一体化高速遥感数据接收处理设备

摘要

一体化高速遥感数据接收处理设备，接收数据时，卫星下行串行数据经串并转换成为并行数据后送入帧同步处理模块进行帧同步处理，查找帧同步字并计算容错参数，然后根据帧长和帧同步字产生帧同步信号并将帧同步信号、数据帧送至组合译码模块。组合译码模块根据帧同步信号对数据帧进行解扰、RS译码和CRC校验处理后送至缓存，缓存中的数据经数据合成和滤波处理后送入数据分发模块。数据分发模块将传来的数据送入载荷成像处理模块进行解格式处理，然后按载荷类别进行分类处理后实时显示。发送数据时，上行数据经数据分发模块送入缓存，组合编码模块从缓存中读取数据并进行加扰、RS编码和CRC校验处理后送入并串转换模块转换为串行数据向卫星发送。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于卫星遥感数据的接收、处理、发送一体化处理设备。

背景技术

高速遥感数据接收处理设备是地面站系统中的关键设备，主要完成高速基带数据获取、高速基带数据回放、高速帧同步、信道编译码处理、CCSDS格式解析、载荷数据处理、实时数据存储、实时数据传输和实时快视等功能，甚至还包括下变频器、高速解调器和高速测试调制器。一体化设计的目标是保证单台设备内可完成地面站遥感数据接收的大部分功能，缩小设备体积，同时还要降低重量和功耗，提高系统的可靠性。另外，在提高设备集成度的同时还应考虑兼容多种卫星及载荷数据的处理。

国内研制的遥感数据接收设备大多数产品还停留在单一功能或简单功能组合设备层次上，还没有形成真正的一体化遥感数据接收处理设备工程产品。目前，清华大学、北京理工大学和武汉大学等单位正在进行相关设备的研发。清华大学拥有400Mbps帧同步设备，可完成400Mbps数据帧同步提取工作，还可完成RS译码、CRC校验等工作，对双路下传卫星数据还能实现数据合成。清华大学还拥有1.2Gbps遥感数据记录设备，数据记录设备可实现原始数据、0级数据记录功能，并可实现原始数据的回放。利用回放功能，也可用作基带数据模拟源。接收处理设备采用服务器结合数据采集板的硬件结构，采用64位/66MHz PCI总线，总线数据率528MB/s，具有大容量高速DDR SDRAM作为数据缓冲。北京理工大学拥有光学、SAR等遥感数据的实时快视设备，可实时处理1.2Gbps以上遥感数据。其快视成像设备结构上采用CPCI机箱，内部采用DSP板并行处理遥感数据，将成像结果通过以太网传输到显示工作站，完成图像的显示。也可通过显示工作站向成像处理设备发出控制命令，实现远程设备控制。

国外高速遥感数据接收处理设备已经由单一功能发展到了小型化、一体化的处理产品。能够提供遥感数据一体化接收处理设备的厂商较多，规模较大的生产商有美国RT LOGIC公司、AVTEC公司和法国ALCATEL公司等。美国RT LOGIC公司推出了T1200HDR型高速遥感卫星数据获取设备，可直接接收720MHz或1.2GHz中频输入，完成BPSK、QPSK或8PSK解调。内部具有Viterbi译码、比特同步、帧同步、RS译码等处理能力，设备外形为标准4U19英寸机箱。同时RT LOGIC还提供数字前端处理板卡，可完成帧同步、RS译码、CCSDS分包处理、误码率测试等功能，数据通过PCI总线摄入计算机，DMA传输速率可达528MB/s。美国AVTEC公司的PTP-EX高速前端可实现1.2Gbp CCSDS或TDM数据处理和记录。同时提供帧同步、解扰、400Mbps RS译码、CRC校验、1.2Gbps仿真数据输出、400Mbps网络实时传输等功能。数据进机采用64位66MHz PCI总线设备，设备外形为6U19英寸标准机箱。HDRR型高速数据接收器可以接受中频直接输入，完成解调、帧同步、解扰、RS译码、CRC校验等功能，实时完成CCSDS虚拟信道处理，可通过网络传输数据到NAS(网络存储系统)或记录到本地RAID。处理码速率可达600Mbps，设备外形为4U 19英寸标准机箱。法国ALCATEL公司的9910 OMINISAT集成下变频器、解调器、进机处理及测试调制器，处理码速率500Mbps，可支持4通道数据处理，外形为标准4U工控机。OMINISAT基于模块化的设计，可用于对卫星地观测、科学数据获取等领域。

目前，从公开的文献当中只能获取这些一体化设备的某些工作技术参数和性能指标，无法获知一体化遥感数据接收设备的具体功能结构组成。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种高度集成化，能适应多星、多体制卫星数据接收与处理的一体化高速遥感数据接收处理设备。

