遥感卫星高速数传信息流设计

朱红 郑小松 黄普明

（中国空间技术研究院西安分院，西安710100）

1 引言

日益迫切的空间应用和蓬勃兴起的卫星对地观测应用的需求，推动着卫星遥感技术水平的快速提高，遥感数据源呈现出高时间分辨率、高空间分辨率和高光谱分辨率的发展趋势，遥感数据的类型越来越多，数据量越来越大，对数传技术提出了更高要求[1-2]，主要体现在以下方面：卫星遥感器的种类、工作模式、源包格式、数据速率、实时性要求各异；信源数据以大量遥感数据和辅助测量数据为主，数据随机性强，特征复杂多变；下传数据种类多、数据量大、数据率高，星地数据传输交互时间短；遥感应用面向多类用户，数传应贯彻标准化设计理念。

为最大限度地共享资源，空间数据系统咨询委员会（Consultative Committee for Space Data Systems，CCSDS）推出的高级在轨系统（Advanced Orbiting Systems，AOS）标准[3-4]已成为航天器空间数据系统研制遵循的技术体系标准。基于AOS标准的编码（简称AOS编码）采用虚拟信道（Virtual Channel，VC）机制组织遥感数据，通过虚拟信道动态调度管理[5]将多路输入数据高速复接[6]形成组帧数据流，实现多路遥感数据在同一空间物理信道上的共享传输。

数传信息流设计需要综合考虑多方面限制或需求，如高速遥感数据缓存容量受限、低速遥感数据具有实时性传输需求等。对于缓存容量受限的问题，虽然已有文献针对缓存容量的选择进行了讨论[7-8]，但是还没有可用于工程的确切计算方法，主要还是凭经验选取，容量选择太小时会造成数据溢出，容量选择太大时又会浪费存储资源。本文面向工程应用对数传信息流进行了动态仿真分析，可以快速、准确地获得虚拟信道缓存容量需求值。针对低速遥感数据的实时性传输需求，本文提出了基于分组优先级的虚拟信道动态调度策略，可以同时满足不同类型遥感数据的处理或传输需求，既可实现低速数据的实时传输，还不会增加高速数据的缓存代价。

2 数传信息流顶层设计

数传与遥感器之间数据接口定义如图1所示。遥感数据可分成两类：一类需要数据压缩，定义为a类（遥感器用ai表示，i∈ [1，Ⅰ]）；另一类需要直接传输原始数据，定义为b类（遥感器用bj表示，j∈ [1，J]）。其中，Ⅰ、J表示a、b类遥感器的数量。目前的光学遥感器大多采用推扫方式成像，输出图像格式是按行送出的。为此，图像压缩编码单元采用条带压缩方式和JPEG2000[9]压缩算法降低数据率，同时减小误码扩散影响，并确保重建图像质量满足任务需求。对每路a类遥感数据进行独立的压缩编码后形成Ⅰ路压缩数据，并和J路b类原始遥感数据一起形成空间链路层中的（Ⅰ＋J）路位流数据。在AOS编码单元中，各路位流数据通过独立的虚拟信道传输，通过多路虚拟信道复接处理，形成适合于空间物理信道传输的两路并行组帧数据，在实时或延时传输模式下，送四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying，QPSK）调制器进行调制后经空间物理信道下传。其中，两路并行组帧数据分别作为QPSK调制器的同相分量（In-phase）和正交分量（Quadrature）输入信号。

图1 数传与遥感器之间的接口Fig.1 Interface between data transmission system and remote sensors

