張 毅，周 詮，賀一峰，李渝昕，王永塔

(中國(guó)空間技術(shù)研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

20世紀(jì)90年代衛(wèi)星通信的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，高級(jí)在軌系統(tǒng)(Advanced Orbiting System, AOS)可滿足星地、地星、星星之間多種數(shù)據(jù)類型、不同速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑸楦叻直媛蕡D像數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)視頻數(shù)據(jù)等的傳輸提供了可能[1,2]。近年來(lái)，衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸帶寬由最初的幾比特/秒提升至幾百兆比特/秒，甚至可達(dá)千兆比特/秒量級(jí)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸方法已無(wú)法適應(yīng)在軌數(shù)據(jù)量大幅提升的發(fā)展趨勢(shì)，需要研究更加高效的衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理和傳輸調(diào)度方法。新的數(shù)據(jù)處理算法[3～6]、高效傳輸技術(shù)[7～9]不斷應(yīng)用到衛(wèi)星在軌數(shù)據(jù)處理和傳輸中，提高了衛(wèi)星載荷存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的速率，提升了衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸?shù)男省?/p>

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸常用的工作模式有實(shí)時(shí)傳輸模式、回放模式和邊記邊放模式。實(shí)時(shí)傳輸模式可保證當(dāng)次任務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)效性，但傳輸通道利用率受傳輸數(shù)據(jù)影響波動(dòng)性較大；回放模式提高了通道的利用率，但信息被延時(shí)傳輸從而降低了信息的價(jià)值；邊記邊放模式可進(jìn)一步提高通道利用率，由于當(dāng)次任務(wù)信息與回放信息同時(shí)傳輸，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)效性受到回放數(shù)據(jù)的影響。

本文對(duì)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸常用方法進(jìn)行分析，針對(duì)應(yīng)用中通道資源利用率與傳輸數(shù)據(jù)時(shí)效性存在制約的情況，提出了一種數(shù)據(jù)傳輸高效調(diào)度方案。在本方案中實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)被優(yōu)先傳輸，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸間隙插入回放數(shù)據(jù)提高通道利用率，該方案既可保證實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)效性，又能充分利用數(shù)據(jù)傳輸通道。通過(guò)硬件實(shí)測(cè)表明，使用本方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通道中有效數(shù)據(jù)比率優(yōu)于99.99%，為提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸通道利用率提供了一種可行方法。

1 當(dāng)前數(shù)據(jù)傳輸面臨的問(wèn)題

衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸通道將星上采集的地面目標(biāo)信息處理后實(shí)時(shí)傳輸至地面接收站。數(shù)據(jù)傳輸通道中數(shù)據(jù)量的大小既取決于觀測(cè)目標(biāo)的多寡，也根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理設(shè)備選用的處理方案不同而發(fā)生變化。另外為防止載荷數(shù)據(jù)在下傳過(guò)程中出現(xiàn)溢出，通道容量按可能出現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)量設(shè)計(jì)，同時(shí)為適應(yīng)突發(fā)狀況通道會(huì)預(yù)留有3%～10%的余量備用。

當(dāng)目標(biāo)信息量大或壓縮比率較小時(shí)，數(shù)傳通道需要下傳的數(shù)據(jù)量較大，通道設(shè)計(jì)的容量可全部用于有用數(shù)據(jù)傳輸。反之當(dāng)目標(biāo)信息量很小或壓縮比率較大時(shí)，通道需下傳有效數(shù)據(jù)急劇減少，星上處理設(shè)備產(chǎn)生無(wú)效數(shù)據(jù)填滿通道空閑區(qū)域以保證通道下傳速率的穩(wěn)定，這時(shí)數(shù)傳通道利用率大幅下降。

星上數(shù)據(jù)傳輸采用記錄、回放傳輸方法配合使用時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)暫存于星上存儲(chǔ)設(shè)備，根據(jù)地面指令將數(shù)據(jù)回放至地面。隨著無(wú)效數(shù)據(jù)剔除技術(shù)的引入，回放傳輸方法數(shù)傳通道利用率逐漸提高，但數(shù)據(jù)的時(shí)效性無(wú)法得到保證。

