張 毅，周 詮，賀一峰，李渝昕，王永塔

(中國空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

20世紀90年代衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍不斷擴大，高級在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting System, AOS)可滿足星地、地星、星星之間多種數(shù)據(jù)類型、不同速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑸楦叻直媛蕡D像數(shù)據(jù)、動態(tài)視頻數(shù)據(jù)等的傳輸提供了可能[1,2]。近年來，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸帶寬由最初的幾比特/秒提升至幾百兆比特/秒，甚至可達千兆比特/秒量級，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法已無法適應(yīng)在軌數(shù)據(jù)量大幅提升的發(fā)展趨勢，需要研究更加高效的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸調(diào)度方法。新的數(shù)據(jù)處理算法[3～6]、高效傳輸技術(shù)[7～9]不斷應(yīng)用到衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)處理和傳輸中，提高了衛(wèi)星載荷存儲和處理數(shù)據(jù)的速率，提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸常用的工作模式有實時傳輸模式、回放模式和邊記邊放模式。實時傳輸模式可保證當次任務(wù)數(shù)據(jù)時效性，但傳輸通道利用率受傳輸數(shù)據(jù)影響波動性較大；回放模式提高了通道的利用率，但信息被延時傳輸從而降低了信息的價值；邊記邊放模式可進一步提高通道利用率，由于當次任務(wù)信息與回放信息同時傳輸，實時數(shù)據(jù)的時效性受到回放數(shù)據(jù)的影響。

本文對衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸常用方法進行分析，針對應(yīng)用中通道資源利用率與傳輸數(shù)據(jù)時效性存在制約的情況，提出了一種數(shù)據(jù)傳輸高效調(diào)度方案。在本方案中實時數(shù)據(jù)被優(yōu)先傳輸，在實時數(shù)據(jù)傳輸間隙插入回放數(shù)據(jù)提高通道利用率，該方案既可保證實時傳輸數(shù)據(jù)的時效性，又能充分利用數(shù)據(jù)傳輸通道。通過硬件實測表明，使用本方法進行數(shù)據(jù)傳輸時通道中有效數(shù)據(jù)比率優(yōu)于99.99%，為提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸通道利用率提供了一種可行方法。

1 當前數(shù)據(jù)傳輸面臨的問題

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸通道將星上采集的地面目標信息處理后實時傳輸至地面接收站。數(shù)據(jù)傳輸通道中數(shù)據(jù)量的大小既取決于觀測目標的多寡，也根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理設(shè)備選用的處理方案不同而發(fā)生變化。另外為防止載荷數(shù)據(jù)在下傳過程中出現(xiàn)溢出，通道容量按可能出現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)量設(shè)計，同時為適應(yīng)突發(fā)狀況通道會預(yù)留有3%～10%的余量備用。

當目標信息量大或壓縮比率較小時，數(shù)傳通道需要下傳的數(shù)據(jù)量較大，通道設(shè)計的容量可全部用于有用數(shù)據(jù)傳輸。反之當目標信息量很小或壓縮比率較大時，通道需下傳有效數(shù)據(jù)急劇減少，星上處理設(shè)備產(chǎn)生無效數(shù)據(jù)填滿通道空閑區(qū)域以保證通道下傳速率的穩(wěn)定，這時數(shù)傳通道利用率大幅下降。

星上數(shù)據(jù)傳輸采用記錄、回放傳輸方法配合使用時，實時數(shù)據(jù)暫存于星上存儲設(shè)備，根據(jù)地面指令將數(shù)據(jù)回放至地面。隨著無效數(shù)據(jù)剔除技術(shù)的引入，回放傳輸方法數(shù)傳通道利用率逐漸提高，但數(shù)據(jù)的時效性無法得到保證。

實時傳輸加回放傳輸方法既能在當次任務(wù)進行實時數(shù)據(jù)的傳輸，又能減少無效的數(shù)據(jù)傳輸，提高了通道利用率，但存在實時數(shù)據(jù)與回放數(shù)據(jù)未區(qū)分優(yōu)先級的問題。

如何進一步完善衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸方法，從而兼顧傳輸數(shù)據(jù)的時效性和傳輸通道的利用率具有重要意義。

2 衛(wèi)星數(shù)傳通道高效調(diào)度方法

衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳過程中存在的實時傳輸浪費通道資源，回放方法降低數(shù)據(jù)時效性以及實傳加回放方法未考慮優(yōu)先級的種種問題。本文通過對幾種數(shù)據(jù)傳輸方法進行分析，提出了一種既考慮實時數(shù)據(jù)優(yōu)先性，又能充分利用下傳通道的高效調(diào)度方法，衛(wèi)星高效調(diào)度方法系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 高效調(diào)度方法系統(tǒng)原理框圖

衛(wèi)星使用高效調(diào)度方法下傳時，合成孔徑雷達(Synthetic Aperture Radar, SAR)或光學相機數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備的組幀模塊進行AOS組幀和格式編排，AOS幀格式如圖2所示，組幀模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的有效性在AOS格式中的虛擬通道標識符(Virtual Channel Identity Document, VCID)處標記有效/無效幀標識。當無載荷數(shù)據(jù)輸入時，組幀模塊生成無效幀用于平衡傳輸速率。

