鄭小松 李立 張雨 靳凡 韓宇 趙云鵬 張莎莎 姚鑫雨

(1 西安空間無(wú)線電技術(shù)研究所，西安 710071)(2 西安微電子技術(shù)研究所，西安 710065) (3 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分七號(hào)衛(wèi)星是一顆高精度民用測(cè)繪衛(wèi)星，衛(wèi)星軌道高度約500 km，用于實(shí)現(xiàn)1∶10 000比例尺測(cè)繪。星上裝載了雙線陣測(cè)繪相機(jī)(包括前視相機(jī)和后視相機(jī))，通過(guò)對(duì)同一地區(qū)不同角度的觀測(cè)獲得該地區(qū)的平面、高程、地物屬性等信息，用于測(cè)繪行業(yè)的立體測(cè)圖、資源及環(huán)境遙感應(yīng)用。衛(wèi)星上裝載的有效載荷原始碼數(shù)據(jù)率高，同時(shí)具備靈活的成像和數(shù)據(jù)傳輸能力，截止到2019年12月，在國(guó)內(nèi)外采用X頻段傳輸?shù)倪b感衛(wèi)星中數(shù)據(jù)傳輸速率最高。

高分七號(hào)衛(wèi)星裝載的有效載荷系統(tǒng)產(chǎn)生8 Gbit/s的有效數(shù)據(jù)，接口速率達(dá)到11 Gbit/s，為了滿足相機(jī)高速成像傳輸需求，衛(wèi)星配置了高速數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)，采用基于反饋的壓縮碼率自適應(yīng)控制、多模式矢量調(diào)制、可變編碼調(diào)制、分系統(tǒng)大容量文件存儲(chǔ)管理和分布式上行更新控制管理等關(guān)鍵技術(shù)，可解決大量遙感數(shù)據(jù)的處理和下傳。

1 數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)處理與傳輸需求

在射頻方面，國(guó)內(nèi)在X頻段進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸一般采用8025～8400 MHz范圍，帶寬為375 MHz。在這一帶寬限制下，結(jié)合目前調(diào)制傳輸技術(shù)及遙感地面站接收技術(shù)水平，可以采用的調(diào)制碼速率包含450 Mbit/s，800 Mbit/s，900 Mbit/s，1.2 Gbit/s等，分別采用QPSK，8PSK，16APSK調(diào)制方式。在采用高速高階調(diào)制時(shí)，一般要求采用信道編碼配合信號(hào)調(diào)制。

高分七號(hào)衛(wèi)星主要通過(guò)國(guó)內(nèi)衛(wèi)星遙感地面站和北極衛(wèi)星遙感地面站完成數(shù)據(jù)接收任務(wù)，國(guó)內(nèi)衛(wèi)星遙感地面站每天接收時(shí)間約70 min，北極衛(wèi)星遙感地面站每天接收時(shí)間約60 min；有效載荷數(shù)據(jù)速率為8 Gbit/s，衛(wèi)星每天需要完成至少40 min的成像任務(wù)；具體壓縮比需求情況見(jiàn)表1。

表1 壓縮比需求Table 1 Requirement of compression rate

從表1可以看出，高分七號(hào)衛(wèi)星采用圖像壓縮才能完成數(shù)據(jù)平衡傳輸,在平衡傳輸過(guò)程中需要緩存的數(shù)據(jù)放入固態(tài)存儲(chǔ)器中，存儲(chǔ)速率與壓縮比相關(guān)，回放速率與通道速率相關(guān)；固態(tài)存儲(chǔ)至少需要8 Gbit/s的存儲(chǔ)速率和2.4 Gbit/s的讀取速率；按照天平衡能力計(jì)算，在壓縮比選用4∶1以下時(shí)，僅使用國(guó)內(nèi)接收站，需要傳輸速率至少雙通道800 Mbit/s；存儲(chǔ)40 min的4∶1壓縮數(shù)據(jù)至少需要4 Tbit存儲(chǔ)器。