實(shí)時(shí)傳輸加回放傳輸方法既能在當(dāng)次任務(wù)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，又能減少無(wú)效的數(shù)據(jù)傳輸，提高了通道利用率，但存在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與回放數(shù)據(jù)未區(qū)分優(yōu)先級(jí)的問(wèn)題。

如何進(jìn)一步完善衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸方法，從而兼顧傳輸數(shù)據(jù)的時(shí)效性和傳輸通道的利用率具有重要意義。

2 衛(wèi)星數(shù)傳通道高效調(diào)度方法

衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳過(guò)程中存在的實(shí)時(shí)傳輸浪費(fèi)通道資源，回放方法降低數(shù)據(jù)時(shí)效性以及實(shí)傳加回放方法未考慮優(yōu)先級(jí)的種種問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)幾種數(shù)據(jù)傳輸方法進(jìn)行分析，提出了一種既考慮實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)優(yōu)先性，又能充分利用下傳通道的高效調(diào)度方法，衛(wèi)星高效調(diào)度方法系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 高效調(diào)度方法系統(tǒng)原理框圖

衛(wèi)星使用高效調(diào)度方法下傳時(shí)，合成孔徑雷達(dá)(Synthetic Aperture Radar, SAR)或光學(xué)相機(jī)數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理設(shè)備的組幀模塊進(jìn)行AOS組幀和格式編排，AOS幀格式如圖2所示，組幀模塊根據(jù)數(shù)據(jù)的有效性在AOS格式中的虛擬通道標(biāo)識(shí)符(Virtual Channel Identity Document, VCID)處標(biāo)記有效/無(wú)效幀標(biāo)識(shí)。當(dāng)無(wú)載荷數(shù)據(jù)輸入時(shí)，組幀模塊生成無(wú)效幀用于平衡傳輸速率。

圖2 AOS幀格式示意圖

AOS幀輸入高效調(diào)度模塊時(shí)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊對(duì)AOS幀的VCID進(jìn)行判斷，當(dāng)識(shí)別到無(wú)效幀標(biāo)識(shí)后觸發(fā)回放請(qǐng)求；存儲(chǔ)設(shè)備回放數(shù)據(jù)，回放數(shù)據(jù)處理模塊剔除回放無(wú)效幀后將有效幀緩存在回放數(shù)據(jù)緩存模塊中；當(dāng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊再次識(shí)別到無(wú)效幀時(shí)回放數(shù)據(jù)緩存模塊中的有效幀填充到該無(wú)效幀位置。通過(guò)上述數(shù)據(jù)調(diào)度，高效調(diào)度模塊輸出的數(shù)據(jù)除最開(kāi)始的一幀無(wú)效數(shù)據(jù)外其余均為有效數(shù)據(jù)，通道預(yù)留的3%～10%余量也被填充回放有效數(shù)據(jù)。

圖3 高效調(diào)度模塊原理框圖

數(shù)據(jù)處理設(shè)備輸出的有效幀數(shù)據(jù)流經(jīng)編碼、調(diào)制、放大等處理后形成射頻信號(hào)，經(jīng)星上天線發(fā)射至地面接收站，地面接收設(shè)備根據(jù)用戶需求進(jìn)行接收數(shù)據(jù)的分類和后續(xù)應(yīng)用。

衛(wèi)星數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)高效調(diào)度處理后，僅第一幀無(wú)效幀被下傳，通道利用率RCH為：

(1)

其中：

Rdata：衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳速率；

Lframe：AOS幀格式長(zhǎng)度；

T：衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳時(shí)間。

當(dāng)T趨近無(wú)窮大時(shí)，RCH為1即通道利用率為100%。

(2)