圖2 AOS幀格式示意圖

AOS幀輸入高效調(diào)度模塊時，實時數(shù)據(jù)處理模塊對AOS幀的VCID進行判斷，當識別到無效幀標識后觸發(fā)回放請求；存儲設(shè)備回放數(shù)據(jù)，回放數(shù)據(jù)處理模塊剔除回放無效幀后將有效幀緩存在回放數(shù)據(jù)緩存模塊中；當實時數(shù)據(jù)處理模塊再次識別到無效幀時回放數(shù)據(jù)緩存模塊中的有效幀填充到該無效幀位置。通過上述數(shù)據(jù)調(diào)度，高效調(diào)度模塊輸出的數(shù)據(jù)除最開始的一幀無效數(shù)據(jù)外其余均為有效數(shù)據(jù)，通道預(yù)留的3%～10%余量也被填充回放有效數(shù)據(jù)。

圖3 高效調(diào)度模塊原理框圖

數(shù)據(jù)處理設(shè)備輸出的有效幀數(shù)據(jù)流經(jīng)編碼、調(diào)制、放大等處理后形成射頻信號，經(jīng)星上天線發(fā)射至地面接收站，地面接收設(shè)備根據(jù)用戶需求進行接收數(shù)據(jù)的分類和后續(xù)應(yīng)用。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)過高效調(diào)度處理后，僅第一幀無效幀被下傳，通道利用率RCH為：

(1)

其中：

Rdata：衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳速率；

Lframe：AOS幀格式長度；

T：衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳時間。

當T趨近無窮大時，RCH為1即通道利用率為100%。

(2)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳時間受限于地面接收站的分布位置，一般情況下衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸時間約為15min左右，按照通道速率150Mbps，AOS幀長為1024B計算，RCH優(yōu)于99.99%。

3 高效調(diào)度方法實現(xiàn)

3.1 軟件實現(xiàn)過程

高效調(diào)度方案軟件運行流程如圖4所示，高效調(diào)度模塊對實時數(shù)據(jù)幀有效性進行判讀。當數(shù)據(jù)幀無效時，數(shù)據(jù)處理設(shè)備向存儲設(shè)備請求數(shù)據(jù)，回放數(shù)據(jù)輸出有效幀至回放存儲區(qū)，判讀程序繼續(xù)判讀下一幀實時數(shù)據(jù)幀。當遇到再次無效幀時，緩存的回放數(shù)據(jù)幀經(jīng)有效幀輸出模塊輸出。

圖4 高效調(diào)度機制軟件運行流程

高效調(diào)度方法的FPGA仿真驗證時序圖如圖5所示。通過仿真可以看出，實時傳輸數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)無效幀時，回放有效幀可將其替換，最終輸出的數(shù)據(jù)幀均為有效幀。仿真結(jié)果與方案原理分析結(jié)果相同。

圖5 軟件仿真示意圖

3.2 硬件實現(xiàn)過程

衛(wèi)星通道高效傳輸調(diào)度方法通過利用星上設(shè)備及地面測試設(shè)備得到系統(tǒng)級測試驗證，測試驗證框圖如圖6所示，地面接收設(shè)備接收星上輸出的數(shù)據(jù)，并進行通道利用率的計算。

圖6 硬件測試驗證框圖

SAR/相機模擬源根據(jù)星上SAR/相機數(shù)據(jù)輸出接口特性輸出模擬數(shù)據(jù)，模擬數(shù)據(jù)按照滿載狀態(tài)和有效數(shù)據(jù)占比為50%兩種狀態(tài)輸出，星上數(shù)據(jù)傳輸通道預(yù)留5%余量。測試設(shè)備分別工作在實時傳輸模式、回放模式、實傳加回放模式、高效調(diào)度模式，通過軟件計算下傳速率為150Mbps時，接收15min數(shù)據(jù)的有效幀占比，10次測試結(jié)果對比情況見圖7所示。

(a) 模擬源有效數(shù)據(jù)占比為50%時測試結(jié)果 (b) 模擬源滿載工作時測試結(jié)果

在兩種信源有效數(shù)據(jù)占比情況下，高效調(diào)度方法輸出數(shù)據(jù)有效幀占比均優(yōu)于99.99%，優(yōu)于實傳模式、回放模式、實傳加回放模式輸出數(shù)據(jù)有效幀占比，實現(xiàn)了高效利用衛(wèi)星數(shù)傳通道。

4 結(jié)論

本文提出了一種利用AOS幀標識位并結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸模式提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸通道利用率的高效調(diào)度方法。該方法能充分利用數(shù)據(jù)傳輸通道，通過理論分析和硬件測試，通道下傳數(shù)據(jù)有效幀占比優(yōu)于99.99%。同時該方法可優(yōu)先下傳實時傳輸數(shù)據(jù)，兼顧數(shù)據(jù)的時效性。高效調(diào)度方法具有理論簡單，易于FPGA實現(xiàn)的特點，該方法已在多顆衛(wèi)星中應(yīng)用。