卫星遥感多路数据传输合路方案研究

朱红 康骊 张爱兵

（1 空间电子信息技术研究院，西安 710100）

（2 北京航空航天大学电子信息工程学院，北京 100191）

1 引言

数据处理与传输系统（简称数传系统）是遥感卫星上的重要有效载荷，承载着遥感数据的星地传输任务，其工作流程主要是从星上遥感载荷获取到观测数据开始，经压缩编码、数传合路、信道编码、调制、功率放大、空间辐射、射频接收、解调、译码等一系列处理，到最终恢复出遥感数据。

数传合路技术是数传中的一项关键技术，其方案设计遵循空间数据系统咨询委员会（CCSDS）制订的高级在轨系统（Advanced Orbiting Systems，AOS）［1-5］标准，主要技术特征是采用虚拟信道（Virtual Channel，VC）机制，对输入的多路载荷数据进行标准化的打包和标识，形成等长的虚拟信道数据单元（Virtual Channel Data Unit，VCDU），使用虚拟信道动态调度策略［6］完成VCDU 的复接［7-8］，实现多用户数据在同一空间物理信道上的共享传输。由于各路虚拟信道数据的特性不同，需要在入口端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。

2 遥感数传设计

2．1 数据接口设计

某遥感卫星的高分辨率相机输出8路电荷耦合器件（CCD）的图像数据（CCD1～CCD8），相机采用推扫方式成像，图像数据按行送出，每行包括图像辅助数据和图像数据，其中图像辅助数据不压缩。相机／数传之间的数据接口如图1所示。相机图像数据通过压缩编码处理后形成压缩码流，再通过数传合路单元处理后形成两路组帧数据流，送空间物理信道下传。数传采用四相相移键控（QPSK）调制方式，于是两路组帧数据流分别作为QPSK 调制器的I路输入数据（In-phase，同相分量）和Q 路输入数据（Quadrature，正交分量）。

图1 相机／数传之间数据接口Fig．1 Data interface between camera and data transmission system

压缩编码器的每个模块独立接收和处理1 路CCD 图像，采用条带压缩方式和基于小波的分层树集合分裂编码（Set Partitioning in Hierarchical Trees，SPIHT）［10］压缩算法，将数据率降低到数传带宽范围内，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。为抵御信道误码，确保数据传输质量，对图像压缩数据采用RS（255，243）纠错编码，并同图像辅助数据进行拼接，形成压缩码流后输出，输出数据信号时序如图2所示。图2中，参数T、Tz、Tn表示门控信号的周期、正程长度、逆程长度，单位均为ms。参数xd和zd均表示局部的有效数据传输长度，参数yd表示间歇期长度，参数nd表示yd和zd的重复次数，xd、yd、zd的单位均为byte。在正程区域内传输有效数据（有效数据量＝xd＋nd·zd），逆程为空闲期。各参数取值为T＝17．7、Tz＝14．633 5、Tn＝3．066 5、xd＝2048，yd＝384，zd＝255，nd＝180。

图2 压缩编码器输出数据信号时序Fig．2 Output data signal timing of compression encoder

数传合路单元接收多路压缩码流，采用CCSDS AOS标准编码技术完成多路高速复接，整合成码速率恒定的I、Q 路组帧数据流，送入星地物理信道传输。按照CCSDS 协议分层模型，压缩码流数据属于空间链路层（Space Link Sub-network，SLS）中的非定界位流数据（Bit streaming）。SLS层又划分为两个子层：虚拟信道链路控制子层（Virtual Channel Link Control sublayer，VCLC）和虚拟信道访问子层（Virtual Channel Access sublayer，VCA）。VCLC子层完成载荷及其压缩数据位流的组织；VCA 子层完成虚拟信道的复用和组帧。数传合路单元处于SLS 层与空间物理信道（space physical channel）之间，采用位流协议数据单元（Bitstream Protocol Data Unit，B-PDU）组织数据帧。

2．2 传输帧结构设计

使用统一的传输帧结构实现多路压缩码流的共享信道传输，首先将输入的压缩码流数据放入BPDU 数据域形成B-PDU 数据单元，对B-PDU 数据单元分配虚拟信道形成VCDU 数据单元，对VCDU数据单元进行高速复接和组帧，对帧格式的重要区域进行RS纠错编码，填入RS校验信息形成编码虚拟信道单元（Coded Virtual Channel Data Unit，CVCDU），再经伪随机化和添加同步码，最终形成信道访问数据单元（Channel Access Data Unit，CADU）下行传输帧。CADU 传输帧的帧长度和BPDU 位流数据区长度是数传码速率设计所需的两个重要控制参数。

