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        深空干涉測(cè)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(cè)控站干涉測(cè)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(guān)鍵詞】 甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)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(duì)于深空探測(cè)任務(wù),航天器的測(cè)量與控制是任務(wù)成敗的關(guān)鍵。受距離超遠(yuǎn)的影響,傳統(tǒng)的單站距離、速度、角度測(cè)量體制無法滿足深空探測(cè)器測(cè)量精度要求。而甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量VLBI(Very Long Baseline Interferometry)以其高精度測(cè)角的特點(diǎn)在天體物理、大地測(cè)量、地球物理、深空探測(cè)等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。

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

        深空干涉測(cè)量基帶轉(zhuǎn)換器是VLBI系統(tǒng)的重要組成部分,主要承擔(dān)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(chǔ)等任務(wù),是后續(xù)信號(hào)處理的基礎(chǔ)。

        我國深空測(cè)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?jǐn)?shù)字基帶轉(zhuǎn)換器采用,主要對(duì)于單邊帶實(shí)信號(hào)記錄,廣泛應(yīng)用于射電天文領(lǐng)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(huì))發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)格式,信號(hào)形式為復(fù)信號(hào)。由于每次觀測(cè)的各通道數(shù)據(jù)都會(huì)單獨(dú)產(chǎn)生一個(gè)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(yīng)用于深空探測(cè)領(lǐng)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(jiǎn)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)幀。每個(gè)數(shù)據(jù)幀以4個(gè)32-bit字的幀頭開始,緊接著2500個(gè)32-bit字的數(shù)據(jù)序列[6]。在每個(gè)整數(shù)秒時(shí)刻有一個(gè)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(gè)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(tái)站ID號(hào));比特15是測(cè)試向量標(biāo)志(1表示記錄的是測(cè)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(hào)(當(dāng)整數(shù)秒時(shí)刻到來時(shí),新的幀頭序號(hào)從零開始);

        字2~3:記錄起始數(shù)據(jù)的BCD時(shí)間碼和16比特循環(huán)冗余校驗(yàn)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(gè)32比特字的數(shù)據(jù)序列。幀頭中記錄的時(shí)間是每一幀中各有效比特流被第一次采樣的時(shí)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(cè)文件和產(chǎn)品文件,后綴分別是.obs和.prd[7]。

        觀測(cè)文件是多行ASCII文本文件,包含測(cè)控站ID、接收設(shè)備ID、射電源ID、航天器標(biāo)識(shí)、觀測(cè)時(shí)間和記錄數(shù)據(jù)長(zhǎng)度等信息。

        數(shù)據(jù)文件是二進(jìn)制文件。每一個(gè)產(chǎn)品文件代表一個(gè)測(cè)站、一次掃描、一個(gè)通道的觀測(cè)數(shù)據(jù),所以在一次觀測(cè)任務(wù)中,將產(chǎn)生多個(gè)產(chǎn)品文件。產(chǎn)品文件包含多個(gè)記錄(Data Record),每個(gè)記錄由兩部分組成,一是幀頭部分(Header Section),一個(gè)是數(shù)據(jù)部分(Data Section),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

        幀頭部分?jǐn)?shù)據(jù)長(zhǎng)度為176字節(jié),包含測(cè)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(shí)間、采樣速率、信號(hào)帶寬、中心頻率、量化位數(shù)等。

        數(shù)據(jù)部分(Data Section)由一個(gè)測(cè)站、一次掃描、一個(gè)通道在一秒鐘內(nèi)的觀測(cè)數(shù)據(jù)組成,其數(shù)據(jù)長(zhǎng)度與記錄速率有關(guān)。數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)為復(fù)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(yīng)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(fù)信號(hào),設(shè)其帶寬為B,采樣速率為fs,則fs=B。將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為MARK5B格式后,變?yōu)閷?shí)信號(hào),其信號(hào)帶寬仍然為B,采樣速率fs=2fs。轉(zhuǎn)換前后信號(hào)頻譜如圖3所示。

        由圖3可知,復(fù)信號(hào)(RDEF格式)頻率不具有對(duì)稱性,可分析帶寬為-fs /2~fs /2。實(shí)信號(hào)(MARK5B格式)頻譜具有對(duì)稱性,可分析帶寬0~fs。這里采樣頻率fs為轉(zhuǎn)換前復(fù)信號(hào)采樣頻率。

        根據(jù)上述頻譜變換方式,可設(shè)計(jì)信號(hào)處理原理框圖如圖4。

        RDEF數(shù)據(jù)從A點(diǎn)送入2倍內(nèi)插模塊,采樣頻率變?yōu)閒s=2fs,得到B點(diǎn)數(shù)據(jù)。經(jīng)過低通濾波,濾除鏡頻信號(hào),獲得C點(diǎn)復(fù)信號(hào)I+jQ。C點(diǎn)信號(hào)通過頻譜搬移,向正半軸方向頻譜平移B/2,得到D點(diǎn)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(diǎn)復(fù)信號(hào)實(shí)部和虛部序列如圖4所示。D數(shù)據(jù)的實(shí)部和虛部之和形成E點(diǎn)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(gè)采樣點(diǎn)之間補(bǔ)1個(gè)零,其后續(xù)運(yùn)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(gè)數(shù)114;乘法器為復(fù)數(shù)相乘,數(shù)字本振的輸出為復(fù)信號(hào),其實(shí)部和需部的輸出取值為0,-1,1。通過仿真分析,圖4中各關(guān)鍵信號(hào)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(hào)特點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理,其最終實(shí)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(yùn)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(hào)處理算法,可以將深空干涉測(cè)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(yùn)算。通過多相濾波的結(jié)構(gòu),可以大大減少運(yùn)算量。通過仿真分析,證明了該算法的正確性。

        參 考 文 獻(xiàn)

        [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(cè)繪, 2010(4):23-25.

        [3]羅近濤等. VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器測(cè)試進(jìn)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(xué)博士學(xué)位論文,2011.

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