基于網絡的高碼速解調數據輸出方案設計

史本忠++王萬玉++毛偉++何元春++劉智

摘 要：針對遙感衛星地面接收系統高碼速解調數據輸出的技術需求，提出了基于網絡的高碼速解調數據輸出技術方案。采用交換式以太網構建遙感衛星地面接收系統解調器解調數據網絡的輸出架構，提出了高碼速解調數據實時傳輸協議，并通過配置IP地址的方式建立了一對一或一對多的連接線路，從而實現了高碼速解調數據流的可靠、實時輸出。該方案設計已用于工程項目中，測試結果表明該方案合理可行。

關鍵詞：遙感衛星；數據接收系統；高碼速；解調基帶數據；網路輸出

中圖分類號：TN961 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

隨著國內外遙感衛星有效載荷分辨率（包括高時間分辨率、高空間分辨率、高輻射分辨率、高光譜分辨率等）的不斷提高，其在相同時間獲取的原始數據量倍增，寬帶高速傳輸已成為星地數據傳輸的必然趨勢[1-3]。如美國GeoEye衛星數據傳輸速率為740 Mb/s，QuickBird衛星數據傳輸速率達800 Mb/s[4]；我國的高分專項相關衛星的數據傳輸碼速率為800 Mb/s，后續衛星將達到1.5 Gb/s。

目前國內外遙感衛星地面接收系統解調器解調數據的輸出多采用串行碼流方式，電氣接口一般為ECL，其缺點是不適合長距離高碼速數據的傳輸。接收數據碼速率的提高，使得采用上述傳輸方式的缺點更為突出。網絡傳輸具有傳輸距離長、碼速性能好等優點，將成為遙感衛星地面接收系統解調器解調數據輸出的發展趨勢。

針對遙感衛星地面接收系統高碼速解調數據輸出的技術需求，采用交換式以太網構建遙感衛星地面接收系統解調器解調數據網絡輸出架構，提出了高碼速解調數據實時傳輸協議；選用TCP/IP協議，將解調器作為TCP服務器端，數據記錄服務器作為遠程TCP客戶端需要連接解調器，通過配置IP地址的方式建立一對一或一對多的連接線路，實現實時高碼速解調數據流的輸出，并對應用效果進行試驗驗證。

1 遙感衛星地面接收系統簡介

遙感衛星數據接收系統主要由天饋伺分系統、跟蹤接收分系統、記錄與快視分系統、測試分系統、站任務管理與監控分系統、技術支持分系統組成[5]。遙感衛星地面接收系統組成圖如圖1所示。

圖1 遙感衛星地面接收系統組成圖

數據接收工作流程[6]：系統穩定跟蹤后，X或S頻段饋源產生的和信號經下變頻后送到解調器。解調器進行解調及相應譯碼，通過ECL或網絡方式輸出I、Q合路與分路的衛星基帶數據至記錄與快視分系統。采用基帶數據開關或網絡交換機進行解調器與數據記錄設備的任意組合、切換，實現解調器與數據記錄設備的熱備份能力。其數據接收流程圖如圖2所示。

2 高碼速解調數據網絡輸出方案設計

2.1 網絡輸出架構

高速解調數據的網絡傳輸能力主要由解調器的網絡數據輸出能力、系統的網絡交換能力及可靠的網絡傳輸協議決定。

依據遙感衛星地面接收系統所接收的遙感數據碼速率要求，解調器網絡輸出能力一般選千兆網或光纖口。采用千兆網（網絡連接器RJ-45、連接線Cat-5e或Cat-6）或10 Gb/s的光纖（網絡連接器LC，連接線根據萬兆網卡選擇單模或多模光纖）構建遙感衛星地面接收系統解調器解調數據網絡輸出架構。

網絡結構多采用交換式以太網。交換式以太網以交換機為中心構成，是一種星型拓撲結構網絡，交換機采用存儲交換方式，交換機背板帶寬可以保證端到端的信息傳輸能力。可根據系統中配置的高速解調器的數量選配合適的網絡交換機，以保證高速解調數據的網絡傳輸性能。

常用的網絡傳輸協議為UDP/IP和TCP/IP。

（1）UDP/IP為無連接協議，簡單、傳輸效率高，數據報模式，傳輸不可靠，無法保證數據傳輸的順序，可能丟包；

（2）TCP/IP為基于連接的協議，有一定的傳輸時延（特別當網絡環境較差時），流模式，可靠傳輸協議，可保證數據的傳輸順序。

高速解調數據網絡傳輸一般要求數據有序、可靠，因此選用TCP/IP協議。

服務器端與客戶端數據交換使用TCP-IP協議。解調數據包括解調器解調之后的原始數據及同步數據，用于后續數據本地存盤及網絡傳輸，該數據信息的交換可支持多客戶端。因此可通過配置IP地址的方式進行一對一或一對多的實時解調數據流的交互，實現解調器與數據記錄設備的任意組合、切換。遙感衛星地面接收系統解調器解調數據網絡輸出架構圖如圖3所示。

2.2 網絡通信協議

網絡通信采用TCP/IP協議。解調器作為TCP服務器端，開啟偵聽端口，數據記錄服務器作為遠程TCP客戶端需要連接解調器時，發送連接請求，由解調器判斷請求是否正確，如正確且解調器具備連接條件，則建立一條連接線路，否則解調器拒絕連接。四個層次的定義如下：

