基于网络的高码速解调数据输出方案设计

史本忠++王万玉++毛伟++何元春++刘智

摘 要：针对遥感卫星地面接收系统高码速解调数据输出的技术需求，提出了基于网络的高码速解调数据输出技术方案。采用交换式以太网构建遥感卫星地面接收系统解调器解调数据网络的输出架构，提出了高码速解调数据实时传输协议，并通过配置IP地址的方式建立了一对一或一对多的连接线路，从而实现了高码速解调数据流的可靠、实时输出。该方案设计已用于工程项目中，测试结果表明该方案合理可行。

关键词：遥感卫星；数据接收系统；高码速；解调基带数据；网路输出

中图分类号：TN961 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2016）11-00-03

0 引 言

随着国内外遥感卫星有效载荷分辨率（包括高时间分辨率、高空间分辨率、高辐射分辨率、高光谱分辨率等）的不断提高，其在相同时间获取的原始数据量倍增，宽带高速传输已成为星地数据传输的必然趋势[1-3]。如美国GeoEye卫星数据传输速率为740 Mb/s，QuickBird卫星数据传输速率达800 Mb/s[4]；我国的高分专项相关卫星的数据传输码速率为800 Mb/s，后续卫星将达到1.5 Gb/s。

目前国内外遥感卫星地面接收系统解调器解调数据的输出多采用串行码流方式，电气接口一般为ECL，其缺点是不适合长距离高码速数据的传输。接收数据码速率的提高，使得采用上述传输方式的缺点更为突出。网络传输具有传输距离长、码速性能好等优点，将成为遥感卫星地面接收系统解调器解调数据输出的发展趋势。

针对遥感卫星地面接收系统高码速解调数据输出的技术需求，采用交换式以太网构建遥感卫星地面接收系统解调器解调数据网络输出架构，提出了高码速解调数据实时传输协议；选用TCP/IP协议，将解调器作为TCP服务器端，数据记录服务器作为远程TCP客户端需要连接解调器，通过配置IP地址的方式建立一对一或一对多的连接线路，实现实时高码速解调数据流的输出，并对应用效果进行试验验证。

1 遥感卫星地面接收系统简介

遥感卫星数据接收系统主要由天馈伺分系统、跟踪接收分系统、记录与快视分系统、测试分系统、站任务管理与监控分系统、技术支持分系统组成[5]。遥感卫星地面接收系统组成图如图1所示。

图1 遥感卫星地面接收系统组成图

数据接收工作流程[6]：系统稳定跟踪后，X或S频段馈源产生的和信号经下变频后送到解调器。解调器进行解调及相应译码，通过ECL或网络方式输出I、Q合路与分路的卫星基带数据至记录与快视分系统。采用基带数据开关或网络交换机进行解调器与数据记录设备的任意组合、切换，实现解调器与数据记录设备的热备份能力。其数据接收流程图如图2所示。

2 高码速解调数据网络输出方案设计

2.1 网络输出架构

高速解调数据的网络传输能力主要由解调器的网络数据输出能力、系统的网络交换能力及可靠的网络传输协议决定。

依据遥感卫星地面接收系统所接收的遥感数据码速率要求，解调器网络输出能力一般选千兆网或光纤口。采用千兆网（网络连接器RJ-45、连接线Cat-5e或Cat-6）或10 Gb/s的光纤（网络连接器LC，连接线根据万兆网卡选择单模或多模光纤）构建遥感卫星地面接收系统解调器解调数据网络输出架构。

网络结构多采用交换式以太网。交换式以太网以交换机为中心构成，是一种星型拓扑结构网络，交换机采用存储交换方式，交换机背板带宽可以保证端到端的信息传输能力。可根据系统中配置的高速解调器的数量选配合适的网络交换机，以保证高速解调数据的网络传输性能。

常用的网络传输协议为UDP/IP和TCP/IP。

（1）UDP/IP为无连接协议，简单、传输效率高，数据报模式，传输不可靠，无法保证数据传输的顺序，可能丢包；

（2）TCP/IP为基于连接的协议，有一定的传输时延（特别当网络环境较差时），流模式，可靠传输协议，可保证数据的传输顺序。

高速解调数据网络传输一般要求数据有序、可靠，因此选用TCP/IP协议。

服务器端与客户端数据交换使用TCP-IP协议。解调数据包括解调器解调之后的原始数据及同步数据，用于后续数据本地存盘及网络传输，该数据信息的交换可支持多客户端。因此可通过配置IP地址的方式进行一对一或一对多的实时解调数据流的交互，实现解调器与数据记录设备的任意组合、切换。遥感卫星地面接收系统解调器解调数据网络输出架构图如图3所示。

