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        深空干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換算法分析

        2017-06-02 09:33:12馬宏李貴新
        中國新通信 2017年10期

        馬宏+李貴新

        【摘要】 介紹了我國深空測控站干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器RDEF和MARK5B兩種數(shù)據(jù)格式,分析了由RDEF格式轉(zhuǎn)換為MARK5B格式的算法,給出了算法的仿真結(jié)果,證明了算法的正確性。

        【關鍵詞】 甚長基線干涉測量 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器 格式轉(zhuǎn)換

        Abstract: The paper introduces two kinds of data format of DBBC which is used in interference measurement system of Deep space TT&C station. Then analyzes the algorithm that convert from RDEF format to NARK5B format, and the simulation results of the algorithm are given, which prove the correctness of the algorithm.

        Keywords: VLBI; DBBC; Format conversion

        一、引言

        對于深空探測任務,航天器的測量與控制是任務成敗的關鍵。受距離超遠的影響,傳統(tǒng)的單站距離、速度、角度測量體制無法滿足深空探測器測量精度要求。而甚長基線干涉測量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)以其高精度測角的特點在天體物理、大地測量、地球物理、深空探測等方面得到廣泛的應用[1]。

        VLBI是20世紀60年代后期發(fā)展起來的射電干涉測量新技術(shù)[2]。經(jīng)過50多年的發(fā)展,VLBI已經(jīng)成為當代角分辨率最高、定位精度最好的天文觀測技術(shù)[3]。

        深空干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器是VLBI系統(tǒng)的重要組成部分,主要承擔著寬帶數(shù)據(jù)采集、頻帶選擇、基帶轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸及存儲等任務,是后續(xù)信號處理的基礎。

        我國深空測控站數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器采用兩種國際上流行的數(shù)據(jù)格式,即MARK5B數(shù)據(jù)格式和RDEF(Delta-DOR Raw Data Exchange Format,Delta DOR原始數(shù)據(jù)交換格式)。MARK5B數(shù)據(jù)格式為國際上大部分數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器采用,主要對于單邊帶實信號記錄,廣泛應用于射電天文領域,但其記錄通道數(shù)和單通道量化位數(shù)的選擇受到一定限制[4];RDEF數(shù)據(jù)格式是CCSDS(The consultative committee for space data system,空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會)發(fā)布的標準格式,信號形式為復信號。由于每次觀測的各通道數(shù)據(jù)都會單獨產(chǎn)生一個產(chǎn)品文件,因此RDEF數(shù)據(jù)格式在通道數(shù)及量化位數(shù)的選擇方面十分靈活,主要應用于深空探測領域[5]。

        國外數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品主要支持MARK5B的數(shù)據(jù)格式,而我國深空站兩種數(shù)據(jù)格式均支持,為了更好的開展國際合作,有必要通過軟件將RDEF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為MARK5B數(shù)據(jù)格式。

        二、數(shù)據(jù)格式簡介

        2.1 MARK 5B數(shù)據(jù)格式

        Mark 5B數(shù)據(jù)在記錄介質(zhì)上被分為等長的數(shù)據(jù)幀。每個數(shù)據(jù)幀以4個32-bit字的幀頭開始,緊接著2500個32-bit字的數(shù)據(jù)序列[6]。在每個整數(shù)秒時刻有一個數(shù)據(jù)幀的分界。

        (1)幀頭格式

        Mark 5B數(shù)據(jù)幀的編制采取幀頭不代替數(shù)據(jù)字的形式,即幀頭插入連續(xù)的數(shù)據(jù)字序列中,幀頭的格式見圖1。

        每個數(shù)據(jù)幀頭包括以下信息:

        字0:同步字“ABADDEED”;

        字1:比特31~16是用戶定義內(nèi)容(比如,臺站ID號);比特15是測試向量標志(1表示記錄的是測試向量,0表示記錄的是VLBI數(shù)據(jù));比特14~0是每一秒鐘內(nèi)的幀序號(當整數(shù)秒時刻到來時,新的幀頭序號從零開始);

        字2~3:記錄起始數(shù)據(jù)的BCD時間碼和16比特循環(huán)冗余校驗碼。

        (2)數(shù)據(jù)字格式

        單通道量化位數(shù)為1,2,4和8位。數(shù)據(jù)段包含2500個32比特字的數(shù)據(jù)序列。幀頭中記錄的時間是每一幀中各有效比特流被第一次采樣的時刻。

        2.2 RDEF數(shù)據(jù)格式

        RDEF數(shù)據(jù)格式由兩類文件構(gòu)成,即觀測文件和產(chǎn)品文件,后綴分別是.obs和.prd[7]。

        觀測文件是多行ASCII文本文件,包含測控站ID、接收設備ID、射電源ID、航天器標識、觀測時間和記錄數(shù)據(jù)長度等信息。

        數(shù)據(jù)文件是二進制文件。每一個產(chǎn)品文件代表一個測站、一次掃描、一個通道的觀測數(shù)據(jù),所以在一次觀測任務中,將產(chǎn)生多個產(chǎn)品文件。產(chǎn)品文件包含多個記錄(Data Record),每個記錄由兩部分組成,一是幀頭部分(Header Section),一個是數(shù)據(jù)部分(Data Section),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        幀頭部分數(shù)據(jù)長度為176字節(jié),包含測站配置參數(shù)和描述記錄數(shù)據(jù)的信息,主要包括采樣時間、采樣速率、信號帶寬、中心頻率、量化位數(shù)等。

