高分七號衛星數據處理與傳輸分系統設計與驗證

鄭小松 李立 張雨 靳凡 韓宇 趙云鵬 張莎莎 姚鑫雨

(1 西安空間無線電技術研究所，西安 710071)(2 西安微電子技術研究所，西安 710065) (3 北京空間飛行器總體設計部,北京 100094)

高分七號衛星是一顆高精度民用測繪衛星，衛星軌道高度約500 km，用于實現1∶10 000比例尺測繪。星上裝載了雙線陣測繪相機(包括前視相機和后視相機)，通過對同一地區不同角度的觀測獲得該地區的平面、高程、地物屬性等信息，用于測繪行業的立體測圖、資源及環境遙感應用。衛星上裝載的有效載荷原始碼數據率高，同時具備靈活的成像和數據傳輸能力，截止到2019年12月，在國內外采用X頻段傳輸的遙感衛星中數據傳輸速率最高。

高分七號衛星裝載的有效載荷系統產生8 Gbit/s的有效數據，接口速率達到11 Gbit/s，為了滿足相機高速成像傳輸需求，衛星配置了高速數據處理與傳輸分系統，采用基于反饋的壓縮碼率自適應控制、多模式矢量調制、可變編碼調制、分系統大容量文件存儲管理和分布式上行更新控制管理等關鍵技術，可解決大量遙感數據的處理和下傳。

1 數據處理與傳輸分系統設計

1.1 系統處理與傳輸需求

在射頻方面，國內在X頻段進行數據傳輸一般采用8025～8400 MHz范圍，帶寬為375 MHz。在這一帶寬限制下，結合目前調制傳輸技術及遙感地面站接收技術水平，可以采用的調制碼速率包含450 Mbit/s，800 Mbit/s，900 Mbit/s，1.2 Gbit/s等，分別采用QPSK，8PSK，16APSK調制方式。在采用高速高階調制時，一般要求采用信道編碼配合信號調制。

高分七號衛星主要通過國內衛星遙感地面站和北極衛星遙感地面站完成數據接收任務，國內衛星遙感地面站每天接收時間約70 min，北極衛星遙感地面站每天接收時間約60 min；有效載荷數據速率為8 Gbit/s，衛星每天需要完成至少40 min的成像任務；具體壓縮比需求情況見表1。

表1 壓縮比需求Table 1 Requirement of compression rate

從表1可以看出，高分七號衛星采用圖像壓縮才能完成數據平衡傳輸,在平衡傳輸過程中需要緩存的數據放入固態存儲器中，存儲速率與壓縮比相關，回放速率與通道速率相關；固態存儲至少需要8 Gbit/s的存儲速率和2.4 Gbit/s的讀取速率；按照天平衡能力計算，在壓縮比選用4∶1以下時，僅使用國內接收站，需要傳輸速率至少雙通道800 Mbit/s；存儲40 min的4∶1壓縮數據至少需要4 Tbit存儲器。

高分七號衛星應用高性能相機和激光測高儀獲得地球表面可見光成像數據、測高數據，通過高速串行信號傳遞到數據處理與傳輸分系統；通過配置數傳綜合控制器、數據處理器、固態存儲器、調制器、固態放大器、機械點波束高增益天線等關鍵設備，完成圖像數據處理和下行，具備圖像數據壓縮、先進在軌系統(AOS)編碼、格式編排、存儲、信道編碼、加擾、微波直接矢量調制、射頻放大、跟蹤地面站發射功能。

1.2 分系統信息流程

數據處理與傳輸分系統通過數據處理器接收圖像數據，接收的數據包含前視相機全色數據、后視相機全色數據、后視相機多光譜數據等。數據處理器與相機接口關系如圖1所示。

數據處理與傳輸分系統將接收到的相機圖像數據完成圖像數據壓縮、格式編排后送入固態存儲器存儲，存儲文件通過1553B總線指定；回放數據根據總線指令要求回放文件進行回放，可以完成單文件、多文件回放，回放斷點記錄，按照斷點可以完成下一次文件回放；回放數據通過二次復接形成統一格式編排碼流，碼流按照格式要求進行信道編碼、加擾處理；加擾后數據處理按照通道調制要求進行符號生成、基帶成形濾波，濾波后數據采用矢量調制技術直接調制到X頻段，通過微波放大、通道濾波后，由數傳點波束天線跟蹤地面站，發射射頻信號。數據處理與傳輸分系統信息流程如圖2所示。地面接收后根據約定進行解調、解擾、譯碼、解格式、解壓縮，還原星上圖像格式。

圖2 數據處理與傳輸分系統信息流程Fig.2 Information flow of data processing and transmission subsystem

