建立一條連接線路，否則解調(diào)器拒絕連接。四個(gè)層次的定義如下：

（1）物理層：千兆網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6；或選用10 Gb/s光纖，網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬兆網(wǎng)卡選擇單?；蚨嗄９饫w。

（2）鏈路層：滿足IEEE802.3規(guī)范。

（3）網(wǎng)絡(luò)層：IP協(xié)議，采用規(guī)范的IP頭。

（4）傳輸層：TCP。

2.3 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議

2.3.1 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸指令

表1所列是實(shí)時(shí)解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸指令。數(shù)據(jù)傳輸可以立即或在預(yù)定的時(shí)間偏移量后進(jìn)行，在IP連接閉合或在預(yù)定時(shí)間偏移后停止。每TM消息的TM塊的數(shù)目是可配置的（最高達(dá)131 072）。不論在何種情況下，TM塊的有效數(shù)目都會(huì)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，使TM塊的每個(gè)消息的最大數(shù)量不超過2兆字節(jié)。

2.3.2 數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)

解調(diào)器正確解析數(shù)據(jù)傳輸指令后，返回?cái)?shù)據(jù)傳輸響應(yīng)。如果解調(diào)器解析數(shù)據(jù)傳輸指令有誤，則返回?cái)?shù)據(jù)傳輸拒收響應(yīng)，并給出錯(cuò)誤原因。數(shù)據(jù)傳輸響應(yīng)如表2所列。

實(shí)時(shí)解調(diào)基帶數(shù)據(jù)包括以下信息：

（1）TM（實(shí)時(shí)解調(diào)基帶數(shù)據(jù)）塊結(jié)構(gòu)（偏移8至12：幀大小，同步字的大小，時(shí)間標(biāo)記大小等）。

（2）實(shí)時(shí)解調(diào)基帶數(shù)據(jù)流控制數(shù)據(jù)，如果遠(yuǎn)程客戶端的攝取率不夠，則溢出報(bào)警（偏移17）給出數(shù)據(jù)損失告警。警告狀態(tài)（偏移18）給出了個(gè)人計(jì)算機(jī)的RAM緩沖器的余量（以字節(jié)為單位）。

TM塊結(jié)構(gòu)如表3所列。

2.3.3 相關(guān)說明

相關(guān)說明包含如下三項(xiàng)：

（1）數(shù)據(jù)表示：整型為32 bit，其中bit0/Byte0為最低位bit/Byte；浮點(diǎn)型由32 bit表示，包括1 bit符號(hào)位，8 bit指數(shù)，23 bit尾數(shù)。

（2）保留位：協(xié)議中的保留位留作擴(kuò)展使用，由解調(diào)器發(fā)送時(shí)可以是任意值，但作為解調(diào)器接收時(shí)，值必須為0。

（3）時(shí)間定義：bit31-0中，bit9-0表示微秒，bit19-10表示毫秒，bit25-20表示秒，bit31-26表示分；bit63-32中，bit36-32表示時(shí)，bit45-37表示天（為當(dāng)前年份1月1日開始的天計(jì)數(shù)）。

3 試驗(yàn)及應(yīng)用效果

采用搭建試驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)際接收高碼速衛(wèi)星數(shù)據(jù)的方法來驗(yàn)證高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳能力。

試驗(yàn)采用地面接收系統(tǒng)高碼速數(shù)據(jù)接收鏈路搭建試驗(yàn)平臺(tái)，模擬實(shí)際的衛(wèi)星高碼速數(shù)據(jù)接收記錄，多臺(tái)高速解調(diào)器與多臺(tái)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)連接，各解調(diào)器通過網(wǎng)絡(luò)輸出解調(diào)數(shù)據(jù)，各數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器實(shí)時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)接收數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)接收誤碼率、丟幀等。網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)保證高速解調(diào)器與計(jì)算機(jī)之間的信息交換帶寬。

測(cè)試信號(hào)（帶有連續(xù)幀序號(hào)的測(cè)試數(shù)據(jù)文件）經(jīng)測(cè)試調(diào)制器調(diào)制、上變頻后送測(cè)試耦合器，經(jīng)LNA、光端機(jī)、射頻矩陣開關(guān)、下變頻器、中頻均衡矩陣開關(guān)、全數(shù)字高碼速低損耗解調(diào)器后通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)送至多臺(tái)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器，多臺(tái)數(shù)據(jù)記錄服務(wù)器記錄接收解調(diào)后的數(shù)據(jù)，并用誤碼分析軟件分析所記錄數(shù)據(jù)的誤碼率。

試驗(yàn)結(jié)果表明千兆網(wǎng)（網(wǎng)絡(luò)連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6）可實(shí)現(xiàn)700 Mb/s碼率的解調(diào)基帶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳，誤碼率優(yōu)于1E-11；10 Gb/s光纖（網(wǎng)絡(luò)連接器LC，連接線根據(jù)萬兆網(wǎng)卡選擇單?；蚨嗄９饫w）可實(shí)現(xiàn)1.5 Gb/s碼率的解調(diào)基帶數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸（因記錄軟件能力有限，更高碼率的情況未做試驗(yàn)），誤碼率優(yōu)于1E-11。

在實(shí)際接收高碼速衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)，采用該方案已成功實(shí)現(xiàn)ZY-3、GF系列衛(wèi)星（2×450 Mb/s）等衛(wèi)星高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳功能。

4 結(jié) 語

本文基于交換式以太網(wǎng)構(gòu)建了遙感衛(wèi)星地面接收系統(tǒng)解調(diào)器解調(diào)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)輸出架構(gòu)，選用TCP/IP協(xié)議，通過配置IP地址的方式建立一對(duì)一或一對(duì)多的連接線路，實(shí)現(xiàn)了高碼速解調(diào)數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)輸出。

測(cè)試結(jié)果表明高碼速解調(diào)基帶數(shù)據(jù)采用網(wǎng)絡(luò)輸出具有傳輸距離長(zhǎng)、碼速性能好等優(yōu)點(diǎn)。該方案設(shè)計(jì)已用于工程項(xiàng)目中。

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