劉 波，張 恒，劉 輝，郭 強(qiáng)，鄭蓮玉

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

FY-3衛(wèi)星DPT延時(shí)鏈路高可靠全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

劉 波1，張 恒1，劉 輝1，郭 強(qiáng)2，鄭蓮玉1

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

為提高風(fēng)云三號(hào)(FY-3)衛(wèi)星星上全球數(shù)據(jù)獲取的可靠性，根據(jù)A，B，C星遙測(cè)數(shù)據(jù)采用全球?qū)崟r(shí)廣播鏈路和延時(shí)鏈路(MPT/DPT)將境內(nèi)外數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接而實(shí)現(xiàn)各載荷數(shù)據(jù)全球拼圖的不足，對(duì)04星僅用DPT延時(shí)鏈路的高可靠全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)進(jìn)行了研究。采用全新的FLASH存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制及壞區(qū)管理技術(shù)；用反熔絲FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理，將空間環(huán)境影響降至最低；采用星上設(shè)計(jì)兼容境外記錄/境內(nèi)回放和全球記錄/境內(nèi)回放兩種工作模式提高系統(tǒng)的可靠性。介紹了固存讀寫(xiě)方式、存儲(chǔ)控制模塊、固存數(shù)據(jù)回讀和固存壞區(qū)管理等FLASH存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制與處理技術(shù)。設(shè)計(jì)了新型抗單粒子翻轉(zhuǎn)。給出了兩種模式兼容的程控方案。性能比對(duì)和試驗(yàn)結(jié)果表明：提出的全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)可全方位保證04星數(shù)據(jù)的可靠下傳和處理，大幅簡(jiǎn)化了地面應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，提高了全球載荷數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性和可靠性。

極軌氣象衛(wèi)星； 全球拼圖； 延遲圖像傳輸； 同時(shí)讀寫(xiě)； 壞區(qū)管理； 單粒子翻轉(zhuǎn)； 反熔絲FPGA； 自主程控

0 引言

FY-3衛(wèi)星是我國(guó)第二代極軌氣象衛(wèi)星，其目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維定量探測(cè)。其數(shù)傳分系統(tǒng)主要完成星上載荷數(shù)據(jù)的復(fù)接、格式化、存儲(chǔ)、信道編碼及射頻傳輸?shù)裙δ?。分系統(tǒng)應(yīng)用了多載荷高可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，針對(duì)我國(guó)搭載載荷儀器數(shù)量最多的對(duì)地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理及存取問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了全天候、不間斷、高可靠下傳十多種載荷遙感數(shù)據(jù)和衛(wèi)星工程遙測(cè)數(shù)據(jù)的功能[1-3]。

FY-3A，B，C星上各載荷遙感數(shù)據(jù)和衛(wèi)星工程遙測(cè)全球數(shù)據(jù)通過(guò)HRPT/MPT鏈路(實(shí)時(shí)廣播鏈路)和DPT鏈路(延時(shí)記錄與回放鏈路)下傳。地面站配置為國(guó)內(nèi)三站和國(guó)外兩站，HRPT/MPT鏈路接收數(shù)據(jù)起始仰角為5°，DPT鏈路接收數(shù)據(jù)起始仰角為7°，地面站采用12 m天線(xiàn)同時(shí)接收處理MPT/DPT鏈路數(shù)據(jù)，采用4.2 m天線(xiàn)接收處理HRPT鏈路數(shù)據(jù)[2]。國(guó)內(nèi)外地面站將接收到的原始數(shù)據(jù)通過(guò)地面光纖專(zhuān)線(xiàn)傳輸至國(guó)家衛(wèi)星氣象中心進(jìn)行數(shù)傳幀解析，依據(jù)各虛擬通道的VCID標(biāo)識(shí)分包出各載荷實(shí)時(shí)和延時(shí)通道數(shù)據(jù)，根據(jù)載荷包中的星上時(shí)間碼由人工和軟件處理剔除部分重復(fù)數(shù)據(jù)(約20 s)，將HRPT/MPT鏈路與DPT鏈路數(shù)據(jù)進(jìn)行混拼以獲取各載荷的全球數(shù)據(jù)，每天可獲取各載荷的全球拼圖。但地面數(shù)據(jù)處理流程復(fù)雜繁瑣，空間頻帶利用率低，受限于MPT鏈路頻帶資源，不適于后續(xù)載荷速率的提升。另外，衛(wèi)星在軌實(shí)時(shí)鏈路出現(xiàn)故障或性能下降時(shí)，將不能獲取載荷境內(nèi)數(shù)據(jù)，影響載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖，衛(wèi)星使用效能降低[4]。