高分七號(hào)衛(wèi)星應(yīng)用高性能相機(jī)和激光測(cè)高儀獲得地球表面可見(jiàn)光成像數(shù)據(jù)、測(cè)高數(shù)據(jù)，通過(guò)高速串行信號(hào)傳遞到數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)；通過(guò)配置數(shù)傳綜合控制器、數(shù)據(jù)處理器、固態(tài)存儲(chǔ)器、調(diào)制器、固態(tài)放大器、機(jī)械點(diǎn)波束高增益天線等關(guān)鍵設(shè)備，完成圖像數(shù)據(jù)處理和下行，具備圖像數(shù)據(jù)壓縮、先進(jìn)在軌系統(tǒng)(AOS)編碼、格式編排、存儲(chǔ)、信道編碼、加擾、微波直接矢量調(diào)制、射頻放大、跟蹤地面站發(fā)射功能。

1.2 分系統(tǒng)信息流程

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)處理器接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)，接收的數(shù)據(jù)包含前視相機(jī)全色數(shù)據(jù)、后視相機(jī)全色數(shù)據(jù)、后視相機(jī)多光譜數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)處理器與相機(jī)接口關(guān)系如圖1所示。

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)將接收到的相機(jī)圖像數(shù)據(jù)完成圖像數(shù)據(jù)壓縮、格式編排后送入固態(tài)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)，存儲(chǔ)文件通過(guò)1553B總線指定；回放數(shù)據(jù)根據(jù)總線指令要求回放文件進(jìn)行回放，可以完成單文件、多文件回放，回放斷點(diǎn)記錄，按照斷點(diǎn)可以完成下一次文件回放；回放數(shù)據(jù)通過(guò)二次復(fù)接形成統(tǒng)一格式編排碼流，碼流按照格式要求進(jìn)行信道編碼、加擾處理；加擾后數(shù)據(jù)處理按照通道調(diào)制要求進(jìn)行符號(hào)生成、基帶成形濾波，濾波后數(shù)據(jù)采用矢量調(diào)制技術(shù)直接調(diào)制到X頻段，通過(guò)微波放大、通道濾波后，由數(shù)傳點(diǎn)波束天線跟蹤地面站，發(fā)射射頻信號(hào)。數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)信息流程如圖2所示。地面接收后根據(jù)約定進(jìn)行解調(diào)、解擾、譯碼、解格式、解壓縮，還原星上圖像格式。

圖2 數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)信息流程Fig.2 Information flow of data processing and transmission subsystem

1.3 分系統(tǒng)協(xié)議分層

國(guó)際空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)(CCSDS)參考開(kāi)放式互聯(lián)模型(OSI)，形成了自己的空間傳輸體系規(guī)范，規(guī)定了應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層和物理層等多層協(xié)議。其中，鏈路層基于AOS[1]形成了系列數(shù)據(jù)傳輸幀規(guī)范，并將其推廣到空間站和地球觀測(cè)領(lǐng)域，滿足各種數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)需求；物理層協(xié)議方面，除推薦傳統(tǒng)的射頻、調(diào)制、信道編碼之外，在2007年提出低密度奇偶校驗(yàn)(LDPC)[2-3]編碼的規(guī)范，這一規(guī)范也逐漸在我國(guó)地球觀測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。

高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)應(yīng)用的協(xié)議包含物理層、鏈路層、應(yīng)用層，不包含網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層。應(yīng)用協(xié)議如圖3所示。

物理層采用X頻段點(diǎn)波束天線，雙通道數(shù)據(jù)采用左旋圓極化和右旋圓極化進(jìn)行傳輸，傳輸調(diào)制方式分為普通模式和可變編碼調(diào)制模式，其中普通模式包含450 Mbit/s QPSK和800 Mbit/s 8PSK調(diào)制，幀格式為AOS，信道編碼采用CCSDS 推薦使用的7/8 LDPC；可變編碼調(diào)制模式傳輸幀格式采用可變編碼調(diào)制短幀格式，信道編碼采用2/3 LDPC和4/5 LDPC。