本发明的技术解决方案是：一体化高速遥感数据接收处理设备，包括串并转换模块、帧同步处理模块、组合译码模块、数据分发模块、组合编码模块、并串转换模块以及载荷成像处理模块；接收数据时，卫星下行解调器输出的串行遥感数据经串并转换模块转换成为并行数据后送入帧同步处理模块；帧同步处理模块对并行数据进行帧同步处理，查找帧同步字并计算容错参数，根据帧长和帧同步字产生帧同步信号，将帧同步信号、数据帧送至组合译码模块；组合译码模块根据帧同步信号对数据帧进行解扰、RS译码和CRC校验处理后送至缓存，缓存中的数据经数据合成和滤波处理后送入数据分发模块；数据分发模块将传来的数据送入载荷成像处理模块，同时还将传来的数据送入本地存储设备或通过网络进行传输；载荷成像处理模块对传来的数据首先进行解格式处理，然后按照载荷类别进行分类，对每一类数据分别进行处理，形成可显示的数据进行实时显示；发送数据时，向卫星发送的上行数据经数据分发模块送入缓存；组合编码模块从缓存中读取数据并对所述数据进行加扰、RS编码和CRC校验处理后送入并串转换模块；并串转换模块将并行数据转换为串行数据，串行数据与外部串行时钟一起送入卫星上行调制器。

所述的帧同步处理模块还可以直接接收外部输入的并行数据。

所述的串并转换模块包括延时单元、时钟分频器和移位锁存器，卫星下行解调器输出的串行时钟和串行数据分别送入延时单元进行时序调整，使得时钟和码流的时序关系符合要求，经时序调整后的串行时钟分为两路，一路经时钟分频器分频后变为并行时钟输出，另一路和经时序调整后的串行数据一起送至移位锁存器，移位锁存器根据串行时钟将串行数据转换为并行数据后输出。

所述的并串转换模块包括移位锁存器、延时单元和电平转换单元，移位寄存器根据外部时钟将组合编码模块传来的并行数据转换为串行数据后送至延时单元，延时单元对传来的串行数据和外部时钟进行时序调整，使得时钟和码流的时序关系符合要求后送至电平转换单元，电平转换单元将传来信号的电平调整至符合卫星上行调制器的要求后输出。

所述的帧同步处理模块包括电平转换器、相关器、误码及滑帧判决逻辑单元、数据格式化处理及帧同步产生单元；并行数据经电平转换器转换为LVTTL逻辑电平后送至相关器，相关器根据设定的帧同步字和帧长检索电平转换器输出的并行数据中是否存在帧同步字，并根据搜索结果产生帧相关结果标志信号，同时把每帧的帧头数据传送给误码及滑帧判决逻辑单元；误码及滑帧判决逻辑单元根据传来的帧头数据计算出帧头的误码率与滑位比特数；当计算得到的滑位比特数小于设定值时，数据格式化处理及帧同步产生单元将与所述帧头数据对应的数据帧格式化后输出，并根据格式化后的数据帧产生帧同步信号一并输出。

所述的载荷成像处理模块包括载荷处理单元、成像处理单元和快视单元；载荷处理单元按照CCSDS标准或非CCSDS标准对传来的数据进行解格式，采用CCSDS标准时按照标准格式解析虚拟信道数据并重新组合，采用非CCSDS标准时，按照用户定义格式进行特定数据的解析；成像处理单元将解格式后的数据按照光学数据、SAR数据、超光谱数据进行分类，对于光学数据进行图像拼接并去除死像素，对于SAR数据和超光谱数据则将其转换为可以显示的图像数据，快视单元基于DirectX技术完成图像的实时显示。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)本发明一体化设备通过设置多个功能模块，分上行数据发送和下行数据接收两个通道对卫星数据进行处理，实现了地面系统高速遥感数据接收设备的高度集成化，通过配置相应的参数即可满足不同卫星的数据处理要求，能够适应多星、多体制卫星数据接收与处理；

2)本发明一体化设备除了可以实现高速遥感数据接收与处理外，还可以对原始遥感数据进行回放，同时也可作为地面站高速遥感数据接收设备的测试信号源；

3)本发明在采集解调器输入的串行信号时，对输入的串行数据和时钟进行了时序调整，调节了串行数据和时钟在传输过程中相位偏移问题，提高了数据处理的准确性；

4)本发明装置在回放原始遥感数据时，串行数据和时钟向调制器输出之前进行了时序调整，保证了调制器收到串行数据和时钟的钟码关系正确；

5)本发明设备的帧同步处理模块，不仅可以接收经串并转换模块转换后的并行数据，而且还可以直接接收外部输入的并行数据。帧同步处理模块采用并行流水的方式搜寻帧同步头，保证帧同步实时处理的情况下，还可以实时输出帧同步的状态信息；