美國(guó)NOAA及歐洲METOP極軌氣象衛(wèi)星通過(guò)國(guó)外的南北極地面站接收延時(shí)數(shù)據(jù)，國(guó)內(nèi)站接收實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，每天發(fā)布載荷的全球拼圖1次，但對(duì)國(guó)外氣象衛(wèi)星全球數(shù)據(jù)獲取方案未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道[5]。FY-3A，B，C星DPT鏈路僅記錄境外數(shù)據(jù)，境內(nèi)快速下傳境外探測(cè)的數(shù)據(jù)，DPT鏈路下傳的數(shù)據(jù)缺少境內(nèi)數(shù)據(jù)[6-7]。為解決在軌衛(wèi)星依靠MPT鏈路與DPT鏈路數(shù)據(jù)混拼的問(wèn)題，簡(jiǎn)化地面站數(shù)據(jù)處理和云圖拼接的復(fù)雜度，F(xiàn)Y-3 04星設(shè)計(jì)了一種僅通過(guò)DPT鏈路高可靠實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的記錄及下傳方案，對(duì)星上基帶信息處理及自主程控設(shè)計(jì)進(jìn)行了改進(jìn)，星上數(shù)傳綜合處理器可在回放數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄境內(nèi)探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)衛(wèi)星DPT鏈路全球記錄/境內(nèi)回放工作模式重新進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證。該方案可提高星上全球數(shù)據(jù)獲取的可靠性，簡(jiǎn)化地面站數(shù)據(jù)處理流程，改善載荷數(shù)據(jù)的使用效能。

1 技術(shù)原理與方案

通過(guò)DPT鏈路實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的獲取，采用全新的FLASH存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制及壞區(qū)管理技術(shù)；用全反熔絲工藝FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理，將空間環(huán)境影響降為最低；采用星上設(shè)計(jì)兼容境外記錄/境內(nèi)回放和全球記錄/境內(nèi)回放兩種工作模式提高系統(tǒng)的可靠性，確保全球數(shù)據(jù)的獲取。針對(duì)星上資源受限、單機(jī)狀態(tài)早已確定及星上程控設(shè)計(jì)復(fù)雜等技術(shù)難題，對(duì)以下三個(gè)方面進(jìn)行了研究。

第一，星上需要設(shè)計(jì)大容量存儲(chǔ)器，保證全天時(shí)記錄衛(wèi)星載荷探測(cè)數(shù)據(jù)。FY-3C星已實(shí)現(xiàn)了固存的大循環(huán)讀寫(xiě)、回讀設(shè)計(jì)、簡(jiǎn)單的壞區(qū)管理，以及固存只寫(xiě)和只讀操作。FY-3 04星在C星基礎(chǔ)上，需重新對(duì)固存存儲(chǔ)控制模塊讀寫(xiě)FIFO和SRAM進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，固存主控FPGA軟件進(jìn)行重新編程，即可實(shí)現(xiàn)綜合處理器同時(shí)讀寫(xiě)操作。在C星的基礎(chǔ)上，04星設(shè)計(jì)了NAND FLASH固存壞區(qū)管理，增加了壞區(qū)上注、壞區(qū)取消、壞區(qū)表下傳及壞區(qū)檢驗(yàn)剔除閾值更改等功能。因此，04星FLASH存儲(chǔ)器同時(shí)讀寫(xiě)控制及壞區(qū)管理技術(shù)均有一定的工程實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，且該技術(shù)成熟，在其他衛(wèi)星上有在軌飛行成功經(jīng)歷。

第二，F(xiàn)Y-3A，B，C星使用的FPGA頻繁受空間環(huán)境影響，丟失載荷數(shù)據(jù)，偶爾出現(xiàn)無(wú)法獲取全球數(shù)據(jù)和實(shí)現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖。04星采用基于全反熔絲工藝FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)處理技術(shù)，通過(guò)兩塊200萬(wàn)門(mén)反熔絲FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的緩存控制、AOS組幀、編碼及存取。該技術(shù)具抗單粒子翻轉(zhuǎn)效果明顯、工藝成熟、可滿(mǎn)足后續(xù)氣象衛(wèi)星基帶處理需求等優(yōu)點(diǎn)。反熔絲工藝FPGA對(duì)空間環(huán)境不敏感，根據(jù)在軌經(jīng)驗(yàn)，基本不會(huì)出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)事件，且200萬(wàn)門(mén)反熔絲FPGA已用于衛(wèi)星中，有在軌飛行成功經(jīng)歷。

第三，鑒于FY-3衛(wèi)星在軌數(shù)傳為星上全自主程序控制設(shè)計(jì)，僅通過(guò)DPT鏈路實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的獲取，必須更改數(shù)傳的在軌程序控制模式。04星DPT鏈路新增全球記錄/境內(nèi)回放工作模式，且兼容C星的境外記錄/境內(nèi)回放工作模式，通過(guò)采用星上兩種工作模式，地面可注數(shù)修改參數(shù)實(shí)現(xiàn)兩種工作模式的切換，有效解決了兩種工作模式兼容的難點(diǎn)，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。新增的工作模式是在C星的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，僅固存的讀寫(xiě)指令控制不同，并在地面進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 FLASH存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制與處理技術(shù)

