高分七号卫星数据处理与传输分系统设计与验证

郑小松 李立 张雨 靳凡 韩宇 赵云鹏 张莎莎 姚鑫雨

(1 西安空间无线电技术研究所，西安 710071)(2 西安微电子技术研究所，西安 710065) (3 北京空间飞行器总体设计部,北京 100094)

高分七号卫星是一颗高精度民用测绘卫星，卫星轨道高度约500 km，用于实现1∶10 000比例尺测绘。星上装载了双线阵测绘相机(包括前视相机和后视相机)，通过对同一地区不同角度的观测获得该地区的平面、高程、地物属性等信息，用于测绘行业的立体测图、资源及环境遥感应用。卫星上装载的有效载荷原始码数据率高，同时具备灵活的成像和数据传输能力，截止到2019年12月，在国内外采用X频段传输的遥感卫星中数据传输速率最高。

高分七号卫星装载的有效载荷系统产生8 Gbit/s的有效数据，接口速率达到11 Gbit/s，为了满足相机高速成像传输需求，卫星配置了高速数据处理与传输分系统，采用基于反馈的压缩码率自适应控制、多模式矢量调制、可变编码调制、分系统大容量文件存储管理和分布式上行更新控制管理等关键技术，可解决大量遥感数据的处理和下传。

1 数据处理与传输分系统设计

1.1 系统处理与传输需求

在射频方面，国内在X频段进行数据传输一般采用8025～8400 MHz范围，带宽为375 MHz。在这一带宽限制下，结合目前调制传输技术及遥感地面站接收技术水平，可以采用的调制码速率包含450 Mbit/s，800 Mbit/s，900 Mbit/s，1.2 Gbit/s等，分别采用QPSK，8PSK，16APSK调制方式。在采用高速高阶调制时，一般要求采用信道编码配合信号调制。

高分七号卫星主要通过国内卫星遥感地面站和北极卫星遥感地面站完成数据接收任务，国内卫星遥感地面站每天接收时间约70 min，北极卫星遥感地面站每天接收时间约60 min；有效载荷数据速率为8 Gbit/s，卫星每天需要完成至少40 min的成像任务；具体压缩比需求情况见表1。

表1 压缩比需求Table 1 Requirement of compression rate

从表1可以看出，高分七号卫星采用图像压缩才能完成数据平衡传输,在平衡传输过程中需要缓存的数据放入固态存储器中，存储速率与压缩比相关，回放速率与通道速率相关；固态存储至少需要8 Gbit/s的存储速率和2.4 Gbit/s的读取速率；按照天平衡能力计算，在压缩比选用4∶1以下时，仅使用国内接收站，需要传输速率至少双通道800 Mbit/s；存储40 min的4∶1压缩数据至少需要4 Tbit存储器。

高分七号卫星应用高性能相机和激光测高仪获得地球表面可见光成像数据、测高数据，通过高速串行信号传递到数据处理与传输分系统；通过配置数传综合控制器、数据处理器、固态存储器、调制器、固态放大器、机械点波束高增益天线等关键设备，完成图像数据处理和下行，具备图像数据压缩、先进在轨系统(AOS)编码、格式编排、存储、信道编码、加扰、微波直接矢量调制、射频放大、跟踪地面站发射功能。

1.2 分系统信息流程

数据处理与传输分系统通过数据处理器接收图像数据，接收的数据包含前视相机全色数据、后视相机全色数据、后视相机多光谱数据等。数据处理器与相机接口关系如图1所示。

数据处理与传输分系统将接收到的相机图像数据完成图像数据压缩、格式编排后送入固态存储器存储，存储文件通过1553B总线指定；回放数据根据总线指令要求回放文件进行回放，可以完成单文件、多文件回放，回放断点记录，按照断点可以完成下一次文件回放；回放数据通过二次复接形成统一格式编排码流，码流按照格式要求进行信道编码、加扰处理；加扰后数据处理按照通道调制要求进行符号生成、基带成形滤波，滤波后数据采用矢量调制技术直接调制到X频段，通过微波放大、通道滤波后，由数传点波束天线跟踪地面站，发射射频信号。数据处理与传输分系统信息流程如图2所示。地面接收后根据约定进行解调、解扰、译码、解格式、解压缩，还原星上图像格式。

图2 数据处理与传输分系统信息流程Fig.2 Information flow of data processing and transmission subsystem