2．3 数传码速率设计

确定传输帧结构后需要进一步确定虚拟信道数据对传输带宽的需求，并以此为依据设计一个固定的数传码速率，以适应空间物理信道传输和地面接收端同步处理需要。采用式（1），可算出单路CCD图像数据传输所需的码速率ri（Mbit／s）

式中：i表示CCD的序号；x1i，x2i表示CCD图像行周期（ms）、每行包含的辅助数据量（bit）；y1i，y4i表示压缩条带包含的行数、条带压缩包格式开销（bit）；m，n表示对条带压缩数据进行RS纠错编码采用的分组长度（byte）、信源长度（byte）；z1，z2表示CADU 传输帧的帧长度（byte）、B-PDU 位流数据区长度（byte）；中间变量Xi表示对单个条带进行图像压缩后所得的数据量（bit）；函数C（x）表示将变量x向上舍入为最接近的整数。采用式（2），可算出Xi

式中：x3i，x4i表示每行包含的像元数量、像元量化位数（bit）；y2i，y3i表示数据压缩比、压缩数据量浮动率；函数C（x）表示将变量x向上舍入为最接近的整数。

式（1）、（2）中，参数取值为x1i＝0．276 562 5，x2i＝256，x3i＝4096，x4i＝8，y1i＝64，y2i＝6，y3i＝0，y4i＝16，m＝255，n＝243，z1＝1066，z2＝1024。代入式（1）可得ri＝22．645 Mbit／s，于是8 路CCD 图像数据传输所需的数传码速率r＝8·ri＝181．16 Mbit／s。数传码速率R设计为190Mbit／s，设计余量为R-r＝8．84Mbit／s，设计裕度为（R-r）／R＝4．65%。设计裕度是以在数传组帧数据流中插入填充帧的形式表现出来的，它在数值上同填充帧率的统计平均值相当。

3）迭代运算单元内部逻辑折叠共享：由算法流程可知，符号判决之后需要进行加或减操作，设计中即使采用寄存器共享也需要6个加法器来实现算法，然而通过分析可以发现：同一时刻仅有3个加法器处于工作状态，这样可以复用加法器来减少逻辑资源，如图3所示。

2．4 数传合路方案设计

在数传合路处理前，首先对各路虚拟信道数据进行独立的缓冲存储。缓存的容量用位宽和深度度量，位宽指一次读／写操作的比特位数，深度指最多可存储多少个数据位宽的数据量。只要确定了虚拟信道数据传输对相应缓存深度的需求值，就等于确定了对缓存容量的需求值。缓存的数据位宽为8bit，因此先将压缩码流数据位宽由2bit转换成8bit后再存入缓存。缓存的输入、输出端分别使用异步时钟（时钟频率为32 MHz）、同步时钟（时钟频率为95 MHz）控制模式。各路虚拟信道输入信号中的有效数据独立写入相应的缓存，输出端在同步时钟驱动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缓存状态判断、虚拟信道传输时隙分配、缓存数据读取，以及CADU 组帧等一系列操作。对8路CCD 压缩码流进行数传合路处理时，本文设计了两种备选方案。为便于表述，各路CCD 及其虚拟信道（VC）的对应关系约定为CCDk→VCk（k为整数，1≤k≤8）。

第一种数传合路方案如图3所示，各路CCD 压缩码流数据经位宽转换后，送入相应的先进先出数据缓存器（FIFO）进行缓存，然后在虚拟信道调度管理程序的控制下，将VC1～VC8数据同时数传合路到I帧和Q 帧中。每从某路缓存读出8bit数据后，就将其拆分为高4bit和低4bit，高4bit嵌入到I帧传输，低4bit嵌入到Q 帧传输。于是在任意一个传输帧时隙，同步的I帧和Q 帧均传输了同一个虚拟信道的数据，且分别包含了该虚拟信道的一半数据量。

图3 第一种数传合路设计方案Fig．3 First multiplexing scheme

第二种数传合路方案如图4所示，各路CCD 压缩码流数据经位宽转换后，送入相应的FIFO 进行缓存，然后在虚拟信道调度管理程序的控制下，将VC1～VC4数据数传合路到I帧，每从VC1～VC4中的某路缓存读出8bit数据后，不做拆分，直接嵌入到I帧传输。将VC5～VC8数据数传合路到Q 帧，每从VC5～VC8中的某路缓存读出8bit数据后，不做拆分，直接嵌入到Q 帧传输。于是在任意一个传输帧时隙，同步的I帧和Q 帧传输的虚拟信道不同（不算保留的填充帧）。以下对数传合路方案的缓存需求进行定性分析。