两路并行组帧数据流的传输帧格式如图2所示。为了完成组帧处理，首先将输入的压缩数据ai和原始数据bj位流数据嵌入位流协议数据单元（Bitstream Protocol Data Unit，B-PDU）数据域形成B-PDU数据单元。对各路B-PDU数据单元分配虚拟信道形成虚拟信道数据单元（Virtual Channel Data Unit，VCDU）。通过虚拟信道动态调度管理完成多路VCDU数据单元的高速复接。考虑到星地无线传输中，数据传输速率高，发射功率受限，电波在自由空间传播过程中衰减严重，且存在随机和突发干扰，会造成较高的误码率，因此采用信道检、纠错编码技术确保数据传输的质量。为此，首先对VCDU数据采用循环冗余校验（Cyclic Redundancy Check，CRC）检错编码后将CRC校验信息填入VCDU差错控制域，然后采用交错深度为4的RS（255，239）分组码进行纠错编码，将RS校验信息填入RS校验符号域形成编码虚拟信道单元（Coded Virtual Channel Data Unit，CVCDU）。为有利于地面接收端解调器的码同步处理，需要避免在CVCDU帧中出现 “0”或全“1”长码，因此对CVCDU数据进行伪随机化处理（通过模2加扰码序列）。为有利于地面接收端的帧同步处理，在CVCDU头部打上帧同步头标志，就形成了同步化的信道访问数据单元（Channel Access Data Unit，CADU）下行传输帧。其中，CADU帧长度和B-PDU位流数据区长度是确定遥感数据传输所需码速率的两个重要参数。

图2 数传帧格式定义Fig.2 Definition of data transmission frame

确定数传帧格式后需要进一步确定遥感数据传输需要的码速率r，并以此为依据设计一个固定的数传码速率R。采用式（1）可算出：

式中i、j分别表示a、b类遥感器的序号，αi、βi表示ai遥感器输出图像行周期、每行包含的辅助数据量，μi、ωi表示图像压缩条带包含的行数、条带压缩包格式开销；ζj、ξj表示bj遥感器输出数据信号周期、每周期包含的有效数据量，τ1、τ2表示CADU帧长度、B-PDU位流数据区长度；函数C（x）表示将变量x向上舍入为最接近的整数，中间变量Ψi表示对单个a类遥感数据条带压缩后所得数据量。采用式（2）可算出：

式中γi、θi表示ai遥感器每行图像包含的像元数量、像元量化位数；ηi、φi表示数据压缩比、压缩数据量浮动率。计算出r值后即可进一步设计R值 （R＞r），于是Rρ＝R-r，ρ＝（R-r）／R，Rρ、ρ表示数传码速率的设计余量、设计裕度（数值等于数传帧的填充帧率）。

3 数传信息流设计方案

（1）应用实例分析

以某高分辨率对地观测卫星为例，需要下传的遥感数据包括前视相机、正视相机、后视相机和多光谱相机产生的4路高速图像数据（a类，原始数据率分别为177.46Mbit／s、177.46Mbit／s、177.46Mbit／s、177.94Mbit／s），以及星务数据和小面阵数据2路低速摄影辅助数据（b类，原始数据率分别为3.996Mbit／s、4.096Mbit／s），AOS编码设计星务、小面阵、前视、正视、后视、多光谱数据分别通过虚拟信道VC1、VC2、VC3、VC4、VC5、VC6传输，并对各个虚拟信道设置独立的数据缓存以适应与虚拟信道调度过程的不同步。在虚拟信道缓存的输入端、输出端分别使用异步时钟、同步时钟控制模式。输入端存在有效数据时就写入缓存，输出端则在同步时钟的控制下，利用帧格式同步计数器作为状态机，以计数值为同步控制信号，完成对缓存存取状态的判断、虚拟信道的动态调度、缓存数据的读取和组帧处理。将相机和数传设计的有关参数代入式（1）～（2），可以计算出r＝431.23Mbit／s，R设计为450Mbit／s，于是Rρ＝18.77Mbit／s，ρ＝4.17%。对于高速数据（前视、正视、后视、多光谱数据），要求AOS编码所用缓存容量尽量小；对于低速的星务数据，要求进行实时传输，即每当星务数据接收数据量达到一帧时隙传输数据量的条件时就即时启动该部分数据的AOS编码和传输过程。设在组帧数据流中的t时刻传输的是VC1数据（星务数据），相邻上一次VC1数据的传输时刻为t0，于是Δt＝t-t0，其中Δt表示相邻两个VC1传输帧时隙之间的时间间隔。通过对星务数据信号特性的分析和计算，结果表明Δt的理论值为3.65ms。