1.3 分系统协议分层

国际空间数据系统咨询委员会(CCSDS)参考开放式互联模型(OSI)，形成了自己的空间传输体系规范，规定了应用层、传输层、网络层、链路层和物理层等多层协议。其中，链路层基于AOS[1]形成了系列数据传输帧规范，并将其推广到空间站和地球观测领域，满足各种数据传输业务需求；物理层协议方面，除推荐传统的射频、调制、信道编码之外，在2007年提出低密度奇偶校验(LDPC)[2-3]编码的规范，这一规范也逐渐在我国地球观测领域得到应用。

高分七号卫星数据处理与传输分系统应用的协议包含物理层、链路层、应用层，不包含网络层和传输层。应用协议如图3所示。

物理层采用X频段点波束天线，双通道数据采用左旋圆极化和右旋圆极化进行传输，传输调制方式分为普通模式和可变编码调制模式，其中普通模式包含450 Mbit/s QPSK和800 Mbit/s 8PSK调制，帧格式为AOS，信道编码采用CCSDS 推荐使用的7/8 LDPC；可变编码调制模式传输帧格式采用可变编码调制短帧格式，信道编码采用2/3 LDPC和4/5 LDPC。

链路层采用CCSDS 推荐的AOS格式，其中插入区域引入文件号，为地面分拣文件提供方便。

应用层协议分为数据组包协议、图像分块协议、JPEG-LS[4]压缩协议。数据组包协议包含数据包头信息和数据内容信息，数据包头包含同步头、数据协议配置、压缩协议选取、压缩比选取、图像类型、图像位宽、图像分块数据量等信息。图像分块协议主要规定图像分块大小和分块分布情况。JPEG-LS压缩协议包含压缩算法引用内容、压缩算法配置情况、压缩算法头部信息规定等内容。

图3 数据处理与传输分系统协议分层模型Fig.3 Hierarchical protocol model of data processing and transmission subsystem

1.4 系统特点

数据处理与传输分系统满足高分七号卫星数据处理和传输需求，具备以下功能特点。

(1)数据处理与传输分系统端口速率达到11 Gbit/s，有效数据速率达到8 Gbit/s，具备数据实时接收、压缩、存储、回放、信道编码和调制能力。

(2)数据处理器实现星上图像压缩功能，压缩算法选用静止图像压缩标准JPEG-LS。JPEG-LS算法主要是对静态连续色调图像进行无损或近无损压缩，压缩比连续可调，兼容2∶1，3∶1，4∶1压缩比压缩。

(3)X频段调制器采用微波直接矢量数字调制技术，兼容450 Mbit/s QPSK，800 Mbit/s 8PSK，以及可变编码调制模式(900 Mbit/s，1200 Mbit/s)，通过星上自闭环控制调制速率，双通道调制完成最高2×1.2 Gbit/s传输，具备通过请求协议控制达到双通道平衡传输能力。

(4)采用新型固态存储控制技术，具备最高速率吞吐12.8 Gbit/s存储和回放能力，存储容量最高可达8 Tbit，具备应用文件回放记录独立操作、文件回放暂停启动、记录容量预留、碎片主动回收等关键能力，能提升固态存储操作的灵活性。

(5)采用层次上注程序管理，具备分系统控制、数据处理、编码调制在轨更新能力，能提升在轨数据处理灵活性和可维护特性。

(6)分系统以数据处理器为核心，提供处理器与相机、固态存储器、调制器之间的交叉备份接口，具备良好的设备备份能力，能提升可靠性。

2 关键技术

为解决高分七号卫星高速率有效载荷数据下传，数据处理与传输分系统采用基于反馈的JPEG-LS压缩码率自适应控制算法，在稳定控制下行码流综合压缩比的同时提升下传图像质量；采用数字调制和成形滤波技术，保障传输信号带宽在满足无线电规定情况下实现高速传输，充分利用卫星对地面站距离形成的椭圆结构，应用可变编码调制技术，提升平均传输速率，在达到卫星数据传输平衡的基础上降低对压缩比的要求，满足用户对图像质量需求。在传输速率控制和存储设计上，在满足多种传输速率变化的基础上灵活应用，提升卫星数据处理和传输的易用性。

2.1 基于反馈的JPEG-LS压缩码率控制算法

JPEG-LS算法主要是对静态连续色调图像进行无损或近无损压缩，其核心算法是基于低复杂度图像无损压缩算法(LOCO-I)。JPEG-LS算法不对图像进行变换，利用预测与Golomb编码进行相关性压缩，具有实现复杂度低、保真度高的优点，易于硬件实现。

现有JPEG-LS固定码率控制算法一般采用将图像分为若干个小码块，每压缩完一个码块就会统计实际码率和目标码率之间的偏差，并根据码率偏差调节码块所对应的失真量化参数值，各并行的压缩核独立进行运算，使实际码率不断逼近目标码率后输出压缩码流。