鏈路層采用CCSDS 推薦的AOS格式，其中插入?yún)^(qū)域引入文件號(hào)，為地面分揀文件提供方便。

應(yīng)用層協(xié)議分為數(shù)據(jù)組包協(xié)議、圖像分塊協(xié)議、JPEG-LS[4]壓縮協(xié)議。數(shù)據(jù)組包協(xié)議包含數(shù)據(jù)包頭信息和數(shù)據(jù)內(nèi)容信息，數(shù)據(jù)包頭包含同步頭、數(shù)據(jù)協(xié)議配置、壓縮協(xié)議選取、壓縮比選取、圖像類型、圖像位寬、圖像分塊數(shù)據(jù)量等信息。圖像分塊協(xié)議主要規(guī)定圖像分塊大小和分塊分布情況。JPEG-LS壓縮協(xié)議包含壓縮算法引用內(nèi)容、壓縮算法配置情況、壓縮算法頭部信息規(guī)定等內(nèi)容。

圖3 數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)協(xié)議分層模型Fig.3 Hierarchical protocol model of data processing and transmission subsystem

1.4 系統(tǒng)特點(diǎn)

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)滿足高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸需求，具備以下功能特點(diǎn)。

(1)數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)端口速率達(dá)到11 Gbit/s，有效數(shù)據(jù)速率達(dá)到8 Gbit/s，具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)接收、壓縮、存儲(chǔ)、回放、信道編碼和調(diào)制能力。

(2)數(shù)據(jù)處理器實(shí)現(xiàn)星上圖像壓縮功能，壓縮算法選用靜止圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)JPEG-LS。JPEG-LS算法主要是對(duì)靜態(tài)連續(xù)色調(diào)圖像進(jìn)行無(wú)損或近無(wú)損壓縮，壓縮比連續(xù)可調(diào)，兼容2∶1，3∶1，4∶1壓縮比壓縮。

(3)X頻段調(diào)制器采用微波直接矢量數(shù)字調(diào)制技術(shù)，兼容450 Mbit/s QPSK，800 Mbit/s 8PSK，以及可變編碼調(diào)制模式(900 Mbit/s，1200 Mbit/s)，通過(guò)星上自閉環(huán)控制調(diào)制速率，雙通道調(diào)制完成最高2×1.2 Gbit/s傳輸，具備通過(guò)請(qǐng)求協(xié)議控制達(dá)到雙通道平衡傳輸能力。

(4)采用新型固態(tài)存儲(chǔ)控制技術(shù)，具備最高速率吞吐12.8 Gbit/s存儲(chǔ)和回放能力，存儲(chǔ)容量最高可達(dá)8 Tbit，具備應(yīng)用文件回放記錄獨(dú)立操作、文件回放暫停啟動(dòng)、記錄容量預(yù)留、碎片主動(dòng)回收等關(guān)鍵能力，能提升固態(tài)存儲(chǔ)操作的靈活性。

(5)采用層次上注程序管理，具備分系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理、編碼調(diào)制在軌更新能力，能提升在軌數(shù)據(jù)處理靈活性和可維護(hù)特性。

(6)分系統(tǒng)以數(shù)據(jù)處理器為核心，提供處理器與相機(jī)、固態(tài)存儲(chǔ)器、調(diào)制器之間的交叉?zhèn)浞萁涌?，具備良好的設(shè)備備份能力，能提升可靠性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