6)本发明的一体化设备不仅实现了各种载荷的CCSDS标准解格式、非CCSDS标准解格式和成像处理，并能将各种载荷的图像实时进行显示，适用于不同类型的卫星数据，且有利于用户进行操作。

附图说明

图1为本发明一体化处理设备的组成原理框图；

图2为本发明一体化处理设备采用板卡的一种实现方式；

图3为本发明一体化处理设备中串并转换模块的电路原理框图；

图4为本发明一体化处理设备中并串转换模块的电路原理框图；

图5为本发明一体化处理设备中帧同步处理模块的工作原理框图；

图6为本发明一体化处理设备帧同步处理模块中高速相关器的原理框图；

图7为本发明一体化处理设备帧同步处理模块中参数配置统计模块原理框图；

图8为本发明一体化处理设备中载荷成像处理模块的原理框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明的一体化高速遥感数据接收处理设备的组成原理框图。接收数据时，采用高速串并转换模块将卫星下行解调器输出的高速串行遥感数据和串行时钟转换为速率较低的并行数据和并行时钟，转换后的并行数据和并行时钟进入帧同步处理模块。在帧同步处理模块内，对转换后的并行数据进行帧相关处理，查找帧同步字并计算容错参数，根据帧长和帧同步字产生帧同步信号输出。帧同步处理后的数据进入组合译码模块进行解扰、RS译码和CRC校验等处理，然后将组合译码模块处理后的数据存入高速缓存模块中。在缓存模块后面可以设置图像预处理模块，用于将高速缓存模块中的数据取出后进行双通道数据合成和滤波等处理；处理后的数据码流送入数据分发模块，数据分发模块负责将数据分发到载荷成像处理模块，同时负责数据的本地记录、SAN记录、数据网络传输和对记录的数据进行存档管理等。在载荷成像处理模块内对传来的数据首先进行解格式处理，然后按照载荷类别进行分类，对每一类数据分别进行处理，形成可显示的数据进行实时显示。系统监控模块实现接收上级监控系统的计划任务，解析后按照计划时间发送指令到各模块，执行既定的任务，在任务完成后，将任务的执行情况、数据接收质量、数据量等信息上报上级监控。发送数据时，数据分发模块在系统监控模块的控制下，将本地记录的数据送入高速缓存，然后将高速缓存中的数据送入组合编码进行加扰、RS编码和CRC校验等操作，处理后的数据送入高速并串转换模块，将速率较低的并行数据转换为高速串行数据，配合外部时钟输出的高速串行时钟，将串行数据送入卫星上行调制器进行后续处理。

如图2所示，为本发明一体化高速遥感数据接收处理设备采用板卡的一种实现方式。一体化高速遥感数据接收处理设备处理板卡的主要设计目标是实现高速串行码流的采集及回放、高速帧同步及信道编译码处理、图像预处理及高速数据进机。处理板卡采用标准64位PCI卡，对外接口设计高速串并及并串转换电路，应用大规模FPGA进行帧同步和信道编译码处理。嵌入式PowerQUICC III处理器对图像进行预处理后利用PCI-X总线实现高速数据进机，并且实现对整板进行逻辑控制。处理板高速缓冲用于缓存FPGA组合编译码处理和图像预处理后的数据。FPGA和PowerQUICC III本身都配置了高速数据缓冲存储器，器件通过RapidIO访问对方的存储器资源，实现高速数据流的交互，减少系统数据传输的瓶颈。

图3为本发明的串并转换模块电路原理框图。进入串并转换模块的高速串行时钟和串行数据首先经过时序调整单元进行时序关系调整，以保障稳定可靠的串并转换；调整后的串行时钟经过时钟分频器后产生8分频并行时钟，8分频并行时钟与串行时钟、串行数据在移位锁存器中配合工作得到稳定可靠的并行8路数据与8分频并行时钟。本发明中时序调整电路采用ECL逻辑电路芯片(如美国摩托罗拉公司的MC100系列，MC100EP195等)，移位锁存器采用美国MC100系列的MC100E445等。

图4为本发明的并串转换模块电路原理框图。进入并串转换模块的并行数据和并行时钟首先进入移位锁存器(采用美国MC100系列的MC100E446)，在DDS输入的高速时钟DDS1的配合下，将并行数据转换为串行数据。为了保证输入调制器的串行数据与串行时钟的钟码关系可以灵活调整，将DDS输出的串行时钟DDS2和移位锁存器输出的串行数据进行时序调整处理，最后将时序调整后的串行数据和串行时钟的电平转换为调制器输入需要的电平。