为满足高分七号卫星图像压缩的性能要求，根据算法特性，图像压缩系统采用改进的JPEG-LS码率控制算法[5]，即：将图像按压缩核个数进行分块，多路并行的压缩核每压缩完一个码块，根据当前码率偏差统一调整失真量化参数，控制下一个码块的输出码率。算法的核心基于反馈的码率，控制过程为：①连续调整失真量化参数值，每1024行对码块基准逼近值进行更新；②压缩后统计码流输出数值，根据码流输出值与标准需求值的差值，下一幅图像压缩失真量化参数值统一更新。

针对固定码率控制和基于反馈的码率控制两种算法，采用8个不同场景图像，包含山地、城市、草原、海洋等，进行对比测试。测试结果表明：采用改进的码率控制算法，在整幅图纹理复杂程度不均匀时提升效果较大，在纹理复杂程度比较均匀时提升效果较小。针对单景遥感图像仿真，相较于传统码率控制算法，在相同压缩比下恢复图像的峰值信噪比提高0.5～2.0 dB。针对“高分”卫星在轨图像进行仿真，具体见图4和图5。在连续200 km的星上场景下，图像数据信噪比平均提升0.5 dB以上。

图4 选取的测试图像Fig.4 Selected test image

图5 压缩算法比较Fig.5 Comparison with compression algorithm

2.2 多模式矢量调制

多模式矢量调制通过符号形成、基带正交调制、成形滤波、数模变换、放大，最后通过微波直接调制，形成调制信号。高分七号卫星具备QPSK 450 Mbit/s，8PSK 800 Mbit/s，8PSK 900 Mbit/s，1.2 Gbit/s 16APSK共4种调制方式，其中在符号形成、基带调制、成形滤波3个模块形成3种符号速率、5种调制速率模块，通过指令进行切换。调制模型如图6所示。

按照模型进行仿真，图7为不同量化位数时发送信号的功率谱，量化位数不小于9 bit时功率谱与未量化时功率谱非常接近。图8为不同量化位数时匹配滤波后的误差矢量值(EVM)，不小于8 bit时EVM已接近理论值。综合图7和图8，高分七号卫星数据处理与传输矢量调制成形滤波信号的量化位数选取10 bit。在采用成形滤波情况下，传输带宽满足无线电规定的频率范围。

图6 调制模型Fig.6 Modulation model

图7 信号量化位宽对发送功率谱的影响Fig.7 Influence of signal quantization bit width on transmission power spectrum

注：(Eb/N0)为比特信噪比。

2.3 可变编码调制

可变编码调制[6-8]经过多年发展，在地面无线系统中得到了广泛应用，在卫星传输系统中的应用也逐渐展开。2005年，欧洲数字视频广播组织发布的第2代数字卫星广播标准(DVB-S2[9])已使用了该方案。与采用固定编码调制方式的DVB-S标准相比，DVB-S2标准采用了多种信道编码和调制的组合方案，能够逐帧使用不同的信道编码和调制方式。通过可变编码调制技术，不同类型业务可以使用各自的调制方式与编码速率，即可以在同一个载波上对每个数据流使用不同的信道编码级别和调制方式，使传输效率大大提高。CCSDS分别于2012年和2013年形成了131.2-B-1[6](基于串行级联卷积码(SCCC)方案)和131.3-B-1[10](基于DVB-S2方案)蓝皮书标准。根据DVB-S2标准，可使用的编码方式和调制方式如下。编码方式：BCH-LDPC编码，码率1/4 ～9/10，共11种；调制方式：QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，共4种。对各编码调制组合在高斯白噪声信道下的性能进行分析，部分编码调制组合的误码率如图9所示。

图9 编码调制组合性能仿真结果Fig.9 Performance simulation results of coding modulation combinations

高分七号卫星根据链路设计预算，随着地面站接收仰角从5°到90°变化，接收信号信噪比增大12 dB以上。从使用效能分析，选择DVB-S2方案中的3种编码调制方式，如表2所示。3种编码调制方式根据卫星与地面站距离关系进行星上主动切换，切换过程不影响接收连续性。

表2 本文采用的编码调制方式Table 2 Coding modulation method used in this paper

可变编码调制器的实现结果如图10所示。经测试，可变编码调制器实现了编码调制组合的逐帧可变要求，在X频段有限的带宽内，最高传输速率可达1.2 Gbit/s。

图10 可变编码调制器实现结果Fig.10 Implementation results of variable coding modulator

根据高分七号卫星链路在轨情况，相对于8PSK 800 Mbit/s调制，使用效能分析平均提升20%，最大可以提升37%；根据在轨链路余量情况，后续卫星可以提升传输效能2倍左右。