DPT鏈路高可靠獲取全球遙感數(shù)據(jù)和平臺(tái)數(shù)據(jù)，因全球數(shù)據(jù)需全天時(shí)記錄和快速下傳，采用設(shè)計(jì)固存的基本操作實(shí)現(xiàn)容量的重復(fù)利用，由存儲(chǔ)控制模塊的輔控FPGA緩存滿(mǎn)足固存的同時(shí)讀寫(xiě)操作需求，固存的回讀保證兩軌數(shù)據(jù)的無(wú)縫銜接，固存壞區(qū)管理實(shí)現(xiàn)FLASH存儲(chǔ)芯片讀寫(xiě)、擦除狀態(tài)下壞區(qū)的檢測(cè)和剔除，從而保證全球數(shù)據(jù)下傳的完整性。

2.1固存讀寫(xiě)方式

圖1 讀寫(xiě)方式設(shè)計(jì)Fig.1 Reading and writing design

為有效利用固存容量，采用大循環(huán)控制方式，固存讀寫(xiě)方式包括固存讀、固存寫(xiě)、固存處理復(fù)位、固存停和固存讀停等操作，如圖1所示[8]。通過(guò)設(shè)計(jì)獨(dú)立的讀/寫(xiě)指針，并將讀寫(xiě)指針位置存儲(chǔ)在寄存器中，固存的讀寫(xiě)方式基于讀寫(xiě)指針控制實(shí)現(xiàn)，固存讀寫(xiě)指針采用16位地址顯示，讀/寫(xiě)指針位置地址為0000至FFFF。固存寫(xiě)是指將組幀后的數(shù)據(jù)寫(xiě)入存儲(chǔ)器，并實(shí)時(shí)更新寫(xiě)指針位置，當(dāng)寫(xiě)指針遇到讀指針時(shí)，顯示為寫(xiě)溢出狀態(tài)，自動(dòng)觸發(fā)寫(xiě)停操作；固存讀是指將存儲(chǔ)器記錄的數(shù)據(jù)回放至發(fā)射機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)地下傳，當(dāng)讀指針遇到寫(xiě)指針時(shí)，顯示為讀溢出狀態(tài)，自動(dòng)觸發(fā)讀停操作；固存同時(shí)讀寫(xiě)是指存儲(chǔ)器在記錄數(shù)據(jù)的同時(shí)回放之前記錄的數(shù)據(jù)；固存大循環(huán)控制是指讀/寫(xiě)指針更新至存儲(chǔ)器末尾FFFF處，指針位置從首端0000開(kāi)始操作，可重復(fù)利用固存容量。固存處理復(fù)位可恢復(fù)存儲(chǔ)器上電初始態(tài)，讀/寫(xiě)指針位置歸至零位。

2.2存儲(chǔ)控制模塊

需實(shí)現(xiàn)固存數(shù)據(jù)的慢寫(xiě)快放，并在固存回放數(shù)據(jù)的同時(shí)記錄實(shí)時(shí)探測(cè)的數(shù)據(jù)，固存緩存控制是關(guān)鍵。

NAND FLASH存儲(chǔ)芯片讀寫(xiě)均為突發(fā)模式并以頁(yè)為單位(每頁(yè)容量2 kB)。數(shù)據(jù)寫(xiě)入需經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)加載和編程兩個(gè)步驟：數(shù)據(jù)加載包括寫(xiě)入指令字、地址字，加載1頁(yè)數(shù)據(jù)，再寫(xiě)入指令字，在時(shí)鐘頻率20 MHz下需約200 μs；數(shù)據(jù)編程將載入的頁(yè)數(shù)據(jù)寫(xiě)入對(duì)應(yīng)的頁(yè)地址，耗時(shí)300～700 μs，在此期間芯片數(shù)據(jù)端處于高阻狀態(tài)。數(shù)據(jù)讀出無(wú)需編程，只需要加載，加載時(shí)間約235 μs。FLASH固存讀、寫(xiě)過(guò)程均需要數(shù)據(jù)緩存。FLASH芯片的擦除以塊為單位，1塊為64頁(yè)。緩存的大小和控制方式直接影響單機(jī)的工作模式。固存存儲(chǔ)控制以塊為最小單元，固存最小顆粒度1 MB。