衛(wèi)星數(shù)據(jù)下傳時(shí)間受限于地面接收站的分布位置，一般情況下衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間約為15min左右，按照通道速率150Mbps，AOS幀長(zhǎng)為1024B計(jì)算，RCH優(yōu)于99.99%。

3 高效調(diào)度方法實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件實(shí)現(xiàn)過(guò)程

高效調(diào)度方案軟件運(yùn)行流程如圖4所示，高效調(diào)度模塊對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀有效性進(jìn)行判讀。當(dāng)數(shù)據(jù)幀無(wú)效時(shí)，數(shù)據(jù)處理設(shè)備向存儲(chǔ)設(shè)備請(qǐng)求數(shù)據(jù)，回放數(shù)據(jù)輸出有效幀至回放存儲(chǔ)區(qū)，判讀程序繼續(xù)判讀下一幀實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀。當(dāng)遇到再次無(wú)效幀時(shí)，緩存的回放數(shù)據(jù)幀經(jīng)有效幀輸出模塊輸出。

圖4 高效調(diào)度機(jī)制軟件運(yùn)行流程

高效調(diào)度方法的FPGA仿真驗(yàn)證時(shí)序圖如圖5所示。通過(guò)仿真可以看出，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)流中出現(xiàn)無(wú)效幀時(shí)，回放有效幀可將其替換，最終輸出的數(shù)據(jù)幀均為有效幀。仿真結(jié)果與方案原理分析結(jié)果相同。

圖5 軟件仿真示意圖

3.2 硬件實(shí)現(xiàn)過(guò)程

衛(wèi)星通道高效傳輸調(diào)度方法通過(guò)利用星上設(shè)備及地面測(cè)試設(shè)備得到系統(tǒng)級(jí)測(cè)試驗(yàn)證，測(cè)試驗(yàn)證框圖如圖6所示，地面接收設(shè)備接收星上輸出的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行通道利用率的計(jì)算。

圖6 硬件測(cè)試驗(yàn)證框圖

SAR/相機(jī)模擬源根據(jù)星上SAR/相機(jī)數(shù)據(jù)輸出接口特性輸出模擬數(shù)據(jù)，模擬數(shù)據(jù)按照滿載狀態(tài)和有效數(shù)據(jù)占比為50%兩種狀態(tài)輸出，星上數(shù)據(jù)傳輸通道預(yù)留5%余量。測(cè)試設(shè)備分別工作在實(shí)時(shí)傳輸模式、回放模式、實(shí)傳加回放模式、高效調(diào)度模式，通過(guò)軟件計(jì)算下傳速率為150Mbps時(shí)，接收15min數(shù)據(jù)的有效幀占比，10次測(cè)試結(jié)果對(duì)比情況見(jiàn)圖7所示。

(a) 模擬源有效數(shù)據(jù)占比為50%時(shí)測(cè)試結(jié)果 (b) 模擬源滿載工作時(shí)測(cè)試結(jié)果

在兩種信源有效數(shù)據(jù)占比情況下，高效調(diào)度方法輸出數(shù)據(jù)有效幀占比均優(yōu)于99.99%，優(yōu)于實(shí)傳模式、回放模式、實(shí)傳加回放模式輸出數(shù)據(jù)有效幀占比，實(shí)現(xiàn)了高效利用衛(wèi)星數(shù)傳通道。

4 結(jié)論

本文提出了一種利用AOS幀標(biāo)識(shí)位并結(jié)合衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸模式提高衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸通道利用率的高效調(diào)度方法。該方法能充分利用數(shù)據(jù)傳輸通道，通過(guò)理論分析和硬件測(cè)試，通道下傳數(shù)據(jù)有效幀占比優(yōu)于99.99%。同時(shí)該方法可優(yōu)先下傳實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，兼顧數(shù)據(jù)的時(shí)效性。高效調(diào)度方法具有理論簡(jiǎn)單，易于FPGA實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，該方法已在多顆衛(wèi)星中應(yīng)用。