（1）物理層：千兆網，網絡連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6；或選用10 Gb/s光纖，網絡連接器LC，連接線根據萬兆網卡選擇單模或多模光纖。

（2）鏈路層：滿足IEEE802.3規范。

（3）網絡層：IP協議，采用規范的IP頭。

（4）傳輸層：TCP。

2.3 數據傳輸協議

2.3.1 實時數據傳輸指令

表1所列是實時解調數據的網絡傳輸指令。數據傳輸可以立即或在預定的時間偏移量后進行，在IP連接閉合或在預定時間偏移后停止。每TM消息的TM塊的數目是可配置的（最高達131 072）。不論在何種情況下，TM塊的有效數目都會進行自動調整，使TM塊的每個消息的最大數量不超過2兆字節。

2.3.2 數據傳輸響應

解調器正確解析數據傳輸指令后，返回數據傳輸響應。如果解調器解析數據傳輸指令有誤，則返回數據傳輸拒收響應，并給出錯誤原因。數據傳輸響應如表2所列。

實時解調基帶數據包括以下信息：

（1）TM（實時解調基帶數據）塊結構（偏移8至12：幀大小，同步字的大小，時間標記大小等）。

（2）實時解調基帶數據流控制數據，如果遠程客戶端的攝取率不夠，則溢出報警（偏移17）給出數據損失告警。警告狀態（偏移18）給出了個人計算機的RAM緩沖器的余量（以字節為單位）。

TM塊結構如表3所列。

2.3.3 相關說明

相關說明包含如下三項：

（1）數據表示：整型為32 bit，其中bit0/Byte0為最低位bit/Byte；浮點型由32 bit表示，包括1 bit符號位，8 bit指數，23 bit尾數。

（2）保留位：協議中的保留位留作擴展使用，由解調器發送時可以是任意值，但作為解調器接收時，值必須為0。

（3）時間定義：bit31-0中，bit9-0表示微秒，bit19-10表示毫秒，bit25-20表示秒，bit31-26表示分；bit63-32中，bit36-32表示時，bit45-37表示天（為當前年份1月1日開始的天計數）。

3 試驗及應用效果

采用搭建試驗平臺和實際接收高碼速衛星數據的方法來驗證高碼速解調數據的網絡數傳能力。

試驗采用地面接收系統高碼速數據接收鏈路搭建試驗平臺，模擬實際的衛星高碼速數據接收記錄，多臺高速解調器與多臺數據記錄服務器通過網絡交換機連接，各解調器通過網絡輸出解調數據，各數據記錄服務器實時通過網絡接收數據，統計數據接收誤碼率、丟幀等。網絡交換機保證高速解調器與計算機之間的信息交換帶寬。

測試信號（帶有連續幀序號的測試數據文件）經測試調制器調制、上變頻后送測試耦合器，經LNA、光端機、射頻矩陣開關、下變頻器、中頻均衡矩陣開關、全數字高碼速低損耗解調器后通過網絡交換機送至多臺數據記錄服務器，多臺數據記錄服務器記錄接收解調后的數據，并用誤碼分析軟件分析所記錄數據的誤碼率。

試驗結果表明千兆網（網絡連接器RJ-45，連接線Cat-5e或Cat-6）可實現700 Mb/s碼率的解調基帶數據的實時網絡數傳，誤碼率優于1E-11；10 Gb/s光纖（網絡連接器LC，連接線根據萬兆網卡選擇單模或多模光纖）可實現1.5 Gb/s碼率的解調基帶數據的網絡傳輸（因記錄軟件能力有限，更高碼率的情況未做試驗），誤碼率優于1E-11。

在實際接收高碼速衛星數據時，采用該方案已成功實現ZY-3、GF系列衛星（2×450 Mb/s）等衛星高碼速解調數據的網絡數傳功能。

4 結 語

本文基于交換式以太網構建了遙感衛星地面接收系統解調器解調數據網絡輸出架構，選用TCP/IP協議，通過配置IP地址的方式建立一對一或一對多的連接線路，實現了高碼速解調數據流的穩定、可靠、實時輸出。

測試結果表明高碼速解調基帶數據采用網絡輸出具有傳輸距離長、碼速性能好等優點。該方案設計已用于工程項目中。

參考文獻

[1]高衛斌，冉承其.遙感衛星數據傳輸技術發展分析[J].中國空間科學技術，2005（6）：30-36.

[2]王中果，汪大寶.低軌遙感衛星Ka頻段星地數據傳輸效能研究[J].航天器工程，2013，22（1）：72-77.

[3]J. Roselló， A.Martellucci， R. Acosta， et al. 26-GHz Data Downlink for LEO Satellites[C]. 6th European Conference on Antennas and Propagation， 2012 ： 111-115.

[4]周宇昌，李小軍，周詮.空間高速數據傳輸技術新進展[J].空間電子技術，2009，6（3）：43-48.

[5]王萬玉，張寶全，劉愛平，等.頻率復用高碼速率遙感衛星數據接收系統設計[J].電訊技術， 2012，52（4）：423-428.

[6]王萬玉，李凡，袁剛，等.遙感衛星地面接收系統及關鍵技術[C].中國空間科學學會空間探測專業委員會第二十一次學術會議論文集，2008：576-579.