如图5所示，为本发明的帧同步处理模块工作原理框图。电平转换模块对串并转换模块输出的并行数据与并行时钟转换为FPGA能够支持的LVTTL逻辑电平形成数据流1输送到高速相关器；高速相关器处理数据流1后获得帧同步标识脉冲，同时将数据流1经过延时形成数据流2传输给数据格式化处理及帧同步产生单元，并将标定的帧头区域数据存储后形成数据流4传送到误码及滑帧判决逻辑单元；数据格式化处理及帧同步产生单元将数据流2处理成符合后端设备要求的帧同步信号、并行数据和并行时钟输出；数据接口电路从参数配置统计模块获取数据处理所需要的参数，例如帧同步字、容错门限、抗滑位使能、滑位门限、帧同步字比特数以及掩码等，然后将帧同步字、帧同步字比特数和掩码形成数据流5，通过参数配置逻辑单元打包后形成高速相关器能够识别的数据流3，与此同时，数据接口电路将误码及滑帧处理参数打包后形成误码及滑帧判决逻辑单元能够识别的数据流6输送到误码及滑帧判决逻辑单元；误码及滑帧判决逻辑单元对数据流4再次进行相关处理得到帧头区域的误码个数和滑位状态，再将结果形成数据流6通过数据接口电路上报给参数配置统计模块。当计算得到的误码率与滑位比特数均小于设定值时，数据格式化处理及帧同步产生单元将与所述帧头数据对应的数据帧进行格式化后输出，并根据数据帧产生帧同步信号输出。

图6为本发明的高速相关器原理框图。帧头相关后的结果送到状态判决单元与校验单元。若经过帧长间隔连续几次都能检测到帧同步字，则稳定输出帧同步标识脉冲，否则不输出帧同步标识脉冲，继续搜索帧同步字；若稳定输出帧同步标识脉冲期间，帧头相关出现帧长间隔连续几次不能检测到帧同步字，则不再输出帧同步标识脉冲。

图7为本发明的参数配置统计模块原理框图。参数配置统计模块在进行参数配置时，通过人机接口获取配置信息，对信息进行打包处理后形成参数配置流传送到数据处理模块完成配置功能；参数配置统计模块在进行统计时，从数据处理模块获取处理信息，包括每帧的帧头误码比特数、滑位状态等，根据这些信息经过处理运算后通过人机接口上报锁定帧个数、误码个数、错帧、滑帧个数等。

图8为本发明的载荷成像处理模块及相关软件设计原理框图。本发明的软件设计主要包括设备驱动程序和设备应用软件的设计。设备驱动程序运行在系统核心层，通过与硬件设备交互完成数据采集及回放(上行数据传输)等功能。设备应用软件运行在系统应用层，在驱动程序的支持下，完成数据记录、处理及显示功能。应用软件由数据分发模块和载荷成像处理模块两个模块组成。数据分发模块负责与设备驱动程序交互，将对硬件设备的操作接口屏蔽在层内，当硬件设备发生变化或增加新的功能时，变化不会波及到载荷成像处理模块。载荷成像处理模块主要负责对数据的格式处理、成像处理和实时显示。当数据格式发生变化或增加新的载荷数据处理要求时，在该层修改或增加处理包即可。载荷处理单元按照CCSDS标准或非CCSDS标准对传来的数据进行解格式，采用CCSDS标准时按照标准格式解析虚拟信道数据并重新组合，采用非CCSDS标准时，按照用户定义格式进行特定数据的解析，该部分可采用软件实现，软件以动态链接的形式嵌入到整个应用框架中，可以方便调用和更新，容易实现扩展或者裁剪。载荷处理单元还实现了从数据帧中解析出质量标记，进而统计出数据接收质量并通过监控软件上报，或在用户界面直接显示。成像处理单元将解格式后的数据按照光学数据、SAR数据、超光谱数据进行分类，对于光学数据进行图像拼接并去除死像素，对于SAR数据和超光谱数据则将其转换为可以显示的图像数据。该部分内容也以软件的形式实现，成像处理软件以模块化结构设计，每种特定载荷数据的处理软件单独形成动态链接模块，根据主程序框架的需要加载。采用模块化的结构设计，可以在增加新的载荷处理时，不需要对整个软件结构做大的改动，仅增加一种算法模块即可实现功能。快视单元以软件方式完成，通用快视软件基于DirectX设计，充分利用显示卡的硬件图像显示能力，提供各种显示效果并降低高速图形显示时对主机的压力。通用快视软件也是以动态链接模块的形式提供，主程序框架可以制定需要绘图的位置及大小，快视软件可以自动对图像进行缩放显示。同时还提供刷新、变景、滚动、凝视等多种显示方式供选择。系统监控模块接收上级监控系统的计划任务，解析后按照计划时间发送指令到各软件模块，执行既定的任务。在任务完成后，能将任务的执行情况、数据接收质量、数据量等信息上报上级监控。监控软件可对接收的计划进行优先级排队，依次执行。任务完成后，本地保存有日志文件，供事后查询。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。