2.2 网络通信协议

网络通信采用TCP/IP协议。解调器作为TCP服务器端，开启侦听端口，数据记录服务器作为远程TCP客户端需要连接解调器时，发送连接请求，由解调器判断请求是否正确，如正确且解调器具备连接条件，则建立一条连接线路，否则解调器拒绝连接。四个层次的定义如下：

（1）物理层：千兆网，网络连接器RJ-45，连接线Cat-5e或Cat-6；或选用10 Gb/s光纤，网络连接器LC，连接线根据万兆网卡选择单模或多模光纤。

（2）链路层：满足IEEE802.3规范。

（3）网络层：IP协议，采用规范的IP头。

（4）传输层：TCP。

2.3 数据传输协议

2.3.1 实时数据传输指令

表1所列是实时解调数据的网络传输指令。数据传输可以立即或在预定的时间偏移量后进行，在IP连接闭合或在预定时间偏移后停止。每TM消息的TM块的数目是可配置的（最高达131 072）。不论在何种情况下，TM块的有效数目都会进行自动调整，使TM块的每个消息的最大数量不超过2兆字节。

2.3.2 数据传输响应

解调器正确解析数据传输指令后，返回数据传输响应。如果解调器解析数据传输指令有误，则返回数据传输拒收响应，并给出错误原因。数据传输响应如表2所列。

实时解调基带数据包括以下信息：

（1）TM（实时解调基带数据）块结构（偏移8至12：帧大小，同步字的大小，时间标记大小等）。

（2）实时解调基带数据流控制数据，如果远程客户端的摄取率不够，则溢出报警（偏移17）给出数据损失告警。警告状态（偏移18）给出了个人计算机的RAM缓冲器的余量（以字节为单位）。

TM块结构如表3所列。

2.3.3 相关说明

相关说明包含如下三项：

（1）数据表示：整型为32 bit，其中bit0/Byte0为最低位bit/Byte；浮点型由32 bit表示，包括1 bit符号位，8 bit指数，23 bit尾数。

（2）保留位：协议中的保留位留作扩展使用，由解调器发送时可以是任意值，但作为解调器接收时，值必须为0。

（3）时间定义：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表示时，bit45-37表示天（为当前年份1月1日开始的天计数）。

3 试验及应用效果

采用搭建试验平台和实际接收高码速卫星数据的方法来验证高码速解调数据的网络数传能力。

试验采用地面接收系统高码速数据接收链路搭建试验平台，模拟实际的卫星高码速数据接收记录，多台高速解调器与多台数据记录服务器通过网络交换机连接，各解调器通过网络输出解调数据，各数据记录服务器实时通过网络接收数据，统计数据接收误码率、丢帧等。网络交换机保证高速解调器与计算机之间的信息交换带宽。

测试信号（带有连续帧序号的测试数据文件）经测试调制器调制、上变频后送测试耦合器，经LNA、光端机、射频矩阵开关、下变频器、中频均衡矩阵开关、全数字高码速低损耗解调器后通过网络交换机送至多台数据记录服务器，多台数据记录服务器记录接收解调后的数据，并用误码分析软件分析所记录数据的误码率。

试验结果表明千兆网（网络连接器RJ-45，连接线Cat-5e或Cat-6）可实现700 Mb/s码率的解调基带数据的实时网络数传，误码率优于1E-11；10 Gb/s光纤（网络连接器LC，连接线根据万兆网卡选择单模或多模光纤）可实现1.5 Gb/s码率的解调基带数据的网络传输（因记录软件能力有限，更高码率的情况未做试验），误码率优于1E-11。

在实际接收高码速卫星数据时，采用该方案已成功实现ZY-3、GF系列卫星（2×450 Mb/s）等卫星高码速解调数据的网络数传功能。

4 结 语

本文基于交换式以太网构建了遥感卫星地面接收系统解调器解调数据网络输出架构，选用TCP/IP协议，通过配置IP地址的方式建立一对一或一对多的连接线路，实现了高码速解调数据流的稳定、可靠、实时输出。

测试结果表明高码速解调基带数据采用网络输出具有传输距离长、码速性能好等优点。该方案设计已用于工程项目中。

参考文献

[1]高卫斌，冉承其.遥感卫星数据传输技术发展分析[J].中国空间科学技术，2005（6）：30-36.

[2]王中果，汪大宝.低轨遥感卫星Ka频段星地数据传输效能研究[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，李小军，周诠.空间高速数据传输技术新进展[J].空间电子技术，2009，6（3）：43-48.

[5]王万玉，张宝全，刘爱平，等.频率复用高码速率遥感卫星数据接收系统设计[J].电讯技术， 2012，52（4）：423-428.

[6]王万玉，李凡，袁刚，等.遥感卫星地面接收系统及关键技术[C].中国空间科学学会空间探测专业委员会第二十一次学术会议论文集，2008：576-579.