為解決高分七號(hào)衛(wèi)星高速率有效載荷數(shù)據(jù)下傳，數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)采用基于反饋的JPEG-LS壓縮碼率自適應(yīng)控制算法，在穩(wěn)定控制下行碼流綜合壓縮比的同時(shí)提升下傳圖像質(zhì)量；采用數(shù)字調(diào)制和成形濾波技術(shù)，保障傳輸信號(hào)帶寬在滿足無(wú)線電規(guī)定情況下實(shí)現(xiàn)高速傳輸，充分利用衛(wèi)星對(duì)地面站距離形成的橢圓結(jié)構(gòu)，應(yīng)用可變編碼調(diào)制技術(shù)，提升平均傳輸速率，在達(dá)到衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸平衡的基礎(chǔ)上降低對(duì)壓縮比的要求，滿足用戶對(duì)圖像質(zhì)量需求。在傳輸速率控制和存儲(chǔ)設(shè)計(jì)上，在滿足多種傳輸速率變化的基礎(chǔ)上靈活應(yīng)用，提升衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)囊子眯浴?/p>

2.1 基于反饋的JPEG-LS壓縮碼率控制算法

JPEG-LS算法主要是對(duì)靜態(tài)連續(xù)色調(diào)圖像進(jìn)行無(wú)損或近無(wú)損壓縮，其核心算法是基于低復(fù)雜度圖像無(wú)損壓縮算法(LOCO-I)。JPEG-LS算法不對(duì)圖像進(jìn)行變換，利用預(yù)測(cè)與Golomb編碼進(jìn)行相關(guān)性壓縮，具有實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度低、保真度高的優(yōu)點(diǎn)，易于硬件實(shí)現(xiàn)。

現(xiàn)有JPEG-LS固定碼率控制算法一般采用將圖像分為若干個(gè)小碼塊，每壓縮完一個(gè)碼塊就會(huì)統(tǒng)計(jì)實(shí)際碼率和目標(biāo)碼率之間的偏差，并根據(jù)碼率偏差調(diào)節(jié)碼塊所對(duì)應(yīng)的失真量化參數(shù)值，各并行的壓縮核獨(dú)立進(jìn)行運(yùn)算，使實(shí)際碼率不斷逼近目標(biāo)碼率后輸出壓縮碼流。

為滿足高分七號(hào)衛(wèi)星圖像壓縮的性能要求，根據(jù)算法特性，圖像壓縮系統(tǒng)采用改進(jìn)的JPEG-LS碼率控制算法[5]，即：將圖像按壓縮核個(gè)數(shù)進(jìn)行分塊，多路并行的壓縮核每壓縮完一個(gè)碼塊，根據(jù)當(dāng)前碼率偏差統(tǒng)一調(diào)整失真量化參數(shù)，控制下一個(gè)碼塊的輸出碼率。算法的核心基于反饋的碼率，控制過(guò)程為：①連續(xù)調(diào)整失真量化參數(shù)值，每1024行對(duì)碼塊基準(zhǔn)逼近值進(jìn)行更新；②壓縮后統(tǒng)計(jì)碼流輸出數(shù)值，根據(jù)碼流輸出值與標(biāo)準(zhǔn)需求值的差值，下一幅圖像壓縮失真量化參數(shù)值統(tǒng)一更新。

針對(duì)固定碼率控制和基于反饋的碼率控制兩種算法，采用8個(gè)不同場(chǎng)景圖像，包含山地、城市、草原、海洋等，進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：采用改進(jìn)的碼率控制算法，在整幅圖紋理復(fù)雜程度不均勻時(shí)提升效果較大，在紋理復(fù)雜程度比較均勻時(shí)提升效果較小。針對(duì)單景遙感圖像仿真，相較于傳統(tǒng)碼率控制算法，在相同壓縮比下恢復(fù)圖像的峰值信噪比提高0.5～2.0 dB。針對(duì)“高分”衛(wèi)星在軌圖像進(jìn)行仿真，具體見(jiàn)圖4和圖5。在連續(xù)200 km的星上場(chǎng)景下，圖像數(shù)據(jù)信噪比平均提升0.5 dB以上。

