深空干涉测量基带转换器数据格式转换算法分析

马宏+李贵新

【摘要】 介绍了我国深空测控站干涉测量基带转换器RDEF和MARK5B两种数据格式，分析了由RDEF格式转换为MARK5B格式的算法，给出了算法的仿真结果，证明了算法的正确性。

【关键词】 甚长基线干涉测量 数字基带转换器 格式转换

Abstract： The paper introduces two kinds of data format of DBBC which is used in interference measurement system of Deep space TT&C station. Then analyzes the algorithm that convert from RDEF format to NARK5B format， and the simulation results of the algorithm are given， which prove the correctness of the algorithm.

Keywords： VLBI； DBBC； Format conversion

一、引言

對于深空探测任务，航天器的测量与控制是任务成败的关键。受距离超远的影响，传统的单站距离、速度、角度测量体制无法满足深空探测器测量精度要求。而甚长基线干涉测量VLBI（Very Long Baseline Interferometry）以其高精度测角的特点在天体物理、大地测量、地球物理、深空探测等方面得到广泛的应用[1]。

VLBI是20世纪60年代后期发展起来的射电干涉测量新技术[2]。经过50多年的发展，VLBI已经成为当代角分辨率最高、定位精度最好的天文观测技术[3]。

深空干涉测量基带转换器是VLBI系统的重要组成部分，主要承担着宽带数据采集、频带选择、基带转换、数据传输及存储等任务，是后续信号处理的基础。

我国深空测控站数字基带转换器采用两种国际上流行的数据格式，即MARK5B数据格式和RDEF（Delta-DOR Raw Data Exchange Format，Delta DOR原始数据交换格式）。MARK5B数据格式为国际上大部分数字基带转换器采用，主要对于单边带实信号记录，广泛应用于射电天文领域，但其记录通道数和单通道量化位数的选择受到一定限制[4]；RDEF数据格式是CCSDS（The consultative committee for space data system，空间数据系统咨询委员会）发布的标准格式，信号形式为复信号。由于每次观测的各通道数据都会单独产生一个产品文件，因此RDEF数据格式在通道数及量化位数的选择方面十分灵活，主要应用于深空探测领域[5]。

国外数字基带转换器产品主要支持MARK5B的数据格式，而我国深空站两种数据格式均支持，为了更好的开展国际合作，有必要通过软件将RDEF数据格式转换为MARK5B数据格式。

二、数据格式简介

2.1 MARK 5B数据格式

Mark 5B数据在记录介质上被分为等长的数据帧。每个数据帧以4个32-bit字的帧头开始，紧接着2500个32-bit字的数据序列[6]。在每个整数秒时刻有一个数据帧的分界。

（1）帧头格式

Mark 5B数据帧的编制采取帧头不代替数据字的形式，即帧头插入连续的数据字序列中，帧头的格式见图1。

每个数据帧头包括以下信息：

字0：同步字“ABADDEED”；

字1：比特31～16是用户定义内容（比如，台站ID号）；比特15是测试向量标志（1表示记录的是测试向量，0表示记录的是VLBI数据）；比特14～0是每一秒钟内的帧序号（当整数秒时刻到来时，新的帧头序号从零开始）；

字2～3：记录起始数据的BCD时间码和16比特循环冗余校验码。

（2）数据字格式

单通道量化位数为1，2，4和8位。数据段包含2500个32比特字的数据序列。帧头中记录的时间是每一帧中各有效比特流被第一次采样的时刻。

2.2 RDEF数据格式

RDEF数据格式由两类文件构成，即观测文件和产品文件，后缀分别是.obs和.prd[7]。

观测文件是多行ASCII文本文件，包含测控站ID、接收设备ID、射电源ID、航天器标识、观测时间和记录数据长度等信息。

数据文件是二进制文件。每一个产品文件代表一个测站、一次扫描、一个通道的观测数据，所以在一次观测任务中，将产生多个产品文件。产品文件包含多个记录（Data Record），每个记录由两部分组成，一是帧头部分（Header Section），一个是数据部分（Data Section），其结构如图2所示。

