深空干涉測量基帶轉換器數據格式轉換算法分析

馬宏+李貴新

【摘要】 介紹了我國深空測控站干涉測量基帶轉換器RDEF和MARK5B兩種數據格式，分析了由RDEF格式轉換為MARK5B格式的算法，給出了算法的仿真結果，證明了算法的正確性。

【關鍵詞】 甚長基線干涉測量 數字基帶轉換器 格式轉換

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

對于深空探測任務，航天器的測量與控制是任務成敗的關鍵。受距離超遠的影響，傳統的單站距離、速度、角度測量體制無法滿足深空探測器測量精度要求。而甚長基線干涉測量VLBI（Very Long Baseline Interferometry）以其高精度測角的特點在天體物理、大地測量、地球物理、深空探測等方面得到廣泛的應用[1]。

VLBI是20世紀60年代后期發展起來的射電干涉測量新技術[2]。經過50多年的發展，VLBI已經成為當代角分辨率最高、定位精度最好的天文觀測技術[3]。

深空干涉測量基帶轉換器是VLBI系統的重要組成部分，主要承擔著寬帶數據采集、頻帶選擇、基帶轉換、數據傳輸及存儲等任務，是后續信號處理的基礎。

我國深空測控站數字基帶轉換器采用兩種國際上流行的數據格式，即MARK5B數據格式和RDEF（Delta-DOR Raw Data Exchange Format，Delta DOR原始數據交換格式）。MARK5B數據格式為國際上大部分數字基帶轉換器采用，主要對于單邊帶實信號記錄，廣泛應用于射電天文領域，但其記錄通道數和單通道量化位數的選擇受到一定限制[4]；RDEF數據格式是CCSDS（The consultative committee for space data system，空間數據系統咨詢委員會）發布的標準格式，信號形式為復信號。由于每次觀測的各通道數據都會單獨產生一個產品文件，因此RDEF數據格式在通道數及量化位數的選擇方面十分靈活，主要應用于深空探測領域[5]。

國外數字基帶轉換器產品主要支持MARK5B的數據格式，而我國深空站兩種數據格式均支持，為了更好的開展國際合作，有必要通過軟件將RDEF數據格式轉換為MARK5B數據格式。

二、數據格式簡介

2.1 MARK 5B數據格式

Mark 5B數據在記錄介質上被分為等長的數據幀。每個數據幀以4個32-bit字的幀頭開始，緊接著2500個32-bit字的數據序列[6]。在每個整數秒時刻有一個數據幀的分界。

（1）幀頭格式

Mark 5B數據幀的編制采取幀頭不代替數據字的形式，即幀頭插入連續的數據字序列中，幀頭的格式見圖1。

每個數據幀頭包括以下信息：

字0：同步字“ABADDEED”；

字1：比特31～16是用戶定義內容（比如，臺站ID號）；比特15是測試向量標志（1表示記錄的是測試向量，0表示記錄的是VLBI數據）；比特14～0是每一秒鐘內的幀序號（當整數秒時刻到來時，新的幀頭序號從零開始）；

字2～3：記錄起始數據的BCD時間碼和16比特循環冗余校驗碼。

（2）數據字格式

單通道量化位數為1，2，4和8位。數據段包含2500個32比特字的數據序列。幀頭中記錄的時間是每一幀中各有效比特流被第一次采樣的時刻。

2.2 RDEF數據格式

RDEF數據格式由兩類文件構成，即觀測文件和產品文件，后綴分別是.obs和.prd[7]。

觀測文件是多行ASCII文本文件，包含測控站ID、接收設備ID、射電源ID、航天器標識、觀測時間和記錄數據長度等信息。

數據文件是二進制文件。每一個產品文件代表一個測站、一次掃描、一個通道的觀測數據，所以在一次觀測任務中，將產生多個產品文件。產品文件包含多個記錄（Data Record），每個記錄由兩部分組成，一是幀頭部分（Header Section），一個是數據部分（Data Section），其結構如圖2所示。

幀頭部分數據長度為176字節，包含測站配置參數和描述記錄數據的信息，主要包括采樣時間、采樣速率、信號帶寬、中心頻率、量化位數等。

數據部分（Data Section）由一個測站、一次掃描、一個通道在一秒鐘內的觀測數據組成，其數據長度與記錄速率有關。數據部分的數據為復數形式，即同相位（In-phase，I路）和正交相位（Quadrature-phase，Q路）。I路和Q路的量化位數應為1，2，4，8或16-bit，I路和Q路數據必須緊鄰組成32位字。

三、格式轉換數據處理算法

RDEF數據格式為復信號，設其帶寬為B，采樣速率為fs，則fs=B。將該信號轉換為MARK5B格式后，變為實信號，其信號帶寬仍然為B，采樣速率fs=2fs。轉換前后信號頻譜如圖3所示。

由圖3可知，復信號（RDEF格式）頻率不具有對稱性，可分析帶寬為-fs /2～fs /2。實信號（MARK5B格式）頻譜具有對稱性，可分析帶寬0～fs。這里采樣頻率fs為轉換前復信號采樣頻率。

根據上述頻譜變換方式，可設計信號處理原理框圖如圖4。

RDEF數據從A點送入2倍內插模塊，采樣頻率變為fs=2fs，得到B點數據。經過低通濾波，濾除鏡頻信號，獲得C點復信號I+jQ。C點信號通過頻譜搬移，向正半軸方向頻譜平移B/2，得到D點數據。由于頻譜搬移為新的采樣速率的0.25倍，因此D點復信號實部和虛部序列如圖4所示。D數據的實部和虛部之和形成E點數據，即MARK5B格式數據輸出。

圖4中，2倍內插是在2個采樣點之間補1個零，其后續運算采樣速率為fs=2fs；FIR濾波器為低通濾波器，歸一化通帶為0.24，歸一化阻帶為0.26，帶外抑制50dB，系數個數114；乘法器為復數相乘，數字本振的輸出為復信號，其實部和需部的輸出取值為0，-1，1。通過仿真分析，圖4中各關鍵信號處理步驟的頻譜如圖5～圖8所示。

圖4所示的2倍內插和FIR低通濾波可采用多相濾波結構，而后續的頻譜搬移和相加器也可以根據信號特點進行簡化處理，其最終實現框圖如圖9所示。

采用多相濾波結構，可以將濾波器提前至內插器前，減少了運算量。圖4中的FIR濾波器分為圖5中FIR1和FIR2，內插至于濾波器之后。圖4中的頻譜搬移和后續的加法器由圖5中的延遲器、加法器和選擇器代替。

四、結束語

通過上述分析可以看出，采用合適的數字信號處理算法，可以將深空干涉測量基帶轉換器的RDEF數據格式轉換為MARK5B數據格式。該算法包括內插、FIR濾波、頻譜搬移等運算。通過多相濾波的結構，可以大大減少運算量。通過仿真分析，證明了該算法的正確性。

參 考 文 獻

[1]楊文軍，郝龍飛. VLBI終端系統的發展歷史和未來展望.[J]. 天文研究與技術， 2012，9，（4）：374-380.

[2]張彥芬， 蘇利娜， 王力. VLBI技術的發展與展望[J]. 北京測繪， 2010（4）：23-25.

[3]羅近濤等. VLBI數字基帶轉換器測試進展[J]. 天文研究與技術， 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]馬高峰. VLBI2010與GNSS聯合數據分析理論及方法研究[D]. 解放軍信息工程大學博士學位論文，2011.