存儲(chǔ)控制模塊原理如圖2所示。輔控FPGA芯片AX2000-CQ352實(shí)現(xiàn)用于記錄數(shù)據(jù)的SRAM寫(xiě)緩存控制，以及用于回放數(shù)據(jù)的SRAM讀緩存控制，實(shí)現(xiàn)與AOS板與存儲(chǔ)板的數(shù)據(jù)接口；主控FPGA芯片A54SX72A接收AOS板發(fā)送的指令進(jìn)行解析，采集存儲(chǔ)板及輔控的狀態(tài)遙測(cè)，打包送至AOS板，產(chǎn)生存儲(chǔ)板需要的指令字序列、區(qū)塊地址，輔控電路的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，控制EEPROM(非易失性、反復(fù)可擦除存儲(chǔ)介質(zhì))的讀寫(xiě)操作，根據(jù)存儲(chǔ)板的遙測(cè)信息確定區(qū)塊的好壞并及時(shí)更新壞區(qū)表。EEPROM用于存儲(chǔ)FLASH存儲(chǔ)板的最新壞區(qū)表。讀、寫(xiě)緩存分別由AX2000內(nèi)部FIFO和外部SRAM實(shí)現(xiàn)。

圖2 存儲(chǔ)控制模塊原理Fig.2 Principle of storage control module

在寫(xiě)狀態(tài)下，接收AOS板發(fā)送的數(shù)據(jù)，進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換后存入FIFO寫(xiě)緩存，待FIFO半滿(mǎn)后，將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM寫(xiě)緩存。待SRAM寫(xiě)緩存數(shù)據(jù)達(dá)到8 Mb容量時(shí)，便將數(shù)據(jù)快速寫(xiě)入FLASH存儲(chǔ)板。由于FLASH存儲(chǔ)板進(jìn)行頁(yè)寫(xiě)操作(每頁(yè)為128 kb)，每次頁(yè)寫(xiě)還需等待時(shí)間700 μs，在此期間將FIFO寫(xiě)緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM。因此，數(shù)據(jù)的寫(xiě)入操作是在SRAM寫(xiě)緩存的快速寫(xiě)入和快速讀出時(shí)實(shí)現(xiàn)。

在讀狀態(tài)下，接收存儲(chǔ)板讀出的頁(yè)數(shù)據(jù)，寫(xiě)入SRAM讀緩存，待SRAM存滿(mǎn)8 Mb數(shù)據(jù)后，便將數(shù)據(jù)輸出至FIFO讀緩存。FIFO讀緩存根據(jù)AOS板發(fā)送的時(shí)鐘讀取其中的數(shù)據(jù)，連續(xù)輸出至AOS組幀板，實(shí)現(xiàn)單機(jī)的高速數(shù)據(jù)連續(xù)輸出。因SRAM緩存和FIFO緩存均為幀長(zhǎng)(1 kB)的整數(shù)倍，由此實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)整幀記錄和回放。

在同時(shí)讀寫(xiě)狀態(tài)下，寫(xiě)緩存的FIFO根據(jù)載荷速率斷續(xù)寫(xiě)入，讀緩存的FIFO連續(xù)輸出數(shù)據(jù)。單端口的讀、寫(xiě)緩存SRAM根據(jù)主控發(fā)來(lái)的讀、寫(xiě)指令分時(shí)從存儲(chǔ)板中讀數(shù)或往存儲(chǔ)板中寫(xiě)數(shù)。

2.3固存數(shù)據(jù)回讀

圖3 FLASH固存回讀設(shè)計(jì)Fig.3 Design of FLASH storage medium back read

由于星地間鏈路建立需要時(shí)間，每次數(shù)據(jù)下傳初始階段會(huì)丟失1～2 s的數(shù)據(jù)，影響全球數(shù)據(jù)的完整獲取?？紤]到星地間的同步時(shí)間，為保證連續(xù)兩軌數(shù)據(jù)無(wú)縫銜接，F(xiàn)Y-3A，B星采用下傳引導(dǎo)碼方式，下傳引導(dǎo)碼格式為“1ACFFC1D+1234”，引導(dǎo)碼幀長(zhǎng)1 024 B，該方案由于填充固定數(shù)據(jù)，不利于星地間同步的建立。04星固存回放時(shí)采用回讀5 s以上重疊數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)為整幀形式輸出，如圖3所示。該重疊數(shù)據(jù)為加擾后的星上載荷真實(shí)數(shù)據(jù)，具較優(yōu)的隨機(jī)性，減少了星地間的同步時(shí)間。該設(shè)計(jì)是基于讀指針的地址控制實(shí)現(xiàn)的，固存每次回放時(shí)讀指針地址回卷區(qū)塊144個(gè)，每個(gè)區(qū)塊容量8 Mb，回放速率225 Mb/s(回讀時(shí)間5.12 s)，滿(mǎn)足回讀大于5 s的要求，實(shí)現(xiàn)了本次開(kāi)始回放的數(shù)據(jù)即為上次回放數(shù)據(jù)的末尾，保證兩軌數(shù)據(jù)的無(wú)縫銜接。