1.3 分系統協議分層

國際空間數據系統咨詢委員會(CCSDS)參考開放式互聯模型(OSI)，形成了自己的空間傳輸體系規范，規定了應用層、傳輸層、網絡層、鏈路層和物理層等多層協議。其中，鏈路層基于AOS[1]形成了系列數據傳輸幀規范，并將其推廣到空間站和地球觀測領域，滿足各種數據傳輸業務需求；物理層協議方面，除推薦傳統的射頻、調制、信道編碼之外，在2007年提出低密度奇偶校驗(LDPC)[2-3]編碼的規范，這一規范也逐漸在我國地球觀測領域得到應用。

高分七號衛星數據處理與傳輸分系統應用的協議包含物理層、鏈路層、應用層，不包含網絡層和傳輸層。應用協議如圖3所示。

物理層采用X頻段點波束天線，雙通道數據采用左旋圓極化和右旋圓極化進行傳輸，傳輸調制方式分為普通模式和可變編碼調制模式，其中普通模式包含450 Mbit/s QPSK和800 Mbit/s 8PSK調制，幀格式為AOS，信道編碼采用CCSDS 推薦使用的7/8 LDPC；可變編碼調制模式傳輸幀格式采用可變編碼調制短幀格式，信道編碼采用2/3 LDPC和4/5 LDPC。

鏈路層采用CCSDS 推薦的AOS格式，其中插入區域引入文件號，為地面分揀文件提供方便。

應用層協議分為數據組包協議、圖像分塊協議、JPEG-LS[4]壓縮協議。數據組包協議包含數據包頭信息和數據內容信息，數據包頭包含同步頭、數據協議配置、壓縮協議選取、壓縮比選取、圖像類型、圖像位寬、圖像分塊數據量等信息。圖像分塊協議主要規定圖像分塊大小和分塊分布情況。JPEG-LS壓縮協議包含壓縮算法引用內容、壓縮算法配置情況、壓縮算法頭部信息規定等內容。

圖3 數據處理與傳輸分系統協議分層模型Fig.3 Hierarchical protocol model of data processing and transmission subsystem

1.4 系統特點

數據處理與傳輸分系統滿足高分七號衛星數據處理和傳輸需求，具備以下功能特點。

(1)數據處理與傳輸分系統端口速率達到11 Gbit/s，有效數據速率達到8 Gbit/s，具備數據實時接收、壓縮、存儲、回放、信道編碼和調制能力。

(2)數據處理器實現星上圖像壓縮功能，壓縮算法選用靜止圖像壓縮標準JPEG-LS。JPEG-LS算法主要是對靜態連續色調圖像進行無損或近無損壓縮，壓縮比連續可調，兼容2∶1，3∶1，4∶1壓縮比壓縮。

(3)X頻段調制器采用微波直接矢量數字調制技術，兼容450 Mbit/s QPSK，800 Mbit/s 8PSK，以及可變編碼調制模式(900 Mbit/s，1200 Mbit/s)，通過星上自閉環控制調制速率，雙通道調制完成最高2×1.2 Gbit/s傳輸，具備通過請求協議控制達到雙通道平衡傳輸能力。

(4)采用新型固態存儲控制技術，具備最高速率吞吐12.8 Gbit/s存儲和回放能力，存儲容量最高可達8 Tbit，具備應用文件回放記錄獨立操作、文件回放暫停啟動、記錄容量預留、碎片主動回收等關鍵能力，能提升固態存儲操作的靈活性。

(5)采用層次上注程序管理，具備分系統控制、數據處理、編碼調制在軌更新能力，能提升在軌數據處理靈活性和可維護特性。

(6)分系統以數據處理器為核心，提供處理器與相機、固態存儲器、調制器之間的交叉備份接口，具備良好的設備備份能力，能提升可靠性。

2 關鍵技術

為解決高分七號衛星高速率有效載荷數據下傳，數據處理與傳輸分系統采用基于反饋的JPEG-LS壓縮碼率自適應控制算法，在穩定控制下行碼流綜合壓縮比的同時提升下傳圖像質量；采用數字調制和成形濾波技術，保障傳輸信號帶寬在滿足無線電規定情況下實現高速傳輸，充分利用衛星對地面站距離形成的橢圓結構，應用可變編碼調制技術，提升平均傳輸速率，在達到衛星數據傳輸平衡的基礎上降低對壓縮比的要求，滿足用戶對圖像質量需求。在傳輸速率控制和存儲設計上，在滿足多種傳輸速率變化的基礎上靈活應用，提升衛星數據處理和傳輸的易用性。