圖4 選取的測(cè)試圖像Fig.4 Selected test image

圖5 壓縮算法比較Fig.5 Comparison with compression algorithm

2.2 多模式矢量調(diào)制

多模式矢量調(diào)制通過(guò)符號(hào)形成、基帶正交調(diào)制、成形濾波、數(shù)模變換、放大，最后通過(guò)微波直接調(diào)制，形成調(diào)制信號(hào)。高分七號(hào)衛(wèi)星具備QPSK 450 Mbit/s，8PSK 800 Mbit/s，8PSK 900 Mbit/s，1.2 Gbit/s 16APSK共4種調(diào)制方式，其中在符號(hào)形成、基帶調(diào)制、成形濾波3個(gè)模塊形成3種符號(hào)速率、5種調(diào)制速率模塊，通過(guò)指令進(jìn)行切換。調(diào)制模型如圖6所示。

按照模型進(jìn)行仿真，圖7為不同量化位數(shù)時(shí)發(fā)送信號(hào)的功率譜，量化位數(shù)不小于9 bit時(shí)功率譜與未量化時(shí)功率譜非常接近。圖8為不同量化位數(shù)時(shí)匹配濾波后的誤差矢量值(EVM)，不小于8 bit時(shí)EVM已接近理論值。綜合圖7和圖8，高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸矢量調(diào)制成形濾波信號(hào)的量化位數(shù)選取10 bit。在采用成形濾波情況下，傳輸帶寬滿足無(wú)線電規(guī)定的頻率范圍。

圖6 調(diào)制模型Fig.6 Modulation model

圖7 信號(hào)量化位寬對(duì)發(fā)送功率譜的影響Fig.7 Influence of signal quantization bit width on transmission power spectrum

注：(Eb/N0)為比特信噪比。

2.3 可變編碼調(diào)制

可變編碼調(diào)制[6-8]經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，在地面無(wú)線系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，在衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用也逐漸展開(kāi)。2005年，歐洲數(shù)字視頻廣播組織發(fā)布的第2代數(shù)字衛(wèi)星廣播標(biāo)準(zhǔn)(DVB-S2[9])已使用了該方案。與采用固定編碼調(diào)制方式的DVB-S標(biāo)準(zhǔn)相比，DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)采用了多種信道編碼和調(diào)制的組合方案，能夠逐幀使用不同的信道編碼和調(diào)制方式。通過(guò)可變編碼調(diào)制技術(shù)，不同類型業(yè)務(wù)可以使用各自的調(diào)制方式與編碼速率，即可以在同一個(gè)載波上對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)流使用不同的信道編碼級(jí)別和調(diào)制方式，使傳輸效率大大提高。CCSDS分別于2012年和2013年形成了131.2-B-1[6](基于串行級(jí)聯(lián)卷積碼(SCCC)方案)和131.3-B-1[10](基于DVB-S2方案)藍(lán)皮書(shū)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)DVB-S2標(biāo)準(zhǔn)，可使用的編碼方式和調(diào)制方式如下。編碼方式：BCH-LDPC編碼，碼率1/4 ～9/10，共11種；調(diào)制方式：QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，共4種。對(duì)各編碼調(diào)制組合在高斯白噪聲信道下的性能進(jìn)行分析，部分編碼調(diào)制組合的誤碼率如圖9所示。

圖9 編碼調(diào)制組合性能仿真結(jié)果Fig.9 Performance simulation results of coding modulation combinations

高分七號(hào)衛(wèi)星根據(jù)鏈路設(shè)計(jì)預(yù)算，隨著地面站接收仰角從5°到90°變化，接收信號(hào)信噪比增大12 dB以上。從使用效能分析，選擇DVB-S2方案中的3種編碼調(diào)制方式，如表2所示。3種編碼調(diào)制方式根據(jù)衛(wèi)星與地面站距離關(guān)系進(jìn)行星上主動(dòng)切換，切換過(guò)程不影響接收連續(xù)性。