        數(shù)據(jù)部分(Data Section)由一個測站、一次掃描、一個通道在一秒鐘內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)組成,其數(shù)據(jù)長度與記錄速率有關。數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)為復數(shù)形式,即同相位(In-phase,I路)和正交相位(Quadrature-phase,Q路)。I路和Q路的量化位數(shù)應為1,2,4,8或16-bit,I路和Q路數(shù)據(jù)必須緊鄰組成32位字。

        三、格式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理算法

        RDEF數(shù)據(jù)格式為復信號,設其帶寬為B,采樣速率為fs,則fs=B。將該信號轉(zhuǎn)換為MARK5B格式后,變?yōu)閷嵭盘枺湫盘枎捜匀粸锽,采樣速率fs=2fs。轉(zhuǎn)換前后信號頻譜如圖3所示。

        由圖3可知,復信號(RDEF格式)頻率不具有對稱性,可分析帶寬為-fs /2~fs /2。實信號(MARK5B格式)頻譜具有對稱性,可分析帶寬0~fs。這里采樣頻率fs為轉(zhuǎn)換前復信號采樣頻率。

        根據(jù)上述頻譜變換方式,可設計信號處理原理框圖如圖4。

        RDEF數(shù)據(jù)從A點送入2倍內(nèi)插模塊,采樣頻率變?yōu)閒s=2fs,得到B點數(shù)據(jù)。經(jīng)過低通濾波,濾除鏡頻信號,獲得C點復信號I+jQ。C點信號通過頻譜搬移,向正半軸方向頻譜平移B/2,得到D點數(shù)據(jù)。由于頻譜搬移為新的采樣速率的0.25倍,因此D點復信號實部和虛部序列如圖4所示。D數(shù)據(jù)的實部和虛部之和形成E點數(shù)據(jù),即MARK5B格式數(shù)據(jù)輸出。

        圖4中,2倍內(nèi)插是在2個采樣點之間補1個零,其后續(xù)運算采樣速率為fs=2fs;FIR濾波器為低通濾波器,歸一化通帶為0.24,歸一化阻帶為0.26,帶外抑制50dB,系數(shù)個數(shù)114;乘法器為復數(shù)相乘,數(shù)字本振的輸出為復信號,其實部和需部的輸出取值為0,-1,1。通過仿真分析,圖4中各關鍵信號處理步驟的頻譜如圖5~圖8所示。

        圖4所示的2倍內(nèi)插和FIR低通濾波可采用多相濾波結(jié)構(gòu),而后續(xù)的頻譜搬移和相加器也可以根據(jù)信號特點進行簡化處理,其最終實現(xiàn)框圖如圖9所示。

        采用多相濾波結(jié)構(gòu),可以將濾波器提前至內(nèi)插器前,減少了運算量。圖4中的FIR濾波器分為圖5中FIR1和FIR2,內(nèi)插至于濾波器之后。圖4中的頻譜搬移和后續(xù)的加法器由圖5中的延遲器、加法器和選擇器代替。

        四、結(jié)束語

        通過上述分析可以看出,采用合適的數(shù)字信號處理算法,可以將深空干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器的RDEF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為MARK5B數(shù)據(jù)格式。該算法包括內(nèi)插、FIR濾波、頻譜搬移等運算。通過多相濾波的結(jié)構(gòu),可以大大減少運算量。通過仿真分析,證明了該算法的正確性。

        參 考 文 獻

        [1]楊文軍,郝龍飛. VLBI終端系統(tǒng)的發(fā)展歷史和未來展望.[J]. 天文研究與技術(shù), 2012,9,(4):374-380.

        [2]張彥芬, 蘇利娜, 王力. VLBI技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 北京測繪, 2010(4):23-25.

        [3]羅近濤等. VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器測試進展[J]. 天文研究與技術(shù), 2010 7(3):214-221.

        [4] Gino Tuccari, Alan Whitney, Hans Hinteregger, et al. IVS-WG3 Report on the Backend System[R]. IVS Memorandum 2006-003v01, 2004.

        [5] Bill Petrachenko. VLBI2010 Digital Back End (DBE) Requirements[R].IVS Memorandum 2008-014v01, 2008.

        [6] Alan R. Whitney. The Mark 5 VLBI Data System[R].IVS VLBI2010 working meeting, 2007.4.

        [7]馬高峰. VLBI2010與GNSS聯(lián)合數(shù)據(jù)分析理論及方法研究[D]. 解放軍信息工程大學博士學位論文,2011.

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