2.4固存壞區(qū)管理

NAND FLASH存儲(chǔ)介質(zhì)可實(shí)現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，但FLASH芯片的工藝結(jié)構(gòu)決定了在使用中會(huì)產(chǎn)生新的壞區(qū)和單比特錯(cuò)誤，影響全球數(shù)據(jù)的完整性[9-10]。04星采取了一種星載NAND FLASH固存壞區(qū)管理設(shè)計(jì)方法，可實(shí)現(xiàn)低軌氣象衛(wèi)星數(shù)傳大容量數(shù)據(jù)存取，有效剔除FLASH存儲(chǔ)芯片產(chǎn)生的新壞區(qū)，最高效率管理FLASH固存壞區(qū)，保證衛(wèi)星探測(cè)數(shù)據(jù)存取的正確性及完整性，提高衛(wèi)星的使用效能。固存壞區(qū)管理原理如圖4所示。首先讀取存儲(chǔ)板出廠壞區(qū)信息表并存儲(chǔ)在EEPROM中，用于異常狀態(tài)下的靜態(tài)工作表修復(fù)。靜態(tài)工作表存儲(chǔ)在EEPROM中，其初始態(tài)即為壞區(qū)出廠表。上電時(shí)，靜態(tài)工作表導(dǎo)入片上SRAM，成為動(dòng)態(tài)工作表的初始態(tài)。工作過(guò)程中，F(xiàn)LASH陣列管理單元查詢(xún)動(dòng)態(tài)工作表，并在擦除和編程結(jié)束時(shí)根據(jù)芯片的狀態(tài)反饋，在讀操作時(shí)根據(jù)數(shù)據(jù)校驗(yàn)結(jié)果檢測(cè)使用壞塊并更新動(dòng)態(tài)工作表，空閑時(shí)將更新的內(nèi)容寫(xiě)入靜態(tài)工作表[11-12]。

擦除狀態(tài)處理模塊用于根據(jù)FLASH存儲(chǔ)芯片擦除狀態(tài)反饋信息判斷該區(qū)塊的好壞。擦除成功該區(qū)塊即為好塊，擦除失敗將該區(qū)塊標(biāo)記為壞區(qū)，并更新EEPROM中固存壞區(qū)表；寫(xiě)狀態(tài)處理模塊用于根據(jù)FLASH存儲(chǔ)芯片寫(xiě)入AOS組幀編碼后數(shù)據(jù)反饋的電平信息，判斷該區(qū)塊的好壞。芯片狀態(tài)反饋為成功信號(hào)，該區(qū)塊即為好塊，芯片狀態(tài)反饋為失敗信號(hào)，將該區(qū)塊標(biāo)記為壞區(qū)，并更新EEPROM中固存壞區(qū)表，將寫(xiě)的數(shù)據(jù)加載至下一個(gè)好區(qū)塊。

圖4 FLASH固存壞區(qū)管理流程Fig.4 Flowchart of FLASH storage medium’s bad block management

FLASH存儲(chǔ)芯片讀取數(shù)據(jù)時(shí)，采用(72，64)漢明譯碼，可糾正64 b中的單比特誤碼。當(dāng)64 b中出現(xiàn)多比特誤碼時(shí)，將漢明校驗(yàn)失敗信號(hào)反饋至存儲(chǔ)控制FPGA的計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)器并加1。寫(xiě)入FLASH固存中的數(shù)據(jù)已進(jìn)行了RS(255，223)交織編碼，考慮節(jié)省芯片資源及地面試驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果，嚴(yán)格壞區(qū)判斷條件，將閾值初步設(shè)置為8次(衛(wèi)星在軌時(shí)地面可注數(shù)修改閾值)。FLASH固存一個(gè)區(qū)塊容量8 Mb，讀完一個(gè)區(qū)塊會(huì)有校驗(yàn)反饋信息131 072個(gè)。計(jì)數(shù)電路在讀時(shí)對(duì)漢明校驗(yàn)反饋信息進(jìn)行判斷，判斷為多比特誤碼則計(jì)數(shù)1次。當(dāng)區(qū)塊讀結(jié)束時(shí)，先判斷計(jì)數(shù)器結(jié)果是否超過(guò)規(guī)定閾值N。若計(jì)數(shù)結(jié)果超出閾值，則判斷該區(qū)塊為壞區(qū)，立即更新EEPROM中固存壞區(qū)表，到下一循環(huán)寫(xiě)時(shí)便跳過(guò)此區(qū)塊。若計(jì)數(shù)結(jié)果未超出閾值，則判斷該區(qū)塊為好區(qū)。