表2 本文采用的編碼調(diào)制方式Table 2 Coding modulation method used in this paper

可變編碼調(diào)制器的實(shí)現(xiàn)結(jié)果如圖10所示。經(jīng)測(cè)試，可變編碼調(diào)制器實(shí)現(xiàn)了編碼調(diào)制組合的逐幀可變要求，在X頻段有限的帶寬內(nèi)，最高傳輸速率可達(dá)1.2 Gbit/s。

圖10 可變編碼調(diào)制器實(shí)現(xiàn)結(jié)果Fig.10 Implementation results of variable coding modulator

根據(jù)高分七號(hào)衛(wèi)星鏈路在軌情況，相對(duì)于8PSK 800 Mbit/s調(diào)制，使用效能分析平均提升20%，最大可以提升37%；根據(jù)在軌鏈路余量情況，后續(xù)衛(wèi)星可以提升傳輸效能2倍左右。

2.4 分系統(tǒng)內(nèi)信息傳遞自適應(yīng)速率控制

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)通過(guò)X頻段調(diào)制器返向輸出請(qǐng)求信號(hào)，請(qǐng)求信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)處理器中轉(zhuǎn)到固態(tài)存儲(chǔ)器，固態(tài)存儲(chǔ)器根據(jù)請(qǐng)求信號(hào)內(nèi)容，向不同的調(diào)制器發(fā)送下行數(shù)據(jù)；根據(jù)下行速率不同，調(diào)整X頻段調(diào)制器返向信號(hào)頻率，完成3個(gè)速率的數(shù)據(jù)傳輸調(diào)整。

相對(duì)于傳統(tǒng)的速率控制技術(shù)，應(yīng)用自適應(yīng)速率控制技術(shù)，高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)下行具備優(yōu)勢(shì)如下。①多速率調(diào)整完成自適應(yīng)配置管理和X頻段調(diào)制器源頭控制；②多速率單獨(dú)傳輸時(shí)，傳輸過(guò)程有效幀效率達(dá)到100%；③在傳輸速率切換中，有效幀效率達(dá)到100%；④不同調(diào)制器之間相互配合，形成平衡的通道數(shù)據(jù)傳輸；⑤4個(gè)傳輸通道之間互為獨(dú)立備份，提升分系統(tǒng)可靠性。

通過(guò)自適應(yīng)速率控制技術(shù)，數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)具備適應(yīng)多種地面站、多種鏈路情況下傳的能力，能提升用戶使用效能和應(yīng)用靈活性。

2.5 分系統(tǒng)程序分布式上行更新控制管理

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)使用大量的可編程器件，包含CPU系列BM3803，LCSOC3233，以及高性能SRAM型FPGA，分系統(tǒng)單機(jī)之間采用1553B總線和422總線，形成以數(shù)傳綜合控制器為核心的星型總線網(wǎng)絡(luò)，具備對(duì)可編程器件完成上行更新能力，如圖11所示。

程序碼塊通過(guò)地面測(cè)控系統(tǒng)或者中繼測(cè)控系統(tǒng)上行，再經(jīng)數(shù)管轉(zhuǎn)發(fā)給數(shù)傳綜合控制器，數(shù)傳綜合控制器核對(duì)每個(gè)碼塊的正確性，根據(jù)目的地址分發(fā)到數(shù)傳綜合控制器內(nèi)部或者數(shù)據(jù)處理器、固態(tài)存儲(chǔ)器、Ka頻段調(diào)制內(nèi)，待所有碼流均形成后進(jìn)行碼流校驗(yàn)，校驗(yàn)成功可轉(zhuǎn)入測(cè)試功能狀態(tài)，功能測(cè)試完畢后可以完成程序狀態(tài)固化。

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)應(yīng)用軟件具備上行注入更新能力，為用戶提升在軌性能、保障使用靈活提供一個(gè)可使用途徑。