图4 第二种数传合路设计方案Fig．4 Second multiplexing scheme

为缓解缓存中数据的大量积压，数传合路方案采用了基于剩余量优先的虚拟信道调度策略，即对缓存数据存取深度取最大值的虚拟信道进行优先处理。为便于简洁地描述和分析缓存数据存取深度的动态变化情况，引入变量Dk（t）、Mk（t）、Dk、Tk。Dk（t）表示在t时刻，第k路虚拟信道缓存的动态存取深度；Mk（t）表示Dk（t）在≤t历史中的最大值；Dk为Mk（t）的全局最大值，即第k路虚拟信道数据传输对缓存深度的最小需求值；Tk表示Mk（t）到达Dk的时刻。Dk（t）的更新过程为：如果在t时刻写入1个位宽数据，Dk（t）值就加1；如果在t时刻读出1个位宽数据，Dk（t）就减1。虚拟信道数据是间歇式写入缓存的，且写入的平均速率显著小于突发读出数据率。因此，随着时间的推移，Dk（t）～t关系呈周期性涨落特性。Mk（t）的更新过程为，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）进行判断，如果Dk（t）＞Mk（t），则Mk（t）＝Dk（t），否则Mk（t）值保持不变。随着时间的推移，Mk（t）～t关系呈阶梯递增特性。如果数传码速率设计值R保证了一定的设计余量，则必定存在一个时刻Tk，使得在该时刻之后缓存的读／写操作过程进入动态平衡状态，即当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。

在每帧的起始时刻，检测虚拟信道缓存的动态存取深度Dk（t）值，选择存取深度取最大值的缓存判断是否还满足Dk（t）≥2·z2（数传合路方案1）或者Dk（t）≥z2（数传合路方案2）的条件，如果满足，则当前帧就传输该虚拟信道数据，否则就插入填充帧虚拟信道（在接收端剔除），以确保数据传输的连续性。采用数传合路方案1时，在每帧的起始时刻，需要检测8个虚拟信道，虽然访问特定的虚拟信道缓存一次可能就会读出2·z2数据量，但平均来讲，对该虚拟信道缓存的重访周期需要8帧时间，在此过程中，数据写入过程不会停止，因此，在较长的重访周期内缓存中的数据会积压较多，对缓存容量的需求也就较高。而采用数传合路方案2时，在每帧的起始时刻只需要检测4个虚拟信道，虽然访问特定的虚拟信道缓存一次只可能读出z2数据量，但平均来讲，对该虚拟信道缓存的重访周期缩短到4帧时间，因此，在较短的重访周期内缓存中的数据积压会较少，对缓存容量的需求也就较低，定量的结果需要对数传合路方案进行动态仿真分析才能获得。

3 数传合路处理的动态仿真分析

3．1 仿真分析流程

本文采用动态仿真分析方法对数传合路方案的缓存需求进行快速、定量的评估。仿真分析流程如图5所示。在仿真分析的过程中，使用写时隙表示写时钟，使用读时隙表示读时钟。各路缓存的写时隙相互独立，每路平均写入速率为21．67 Mbit／s。读时隙对同一组缓存共用。采用数传合路方案1时，虚拟信道VC1～VC8使用同一读时隙，突发读出速率为190Mbit／s；采用数传合路方案2时，虚拟信道VC1～VC4使用同一读时隙，虚拟信道VC5～VC8使用同一读时隙，突发读出速率均为95 Mbit／s。对于写操作过程，在写时隙如果有输入数据，就写入缓存，并对Dk（t）值进行相应的增量更新。对于读操作过程，在每帧的起始时刻，检测各路缓存的Dk（t）值并进行判断，只有当满足判决条件时，才会启动对缓存的突发读操作过程，同时对Dk（t）值进行相应的减量更新。在程序运行过程中，实时监测Mk（t）变量的数值变化情况，当Mk（t）数值递增到一个稳定状态（即数值不再变化）时，表示处理过程已达到平衡状态，此时可以停止程序运行，获取仿真结果并进行分析。

图5 数传合路处理的仿真分析流程Fig．5 Flow chart of multiplexing simulation

3．2 仿真结果及分析

3．2．1 虚拟信道分布仿真结果

在I、Q 路组帧数据流中，虚拟信道随时间分布的仿真结果如图6所示。采用数传合路方案1时，纵轴表示的是虚拟信道VC1～VC8的序号。采用数传合路方案2时，只给出了I帧的虚拟信道分布结果（Q 帧的虚拟信道分布结果同I帧类似），纵轴表示的是虚拟信道VC1～VC4的序号。填充帧的虚拟信道序号为0。从仿真结果数据分析，采用数传合路方案1时的虚拟信道重访周期平均为0．718 1ms，等于8帧时间（每帧时长约为89．77μs）；采用数传合路方案2时的虚拟信道重访周期平均为0．359 1ms，等于4帧时间。较小的重访周期有利于缓解缓存中数据的积压程度，从这层意义上讲，数传合路方案2对缓存容量的需求会较低一些。