3 新型抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)及影響分析

FY-3A，B，C星信息處理器在軌為常加電工作狀態(tài)，30萬(wàn)門(mén)FPGA在軌易受空間環(huán)境影響，致使遙感數(shù)據(jù)部分丟失，不能實(shí)現(xiàn)各載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖，給用戶(hù)后期數(shù)據(jù)應(yīng)用造成不便[13-14]。

FY-3B星的FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)采用定期加載和糾錯(cuò)編碼方式結(jié)合實(shí)現(xiàn)。在南極上空(南緯80°)每軌進(jìn)行定期復(fù)位操作，即定期對(duì)FPGA配置文件重新加載。糾錯(cuò)編碼方式采用奇偶校驗(yàn)法確保FPGA信息處理的正確性。但該奇偶校驗(yàn)法存在不足，如配置文件同時(shí)翻轉(zhuǎn)偶數(shù)位，校驗(yàn)值不發(fā)生變化，就無(wú)法對(duì)FPGA進(jìn)行自主加載，造成FPGA功能錯(cuò)誤，從而導(dǎo)致星上信息處理錯(cuò)亂，最多會(huì)影響衛(wèi)星1軌遙感數(shù)據(jù)。

針對(duì)奇偶校驗(yàn)法自身的設(shè)計(jì)缺陷，F(xiàn)Y-3C星對(duì)FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)方法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，采用定期刷新結(jié)合配置文件回讀方法。在南極上空(南緯80°)每軌進(jìn)行定期復(fù)位操作，即定期對(duì)FPGA配置文件重新加載。配置文件回讀方法實(shí)時(shí)將FPGA的配置文件與固化在PROM中的原始配置文件一一比對(duì)，一旦發(fā)現(xiàn)比對(duì)錯(cuò)誤，將PROM中的原始配置文件重新加載到FPGA中，保證FPGA信息處理的正確性。

若FPGA配置文件發(fā)生變化，即認(rèn)為FPGA受空間環(huán)境影響發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，對(duì)配置文件重新加載，相應(yīng)地自主加載計(jì)數(shù)遙測(cè)加1。對(duì)全球遙測(cè)進(jìn)行事后處理分析，統(tǒng)計(jì)一段時(shí)間內(nèi)FPGA自主加載計(jì)數(shù)遙測(cè)值，通過(guò)星下點(diǎn)緯度遙測(cè)篩選出除南緯80°外定期復(fù)位計(jì)數(shù)加1的情況，即為該段時(shí)間內(nèi)FPGA自主檢查出的單粒子翻轉(zhuǎn)次數(shù)，進(jìn)而可比對(duì)FY-3B，C星單粒子翻轉(zhuǎn)措施的有效性。在軌統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

因基于反熔絲工藝的FPGA日漸成熟，04星數(shù)傳綜合處理器采用全反熔絲FPGA設(shè)計(jì)，AOS組幀和固存輔控使用200萬(wàn)門(mén)的反熔絲FPGA，資源占用率低。該款FPGA受空間環(huán)境影響概率極低[15]。04星保留C星MPT/DPT鏈路復(fù)位指令，對(duì)存儲(chǔ)輔控FPGA新增固存緩存復(fù)位指令。

04星在軌測(cè)試階段，先不啟用每軌對(duì)200萬(wàn)門(mén)反熔絲FPGA定期復(fù)位功能，根據(jù)在軌測(cè)試期間數(shù)據(jù)接收情況，決定是否啟用定期復(fù)位功能。DPT鏈路復(fù)位后各載荷的緩存清零，每個(gè)虛擬信道的幀計(jì)數(shù)歸零，每路載荷數(shù)據(jù)最多丟失2 kB。固存緩存復(fù)位是對(duì)輔控200萬(wàn)門(mén)反熔絲FPGA進(jìn)行初始化，由于固存主控與輔控FPGA間存在交互信號(hào)，致使發(fā)送該指令后，固存處于讀停和寫(xiě)停狀態(tài)，且讀寫(xiě)指針遙測(cè)顯示在0000位置。假設(shè)在固存寫(xiě)的狀態(tài)下發(fā)送固存緩存復(fù)位，會(huì)向固存最多寫(xiě)入8 Mb的全1(數(shù)據(jù)最多丟失8 Mb)。因發(fā)送DPT鏈路復(fù)位和固存緩存復(fù)位指令是在仰角6°，而MPT鏈路數(shù)據(jù)開(kāi)始接收時(shí)仰角5°，故該部分丟失的延時(shí)數(shù)據(jù)可在MPT鏈路站內(nèi)數(shù)據(jù)中查找到，定期復(fù)位不會(huì)影響載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖。

表1 信息處理器HRPT/MPT鏈路單粒子翻轉(zhuǎn)

4 衛(wèi)星自主程控設(shè)計(jì)