2.1 基于反饋的JPEG-LS壓縮碼率控制算法

JPEG-LS算法主要是對靜態連續色調圖像進行無損或近無損壓縮，其核心算法是基于低復雜度圖像無損壓縮算法(LOCO-I)。JPEG-LS算法不對圖像進行變換，利用預測與Golomb編碼進行相關性壓縮，具有實現復雜度低、保真度高的優點，易于硬件實現。

現有JPEG-LS固定碼率控制算法一般采用將圖像分為若干個小碼塊，每壓縮完一個碼塊就會統計實際碼率和目標碼率之間的偏差，并根據碼率偏差調節碼塊所對應的失真量化參數值，各并行的壓縮核獨立進行運算，使實際碼率不斷逼近目標碼率后輸出壓縮碼流。

為滿足高分七號衛星圖像壓縮的性能要求，根據算法特性，圖像壓縮系統采用改進的JPEG-LS碼率控制算法[5]，即：將圖像按壓縮核個數進行分塊，多路并行的壓縮核每壓縮完一個碼塊，根據當前碼率偏差統一調整失真量化參數，控制下一個碼塊的輸出碼率。算法的核心基于反饋的碼率，控制過程為：①連續調整失真量化參數值，每1024行對碼塊基準逼近值進行更新；②壓縮后統計碼流輸出數值，根據碼流輸出值與標準需求值的差值，下一幅圖像壓縮失真量化參數值統一更新。

針對固定碼率控制和基于反饋的碼率控制兩種算法，采用8個不同場景圖像，包含山地、城市、草原、海洋等，進行對比測試。測試結果表明：采用改進的碼率控制算法，在整幅圖紋理復雜程度不均勻時提升效果較大，在紋理復雜程度比較均勻時提升效果較小。針對單景遙感圖像仿真，相較于傳統碼率控制算法，在相同壓縮比下恢復圖像的峰值信噪比提高0.5～2.0 dB。針對“高分”衛星在軌圖像進行仿真，具體見圖4和圖5。在連續200 km的星上場景下，圖像數據信噪比平均提升0.5 dB以上。

圖4 選取的測試圖像Fig.4 Selected test image

圖5 壓縮算法比較Fig.5 Comparison with compression algorithm

2.2 多模式矢量調制

多模式矢量調制通過符號形成、基帶正交調制、成形濾波、數模變換、放大，最后通過微波直接調制，形成調制信號。高分七號衛星具備QPSK 450 Mbit/s，8PSK 800 Mbit/s，8PSK 900 Mbit/s，1.2 Gbit/s 16APSK共4種調制方式，其中在符號形成、基帶調制、成形濾波3個模塊形成3種符號速率、5種調制速率模塊，通過指令進行切換。調制模型如圖6所示。

按照模型進行仿真，圖7為不同量化位數時發送信號的功率譜，量化位數不小于9 bit時功率譜與未量化時功率譜非常接近。圖8為不同量化位數時匹配濾波后的誤差矢量值(EVM)，不小于8 bit時EVM已接近理論值。綜合圖7和圖8，高分七號衛星數據處理與傳輸矢量調制成形濾波信號的量化位數選取10 bit。在采用成形濾波情況下，傳輸帶寬滿足無線電規定的頻率范圍。

圖6 調制模型Fig.6 Modulation model

圖7 信號量化位寬對發送功率譜的影響Fig.7 Influence of signal quantization bit width on transmission power spectrum

注：(Eb/N0)為比特信噪比。

2.3 可變編碼調制

可變編碼調制[6-8]經過多年發展，在地面無線系統中得到了廣泛應用，在衛星傳輸系統中的應用也逐漸展開。2005年，歐洲數字視頻廣播組織發布的第2代數字衛星廣播標準(DVB-S2[9])已使用了該方案。與采用固定編碼調制方式的DVB-S標準相比，DVB-S2標準采用了多種信道編碼和調制的組合方案，能夠逐幀使用不同的信道編碼和調制方式。通過可變編碼調制技術，不同類型業務可以使用各自的調制方式與編碼速率，即可以在同一個載波上對每個數據流使用不同的信道編碼級別和調制方式，使傳輸效率大大提高。CCSDS分別于2012年和2013年形成了131.2-B-1[6](基于串行級聯卷積碼(SCCC)方案)和131.3-B-1[10](基于DVB-S2方案)藍皮書標準。根據DVB-S2標準，可使用的編碼方式和調制方式如下。編碼方式：BCH-LDPC編碼，碼率1/4 ～9/10，共11種；調制方式：QPSK，8PSK，16APSK，32APSK，共4種。對各編碼調制組合在高斯白噪聲信道下的性能進行分析，部分編碼調制組合的誤碼率如圖9所示。

圖9 編碼調制組合性能仿真結果Fig.9 Performance simulation results of coding modulation combinations