（2）数传信息流的动态分析

缓存容量等于数据位宽和存储深度的乘积（数据位宽、存储深度分别指一次写入或读出的比特位数、最多可存储多少个数据位宽的数据量，在数据位宽固定的条件下确定缓存深度需求值就等同于确定缓存容量需求值）。本文面向工程应用，直接对数传信息流进行动态仿真分析，可以快速、准确地获取到虚拟信道缓存深度需求值。在每帧的起始时刻t＝n·tF（n为正整数，tF表示CADU传输帧的一帧持续时间），检测各路虚拟信道缓存的存取深度值，如果某路缓存遵从虚拟信道调度管理且满足不小于预定门限值的条件，则当前帧就突发读取并传输该路缓存数据，否则继续对其他虚拟信道进行检测和判断，如果所有虚拟信道都不满足条件，当前帧就插入填充数据以确保数据传输的连续性。

通过引入变量Dk（t）、Mk（t）、Dk、Tk，可以简洁地描述和分析缓存数据存取深度的动态变化情况。其中，变量Dk（t）、Mk（t）、Dk、Tk分别表示第k路虚拟信道缓存在t时刻的剩余数据量（或动态存取深度）、Dk（t）在不大于t历史中的最大值、Mk（t）全局最大值（也即第k路虚拟信道对缓存深度的需求值）、Mk（t）到达Dk的时刻。Dk（t）随时间t进行动态更新，如果在t时刻写入（读出）1个位宽数据，Dk（t）值就增加（减少）1。由于对于第k路虚拟信道缓存来说，输入数据是按一定时序不间断地写入缓存的，而在每帧的起始时刻t＝n·tF进行检测和判断，只有当Dk（t）值满足预设条件时才会启动对该路缓存的突发读操作过程（突发读出速率大于平均写入速率），否则不对该缓存进行读操作，因此随着时间的推移，Dk（t）～t关系呈近似周期性涨落特性。Mk（t）随时间t＝n·tF进行动态更新，如果Dk（t）＞Mk（t），则Mk（t）＝Dk（t），否则Mk（t）值保持不变。由于Mk（t）始终记录了Dk（t）在 不大于t历史中的最大值，因此随着时间的推移，Mk（t）～t关系呈阶梯递增特性。

通过上述动态分析，可得出如下结论：已知r值，如果R值的设计保证了足够大的ρ值，则必定存在一个时刻Tk，使得Mk（t）收敛于Dk，而Dk值正是第k路虚拟信道对缓存深度的需求值。收敛过程可描述如下：当t＝Tk时，Mk（t）进行了最后一次更新，更新后的值为Dk，而当t＞Tk时Mk（t）保持Dk值不变，也可以说，缓存的数据读、写过程在Tk时刻达到动态平衡。

（3）数传信息流调度策略及分析

数传常用的虚拟信道管理调度策略有全局最大值策略和全局优先级策略。全局最大值策略是指，虚拟信道预设的处理优先级为VC1＝VC2＝VC3＝VC4＝VC5＝VC6，在帧起始时刻t＝n·ΔtF检测 VC1～VC6的D1（t）～D6（t）值，选择满足的第k路虚拟信道缓存，进一步判断是否还满足Dk（t）≥2·τ2的条件，如果满足该条件，当前帧就传输VCk数据，否则当前帧就插入填充数据。全局优先级策略是指，虚拟信道预设的处理优先级为VC1＞VC2＞VC3＞VC4＞VC5＞VC6，在帧起始时刻t＝n·ΔtF首先检测D1（t），如果满足D1（t）≥2·τ2的条件，当前帧就传输VC1数据，否则继续检测D2（t），如果满足D2（t）≥2·τ2的条件，当前帧就传输VC2数据，否则继续检测D3（t），……，以此类推，如果直到完成D6（t）的检测后都不满足不小于2·τ2的条件，当前帧就插入填充数据。

全局最大值策略可缓解各个虚拟信道缓存中数据的大量积压，有利于降低缓存深度需求，缺点是不能保证VC1数据的实时传输。全局优先级策略能保证优先级最高的VC1数据的实时传输，但它的全局公平性较差，不利于降低优先级较低的高速数据缓存深度需求。本文提出了一种分组优先级策略，可以综合利用全局最大值策略和全局优先级策略的优点，同时克服它们的缺点。既有利于降低高速虚拟信道的缓存深度需求，又能保证VC1数据的实时传输。