DPT鏈路僅在與地面站可見(jiàn)范圍內(nèi)工作，且DPT發(fā)射機(jī)功耗較大，故在衛(wèi)星與地面站可見(jiàn)前開(kāi)始此次數(shù)據(jù)回放的準(zhǔn)備，發(fā)射機(jī)開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序指令為間接指令，均可受數(shù)管計(jì)算機(jī)控制。FY-3衛(wèi)星在軌運(yùn)行星上采用全自主程控設(shè)計(jì)，數(shù)管計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算衛(wèi)星與地面站間仰角，當(dāng)仰角滿(mǎn)足一定條件時(shí)提前執(zhí)行DPT鏈路開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)序，如圖5所示。在衛(wèi)星進(jìn)入地面站接收區(qū)前558 s星上自主發(fā)送DPT功放級(jí)開(kāi)機(jī)，功放級(jí)開(kāi)機(jī)8 s后發(fā)送開(kāi)低壓指令，間隔5 min發(fā)送開(kāi)高壓指令，DPT前級(jí)在進(jìn)入接收區(qū)前228 s發(fā)開(kāi)前級(jí)指令，在仰角6°時(shí)，星上自主發(fā)送固存停或讀停(取決于工作模式)指令，在仰角7°時(shí)，星上自主發(fā)送固存讀指令，開(kāi)始下傳星上存儲(chǔ)器記錄的全球數(shù)據(jù)。

04星DPT鏈路需具備境外記錄/境內(nèi)回放(C星工作模式)和全球記錄/境內(nèi)回放工作模式，兩種工作模式程控時(shí)序的區(qū)別是衛(wèi)星進(jìn)出站時(shí)固存的控制。全球記錄/境內(nèi)回放工作模式時(shí)，固存程控設(shè)計(jì)為：衛(wèi)星進(jìn)站，仰角7°發(fā)送固存讀指令；衛(wèi)星出站，仰角7°發(fā)送固存讀停指令。為兼容C星程控邏輯設(shè)計(jì)方案，衛(wèi)星進(jìn)出站需依次發(fā)：讀停(固存無(wú)響應(yīng))→讀→……→讀?！鷮?xiě)(固存無(wú)響應(yīng))。

圖5 DPT鏈路自主程控Fig.5 Delay link transmission program control

FY-3C和04星DPT鏈路兩種工作模式程控方案如圖6所示。在全球記錄/境內(nèi)回放工作模式下，進(jìn)站前發(fā)送固存讀停指令，出站發(fā)送固存讀停指令；在境外記錄/境內(nèi)回放工作模式下，進(jìn)站前發(fā)送固存停指令，出站發(fā)送固存停指令。該方案邏輯上滿(mǎn)足兩種工作模式，數(shù)管只需注數(shù)修改固存停/讀停指令即可完成兩種工作模式的切換。

圖6 FY-3C，04星兩種模式兼容程控方案Fig.6 Two modes of compatibility program in FY-3C and 04 satellites

5 性能比對(duì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

因FY-3A，B星使用的SDRAM疊裝存儲(chǔ)芯片供應(yīng)和無(wú)法解決大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)問(wèn)題，且考慮后續(xù)氣象衛(wèi)星固存存儲(chǔ)容量需求為約1 Tb，F(xiàn)Y-3C星使用NAND FLASH存儲(chǔ)芯片，該芯片具有集成度高，指標(biāo)滿(mǎn)足應(yīng)用需求，有在軌飛行經(jīng)歷等特點(diǎn)。針對(duì)固存數(shù)據(jù)回讀和壞區(qū)管理技術(shù)已在C星得到在軌應(yīng)用，星地間同步良好，壞區(qū)檢測(cè)技術(shù)有效，保證了C星全球數(shù)據(jù)的完整性。04星在壞區(qū)管理中增加的上注壞區(qū)、取消壞區(qū)、上注壞區(qū)剔除閾值、上注壞區(qū)百分比、下傳壞區(qū)表及讀寫(xiě)指針精細(xì)化管理等功能，已在各階段整星試驗(yàn)中得到充分測(cè)試驗(yàn)證。

FY-3C星固存數(shù)據(jù)記錄與回放處于互斥設(shè)計(jì)，不支持同時(shí)讀寫(xiě)操作。為適于僅用DPT鏈路獲取全球數(shù)據(jù)，04星設(shè)計(jì)新增了固存同時(shí)讀寫(xiě)，優(yōu)化了存儲(chǔ)控制，在單機(jī)試驗(yàn)階段及整星環(huán)模試驗(yàn)得到充分驗(yàn)證，04星固存配置1 Tb容量，進(jìn)行了約80次的固存大循環(huán)讀寫(xiě)操作，固存同時(shí)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)未出現(xiàn)誤碼和產(chǎn)生新的壞區(qū)。