圖11 上注程序數(shù)據(jù)流示意Fig.11 Data flow diagram of upper annotation program

2.6 分系統(tǒng)大容量文件存儲(chǔ)管理

數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)采用高性能Flash存儲(chǔ)芯片，利用流水式控制，提供最大8 Tbit存儲(chǔ)尋址空間；相對(duì)于其他遙感衛(wèi)星，固態(tài)存儲(chǔ)器具有記錄、存儲(chǔ)、擦除并行工作能力，能夠完成記錄當(dāng)前、回放已記錄文件、擦除已回放文件的功能，3種功能可以獨(dú)立使用，也可以組合使用。在雙站接力方面，提供暫?；胤拧?dòng)斷點(diǎn)功能，以及用戶雙站之間數(shù)據(jù)交接重疊恢復(fù)功能；在應(yīng)急情況下，可以完成單個(gè)文件單獨(dú)回放到機(jī)動(dòng)站或其他需求區(qū)域，回放區(qū)域可以臨時(shí)上注。

3 在軌驗(yàn)證情況

高分七號(hào)衛(wèi)星發(fā)射后，數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)經(jīng)過(guò)近10個(gè)月的在軌驗(yàn)證測(cè)試，地面通過(guò)北京、三亞、喀什等多個(gè)地面站接收測(cè)試，傳輸數(shù)據(jù)正常，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)解格式后獲取大量立體測(cè)繪數(shù)據(jù)。其中：可變編碼調(diào)制模式驗(yàn)證了多種角度下的傳輸情況，并且對(duì)全程使用最高編碼調(diào)制速率進(jìn)行測(cè)試，整個(gè)弧段無(wú)誤碼。在分系統(tǒng)工作信息流程在軌測(cè)試中，多模式矢量調(diào)制和可變編碼調(diào)制關(guān)鍵技術(shù)均得到充分驗(yàn)證。

高分七號(hào)衛(wèi)星在500 km軌道高度，星上全向等效輻射功率設(shè)計(jì)值28.5 dBW，地面站接收品質(zhì)因數(shù)設(shè)計(jì)值34.5 dBK，傳輸頻率8200 GHz，預(yù)計(jì)大氣及其他損失0.5 dB，根據(jù)微波鏈路的預(yù)算方法，可以計(jì)算出不同地面天線仰角下接收到的信號(hào)信噪比；在2020年5月地面站不同仰角下收到的信號(hào)信噪比與預(yù)算信噪比對(duì)比見(jiàn)圖12，測(cè)試值與預(yù)算值相差約0.5 dB；在這一軌進(jìn)行了可變碼速率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果可以滿足可變編碼速率信噪比要求(如表2所示)，通過(guò)地面測(cè)試數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)接收無(wú)誤碼。地面接收到的星座圖見(jiàn)圖13。

測(cè)試表明：微波鏈路設(shè)計(jì)滿足設(shè)計(jì)要求，多模式矢量調(diào)制所提供的多種調(diào)制速率在軌驗(yàn)證正確，編碼調(diào)制方式可以按照預(yù)期距離設(shè)置門限進(jìn)行變化；在可變碼速率切換過(guò)程中，數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸無(wú)誤碼；傳輸速率最高可以達(dá)到雙通道1.2 Gbit/s。

圖12 信噪比對(duì)比Fig.12 SNR comparision

圖13 調(diào)制星座圖Fig.13 Modulation constellation

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)的功能和信息流程，對(duì)壓縮自適應(yīng)碼率控制、多模式矢量調(diào)制、可變編碼調(diào)制、信息傳遞自適應(yīng)速率控制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。這些關(guān)鍵技術(shù)提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸效能，也提升了衛(wèi)星應(yīng)用的靈活性。在軌驗(yàn)證結(jié)果表明：高分七號(hào)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理與傳輸分系統(tǒng)可以滿足當(dāng)前衛(wèi)星通信中高數(shù)據(jù)率大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，可為今后的?shù)據(jù)處理與傳輸發(fā)展提供新的思路和方法，特別是在可變編碼調(diào)制、壓縮自適應(yīng)碼率控制方面提供參考。