2.4 分系统内信息传递自适应速率控制

数据处理与传输分系统通过X频段调制器返向输出请求信号，请求信号经数据处理器中转到固态存储器，固态存储器根据请求信号内容，向不同的调制器发送下行数据；根据下行速率不同，调整X频段调制器返向信号频率，完成3个速率的数据传输调整。

相对于传统的速率控制技术，应用自适应速率控制技术，高分七号卫星数据处理与传输分系统下行具备优势如下。①多速率调整完成自适应配置管理和X频段调制器源头控制；②多速率单独传输时，传输过程有效帧效率达到100%；③在传输速率切换中，有效帧效率达到100%；④不同调制器之间相互配合，形成平衡的通道数据传输；⑤4个传输通道之间互为独立备份，提升分系统可靠性。

通过自适应速率控制技术，数据处理与传输分系统具备适应多种地面站、多种链路情况下传的能力，能提升用户使用效能和应用灵活性。

2.5 分系统程序分布式上行更新控制管理

数据处理与传输分系统使用大量的可编程器件，包含CPU系列BM3803，LCSOC3233，以及高性能SRAM型FPGA，分系统单机之间采用1553B总线和422总线，形成以数传综合控制器为核心的星型总线网络，具备对可编程器件完成上行更新能力，如图11所示。

程序码块通过地面测控系统或者中继测控系统上行，再经数管转发给数传综合控制器，数传综合控制器核对每个码块的正确性，根据目的地址分发到数传综合控制器内部或者数据处理器、固态存储器、Ka频段调制内，待所有码流均形成后进行码流校验，校验成功可转入测试功能状态，功能测试完毕后可以完成程序状态固化。

数据处理与传输分系统应用软件具备上行注入更新能力，为用户提升在轨性能、保障使用灵活提供一个可使用途径。

图11 上注程序数据流示意Fig.11 Data flow diagram of upper annotation program

2.6 分系统大容量文件存储管理

数据处理与传输分系统采用高性能Flash存储芯片，利用流水式控制，提供最大8 Tbit存储寻址空间；相对于其他遥感卫星，固态存储器具有记录、存储、擦除并行工作能力，能够完成记录当前、回放已记录文件、擦除已回放文件的功能，3种功能可以独立使用，也可以组合使用。在双站接力方面，提供暂停回放、启动断点功能，以及用户双站之间数据交接重叠恢复功能；在应急情况下，可以完成单个文件单独回放到机动站或其他需求区域，回放区域可以临时上注。

3 在轨验证情况

高分七号卫星发射后，数据处理与传输分系统经过近10个月的在轨验证测试，地面通过北京、三亚、喀什等多个地面站接收测试，传输数据正常，数据经过解格式后获取大量立体测绘数据。其中：可变编码调制模式验证了多种角度下的传输情况，并且对全程使用最高编码调制速率进行测试，整个弧段无误码。在分系统工作信息流程在轨测试中，多模式矢量调制和可变编码调制关键技术均得到充分验证。

高分七号卫星在500 km轨道高度，星上全向等效辐射功率设计值28.5 dBW，地面站接收品质因数设计值34.5 dBK，传输频率8200 GHz，预计大气及其他损失0.5 dB，根据微波链路的预算方法，可以计算出不同地面天线仰角下接收到的信号信噪比；在2020年5月地面站不同仰角下收到的信号信噪比与预算信噪比对比见图12，测试值与预算值相差约0.5 dB；在这一轨进行了可变码速率测试，测试结果可以满足可变编码速率信噪比要求(如表2所示)，通过地面测试数据分析，数据接收无误码。地面接收到的星座图见图13。

测试表明：微波链路设计满足设计要求，多模式矢量调制所提供的多种调制速率在轨验证正确，编码调制方式可以按照预期距离设置门限进行变化；在可变码速率切换过程中，数据连续传输无误码；传输速率最高可以达到双通道1.2 Gbit/s。

图12 信噪比对比Fig.12 SNR comparision

图13 调制星座图Fig.13 Modulation constellation

4 结束语

本文介绍了高分七号卫星数据处理与传输分系统的功能和信息流程，对压缩自适应码率控制、多模式矢量调制、可变编码调制、信息传递自适应速率控制等多项关键技术进行分析。这些关键技术提升了卫星数据处理和传输效能，也提升了卫星应用的灵活性。在轨验证结果表明：高分七号卫星数据处理与传输分系统可以满足当前卫星通信中高数据率大容量数据传输的要求，可为今后的数据处理与传输发展提供新的思路和方法，特别是在可变编码调制、压缩自适应码率控制方面提供参考。