分组优先级策略是指，按一定方法对虚拟信道VC1～VC6进行分组，在各个分组内部采用全局最大值策略，在各个分组之间采用全局优先级策略。具有两种分组方法，分别对应于两种分组优先级策略：分组优先级策略Ⅰ、分组优先级策略Ⅱ。一种分组方法是按照虚拟信道数据是否具有实时性传输需求进行分组，分成 ｛VC1｝和 ｛VC2、VC3、VC4、VC5、VC6｝两组，对应于分组优先级策略Ⅰ，它在分组之间采用全局优先级策略，即预设处理优先级为 ｛VC1｝＞ ｛VC2、VC3、VC4、VC5、VC6｝，而在分组 ｛VC2、VC3、VC4、VC5、VC6｝内部采用全局最大值策略。另一种分组方法是按照数据速率的高低进行分组，分成 ｛VC1、VC2｝和 ｛VC3、VC4、VC5、VC6｝两组，对应于分组优先级策略Ⅱ，它在分组之间采用全局优先级策略，即预设处理优先级为 ｛VC1、VC2｝＞ ｛VC3、VC4、VC5、VC6｝，而在各个分组 ｛VC1、VC2｝、｛VC3、VC4、VC5、VC6｝内部均采用全局最大值策略。

4 试验结果及分析

采用不同的虚拟信道调度策略时的Dk（k∈[1，6]）仿真结果如表1所示（缓存的数据位宽为8bit）。从表1中可以看出，同全局最大值策略、分组优先级策略Ⅰ、分组优先级策略Ⅱ相比，采用全局优先级策略时的D5和D6值很大（平均增幅分别达44.91%、220.17%）。而采用全局最大值策略、分组优先级策略Ⅰ、Ⅱ时，D3～D6值差别不大，平均波动范围分别为3.67%、3.67%、3.64%、3.66%。同全局最大值策略、分组优先级策略Ⅰ相比，采用全局优先级策略和分组优先级策略Ⅱ时，D1和D2值均较小：如果采用全局优先级策略，同全局最大值策略相比时D1、D2降幅分别达97.69%、98.10%，同分组优先级策略Ⅰ相比时D1相同、D2降幅98.12%；如果采用分组优先级策略Ⅱ，同全局最大值策略相比时，D1、D2降幅分别达97.67%、98.11%，同分组优先级策略Ⅰ相比时，D1略微增加0.87%、D2降幅达98.12%。显然，从降低缓存需求的角度看，采用分组优先级策略Ⅱ最好，可以保证D1～D6值都较小。

表1 缓存深度需求随调度策略的变化Tab.1 Variation of buffer depth requirement with scheduling strategy

对组帧数据流中相邻两个VC1帧时隙之间的时间间隔Δt的仿真试验结果如下：1）采用全局最大值策略时，Δt的范围为0.04～159.83ms，平均值为3.65ms，方差为509.47，Δt波动范围较大，因此不能实现VC1的实时传输；2）采用全局优先级策略、分组优先级策略Ⅰ、分组优先级策略Ⅱ时的试验结果一致，Δt的范围为3.60～3.71ms，平均值为3.65ms，方差为0.000 286，Δt波动范围非常小，甚至可忽略不计，且同星务数据每达到一帧时隙传输数据量的预期时间值3.65ms相符，因此可以实现VC1的实时传输。

综合以上试验结果可以看出，采用分组优先级策略Ⅱ的效果最好，不但可使D1～D6值都较小，而且可以实现VC1数据的实时传输。

5 结束语

面向工程应用研究了基于CCSDS AOS体制的高速数传信息流设计方案。在对数传信息流进行顶层设计的基础上，针对高、低速遥感数据具有的不同处理和传输需求，设计了分组优先级虚拟信道动态调度策略，使得对于高速遥感数据的处理所需缓存较小，同时也实现了低速遥感数据的实时传输。采用动态仿真技术对数传信息流设计方案进行了试验验证，试验结果和理论分析结论相符。本文设计方案可为后续新一代遥感卫星数传系统设计提供参考。

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