帧头部分数据长度为176字节，包含测站配置参数和描述记录数据的信息，主要包括采样时间、采样速率、信号带宽、中心频率、量化位数等。

数据部分（Data Section）由一个测站、一次扫描、一个通道在一秒钟内的观测数据组成，其数据长度与记录速率有关。数据部分的数据为复数形式，即同相位（In-phase，I路）和正交相位（Quadrature-phase，Q路）。I路和Q路的量化位数应为1，2，4，8或16-bit，I路和Q路数据必须紧邻组成32位字。

三、格式转换数据处理算法

RDEF数据格式为复信号，设其带宽为B，采样速率为fs，则fs=B。将该信号转换为MARK5B格式后，变为实信号，其信号带宽仍然为B，采样速率fs=2fs。转换前后信号频谱如图3所示。

由图3可知，复信号（RDEF格式）频率不具有对称性，可分析带宽为-fs /2～fs /2。实信号（MARK5B格式）频谱具有对称性，可分析带宽0～fs。这里采样频率fs为转换前复信号采样频率。

根据上述频谱变换方式，可设计信号处理原理框图如图4。

RDEF数据从A点送入2倍内插模块，采样频率变为fs=2fs，得到B点数据。经过低通滤波，滤除镜频信号，获得C点复信号I+jQ。C点信号通过频谱搬移，向正半轴方向频谱平移B/2，得到D点数据。由于频谱搬移为新的采样速率的0.25倍，因此D点复信号实部和虚部序列如图4所示。D数据的实部和虚部之和形成E点数据，即MARK5B格式数据输出。

图4中，2倍内插是在2个采样点之间补1个零，其后续运算采样速率为fs=2fs；FIR滤波器为低通滤波器，归一化通带为0.24，归一化阻带为0.26，带外抑制50dB，系数个数114；乘法器为复数相乘，数字本振的输出为复信号，其实部和需部的输出取值为0，-1，1。通过仿真分析，图4中各关键信号处理步骤的频谱如图5～图8所示。

图4所示的2倍内插和FIR低通滤波可采用多相滤波结构，而后续的频谱搬移和相加器也可以根据信号特点进行简化处理，其最终实现框图如图9所示。

采用多相滤波結构，可以将滤波器提前至内插器前，减少了运算量。图4中的FIR滤波器分为图5中FIR1和FIR2，内插至于滤波器之后。图4中的频谱搬移和后续的加法器由图5中的延迟器、加法器和选择器代替。

四、结束语

通过上述分析可以看出，采用合适的数字信号处理算法，可以将深空干涉测量基带转换器的RDEF数据格式转换为MARK5B数据格式。该算法包括内插、FIR滤波、频谱搬移等运算。通过多相滤波的结构，可以大大减少运算量。通过仿真分析，证明了该算法的正确性。

参 考 文 献

[1]杨文军，郝龙飞. VLBI终端系统的发展历史和未来展望.[J]. 天文研究与技术， 2012，9，（4）：374-380.

[2]张彦芬， 苏利娜， 王力. VLBI技术的发展与展望[J]. 北京测绘， 2010（4）：23-25.

[3]罗近涛等. VLBI数字基带转换器测试进展[J]. 天文研究与技术， 2010 7（3）：214-221.

[4] Gino Tuccari， Alan Whitney， Hans Hinteregger， et al. IVS-WG3 Report on the Backend System[R]. IVS Memorandum 2006-003v01， 2004.

[5] Bill Petrachenko. VLBI2010 Digital Back End （DBE） Requirements[R].IVS Memorandum 2008-014v01， 2008.

[6] Alan R. Whitney. The Mark 5 VLBI Data System[R].IVS VLBI2010 working meeting， 2007.4.

[7]马高峰. VLBI2010与GNSS联合数据分析理论及方法研究[D]. 解放军信息工程大学博士学位论文，2011.