图6 虚拟信道在组帧数据流中的分布Fig．6 Virtual channel distribution in frame streams

3．2．2 填充帧比率仿真结果

在I、Q 路组帧数据流中，填充帧比率的仿真结果如图7、图8所示（分别表示了0～100ms、100～400ms时间段中的填充帧比率变化情况）。从仿真结果可以看出，随着时间的推移，两种数传合路方案的填充帧比率均逐渐收敛于一个统计平均值5%。该值同数传码速率设计裕度计算值4．65%比较吻合，较小的误差是因为计算值附加了一定的余量。

图7 填充帧比率随时间的变化情况（0～100ms）Fig．7 Filled frame ratio variation with time（0～100ms）

图8 填充帧比率随时间的变化情况（100～400ms）Fig．8 Filled frame ratio variation with time（100～400ms）

从仿真结果还可以看出，在同一时刻，数传合路方案1的填充帧比率明显更大一些。这是因为，采用该方案时，虚拟信道重访周期更长，且在启动突发读操作前对虚拟信道缓存存取深度的判决指标更高，造成缓存的数据存取深度不能及时满足预定的判决条件，也就未能及时触发突发读操作过程，因此，只能插入更多的填充帧以保持数传帧的连续性。填充帧比率较大，则信道利用率较低，虚拟信道缓存中累积的数据量也会更多，对缓存存取深度的需求就相应较高。因此，从信道利用率以及对缓存存取深度的需求角度看，采用数传合路方案2更合理一些。再从统计特性上看，数传合路方案1填充帧比率波动较大，收敛较慢，均方差为0．022；而数传合路方案2填充帧比率波动就较小，收敛较快，均方差为0．018，说明其处理过程能更快地进入到平稳状态。

3．2．3 缓存存取深度仿真结果

通过对缓存存取深度的动态仿真分析，发现采用两种数传合路方案时，均是虚拟信道VC8的缓存深度需求值最大，其它虚拟信道的缓存深度需求值略低一点。在0～50ms时间段中，虚拟信道VC8缓存的动态存取深度D8（t）及其历史最大值M8（t）随时间的变化情况如图9所示；在0～1500ms时间段中，虚拟信道VC8缓存的动态存取深度历史最大值M8（t）随时间的变化情况如图10所示。

从图9所示的仿真结果可知，随着时间的推移，D8（t）呈现出一定周期性的涨落特性，这是缓存数据读／写动态过程表现出的现象，而缓存数据读／写具有间歇性慢写和突发性快读的特点；随着时间的推移，M8（t）呈现出一种阶跃式递增特性，在0～15ms的早期时间段内增长速度较快，在15ms以后增长速度逐渐放缓。

图9 缓存存取深度随时间的变化Fig．9 Stored data amount variation with time in the buffer

从图10所示的仿真结果可知，随着时间的推移，M8（t）的增长速度逐渐放缓，直到达到一个顶峰值后就不再增长，此时数据处理过程达到了动态平衡。采用数传合路方案1，M8（t）在T8＝1 430．459 ms 时，达到其顶峰值D8＝10 064（≈9．83K＞8K）；而采用数传合路方案2，M8（t）在T8＝722．456 ms时，达到其顶峰值D8＝8020（≈7．83K＜8K）。可见，数传合路方案2对缓存深度需求值更低（降低了9．83-7．83＝2K），采用地址空间深度配置为8K 的缓存，就可以满足其处理需求。相比之下，至少需要地址空间深度配置为16K的缓存，才能满足数传合路方案1的处理需求。

图10 缓存存取深度历史最大值的变化情况Fig．10 Maximum-value evolution of stored data amount in the buffer

4 结束语

针对缓存容量受限条件下多路载荷数据合路传输的问题，基于CCSDS AOS标准的虚拟信道复用机制，提出了两种数传合路方案。利用计算机仿真技术，对两种方案的性能进行了动态分析，择优选择了数传合路方案2，只须采用地址空间深度配置为8K的缓存，即可满足数传合路处理的需求。该方案已应用到某卫星工程项目的数传系统产品中，通过了地面测试、试验以及在轨飞行验证。本文以8路高分辨率图像传输为实例进行了数传合路研究，其设计思想和动态分析方法，可为后续航天器更多种类遥感数据的数传合路设计提供参考。

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