FY-3B星對(duì)配置文件進(jìn)行奇偶校驗(yàn)，C星對(duì)配置文件進(jìn)行回讀比對(duì)，實(shí)時(shí)檢測(cè)FPGA的配置文件是否發(fā)生變化。該抗單粒子翻轉(zhuǎn)方案受限于FPGA對(duì)空間環(huán)境敏感，根據(jù)在軌經(jīng)驗(yàn)，偶爾會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況。04星采用反熔絲工藝FPGA，對(duì)空間環(huán)境不敏感，可將空間環(huán)境影響降至最低，單機(jī)已完成環(huán)模試驗(yàn)并隨整星進(jìn)行了測(cè)試，有待長(zhǎng)期在軌考核驗(yàn)證。

針對(duì)程控方案優(yōu)化設(shè)計(jì)已成功用于04星，經(jīng)過(guò)整星程控模飛及熱真空試驗(yàn)，驗(yàn)證了兩種工作模式的兼容性和正確性。整星熱真空試驗(yàn)中，DPT鏈路按設(shè)計(jì)的程序進(jìn)行時(shí)序加斷電，在境內(nèi)固存讀操作的同時(shí)處于固存寫(xiě)狀態(tài)，試驗(yàn)驗(yàn)證了DPT鏈路全球記錄/境內(nèi)回放工作模式。在與地面站可見(jiàn)前，發(fā)送了固存停指令，在仰角7°發(fā)送固存讀指令，在境內(nèi)固存僅處于讀狀態(tài)，驗(yàn)證了DPT鏈路境外記錄/境內(nèi)回放工作模式。

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)在軌的FY-3衛(wèi)星MPT實(shí)時(shí)鏈路與DPT延時(shí)鏈路數(shù)據(jù)混拼獲取全球數(shù)據(jù)，存在空間頻帶利用率低、可靠性相對(duì)低及地面處理復(fù)雜等問(wèn)題。FY-3 04星采用僅通過(guò)DPT鏈路實(shí)現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的獲取方法。采用全新的FLASH存儲(chǔ)器讀寫(xiě)控制及壞區(qū)管理技術(shù)，用全反熔絲工藝FPGA實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理將空間環(huán)境影響降為最低；星上設(shè)計(jì)兼容境外記錄/境內(nèi)回放和全球記錄/境內(nèi)回放兩種工作模式提高系統(tǒng)的可靠性。試驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的全球數(shù)據(jù)獲取方案合理可行，固存數(shù)據(jù)控制及處理可滿(mǎn)足數(shù)據(jù)記錄回放的完整性，抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)方案將空間環(huán)境影響降至最低，衛(wèi)星自主程控設(shè)計(jì)可兼容衛(wèi)星在軌兩種工作模式。該方案已用于FY-3 04星數(shù)傳分系統(tǒng)，有效簡(jiǎn)化了地面數(shù)據(jù)處理流程，節(jié)省地面人力和物力成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)獲取的時(shí)效性，每天可快速實(shí)現(xiàn)各載荷的全球拼圖。目前，該方案有待在軌長(zhǎng)期考核驗(yàn)證。后續(xù)將提升固存同時(shí)讀寫(xiě)處理速度，以滿(mǎn)足FY-3 03批極軌氣象衛(wèi)星載荷速率的大幅提升和每軌固存數(shù)據(jù)清空的需求。

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ResearchonHighReliableGlobalDataAcquisitionTechnologyofDPTDelayLinkTransmissionforFY-3Satellites

LIU Bo1， ZHANG Heng1， LIU Hui1， GUO Qiang2， ZHENG Lian-yu1

(1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China;2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

To improve the reliability of global payload data of FY-3 meteorological satellite, the acquisition technology of high reliable global payload data using only delay picture transmit (DPT) delay link for the forth FY-3 satellite was studied when the disadvantage of FY-3A, B, C satellites is relying on the global real-time radio link and delay link to splice the data in and out of the China. The reading and writing control and bad block management are applied based on FLASH memory. The antifuse FPGA is used for realizing the treatment for high speed data, which can reduce the space environment effect to the least. The two compatible modes onboard of recording in abroad/replaying in domestic and global recording/replaying in domestic are adopted to improve the system reliability. The management and treatment of reading and writing FLASH memory were introduced which were reading and writing way of solid state memory (STM), storage management module, back read of STM and bad block management of STM. The new anti-single particle flip was designed. The program control scheme with the two compatible modes was given. The performance comparison and test result showed that the payload data for FY-3 04 satellite could download and treat reliably using the technology proposed. It can simplify the data treatment of the ground segment system and improve the efficiency and reliability of global payload data acquisition.

polar meteorological satellites; global puzzle; delay picture transmit; reading and writing; bad block management; single particle flip; antifuse FPGA; program control

1006-1630(2017)04-0096-08

2017-05-18；

：2017-06-30

劉 波(1981—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)樾l(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

P414.4； V423.42

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.012