高分七號衛星根據鏈路設計預算，隨著地面站接收仰角從5°到90°變化，接收信號信噪比增大12 dB以上。從使用效能分析，選擇DVB-S2方案中的3種編碼調制方式，如表2所示。3種編碼調制方式根據衛星與地面站距離關系進行星上主動切換，切換過程不影響接收連續性。

表2 本文采用的編碼調制方式Table 2 Coding modulation method used in this paper

可變編碼調制器的實現結果如圖10所示。經測試，可變編碼調制器實現了編碼調制組合的逐幀可變要求，在X頻段有限的帶寬內，最高傳輸速率可達1.2 Gbit/s。

圖10 可變編碼調制器實現結果Fig.10 Implementation results of variable coding modulator

根據高分七號衛星鏈路在軌情況，相對于8PSK 800 Mbit/s調制，使用效能分析平均提升20%，最大可以提升37%；根據在軌鏈路余量情況，后續衛星可以提升傳輸效能2倍左右。

2.4 分系統內信息傳遞自適應速率控制

數據處理與傳輸分系統通過X頻段調制器返向輸出請求信號，請求信號經數據處理器中轉到固態存儲器，固態存儲器根據請求信號內容，向不同的調制器發送下行數據；根據下行速率不同，調整X頻段調制器返向信號頻率，完成3個速率的數據傳輸調整。

相對于傳統的速率控制技術，應用自適應速率控制技術，高分七號衛星數據處理與傳輸分系統下行具備優勢如下。①多速率調整完成自適應配置管理和X頻段調制器源頭控制；②多速率單獨傳輸時，傳輸過程有效幀效率達到100%；③在傳輸速率切換中，有效幀效率達到100%；④不同調制器之間相互配合，形成平衡的通道數據傳輸；⑤4個傳輸通道之間互為獨立備份，提升分系統可靠性。

通過自適應速率控制技術，數據處理與傳輸分系統具備適應多種地面站、多種鏈路情況下傳的能力，能提升用戶使用效能和應用靈活性。

2.5 分系統程序分布式上行更新控制管理

數據處理與傳輸分系統使用大量的可編程器件，包含CPU系列BM3803，LCSOC3233，以及高性能SRAM型FPGA，分系統單機之間采用1553B總線和422總線，形成以數傳綜合控制器為核心的星型總線網絡，具備對可編程器件完成上行更新能力，如圖11所示。

程序碼塊通過地面測控系統或者中繼測控系統上行，再經數管轉發給數傳綜合控制器，數傳綜合控制器核對每個碼塊的正確性，根據目的地址分發到數傳綜合控制器內部或者數據處理器、固態存儲器、Ka頻段調制內，待所有碼流均形成后進行碼流校驗，校驗成功可轉入測試功能狀態，功能測試完畢后可以完成程序狀態固化。

數據處理與傳輸分系統應用軟件具備上行注入更新能力，為用戶提升在軌性能、保障使用靈活提供一個可使用途徑。

圖11 上注程序數據流示意Fig.11 Data flow diagram of upper annotation program

2.6 分系統大容量文件存儲管理

數據處理與傳輸分系統采用高性能Flash存儲芯片，利用流水式控制，提供最大8 Tbit存儲尋址空間；相對于其他遙感衛星，固態存儲器具有記錄、存儲、擦除并行工作能力，能夠完成記錄當前、回放已記錄文件、擦除已回放文件的功能，3種功能可以獨立使用，也可以組合使用。在雙站接力方面，提供暫停回放、啟動斷點功能，以及用戶雙站之間數據交接重疊恢復功能；在應急情況下，可以完成單個文件單獨回放到機動站或其他需求區域，回放區域可以臨時上注。

3 在軌驗證情況

高分七號衛星發射后，數據處理與傳輸分系統經過近10個月的在軌驗證測試，地面通過北京、三亞、喀什等多個地面站接收測試，傳輸數據正常，數據經過解格式后獲取大量立體測繪數據。其中：可變編碼調制模式驗證了多種角度下的傳輸情況，并且對全程使用最高編碼調制速率進行測試，整個弧段無誤碼。在分系統工作信息流程在軌測試中，多模式矢量調制和可變編碼調制關鍵技術均得到充分驗證。

高分七號衛星在500 km軌道高度，星上全向等效輻射功率設計值28.5 dBW，地面站接收品質因數設計值34.5 dBK，傳輸頻率8200 GHz，預計大氣及其他損失0.5 dB，根據微波鏈路的預算方法，可以計算出不同地面天線仰角下接收到的信號信噪比；在2020年5月地面站不同仰角下收到的信號信噪比與預算信噪比對比見圖12，測試值與預算值相差約0.5 dB；在這一軌進行了可變碼速率測試，測試結果可以滿足可變編碼速率信噪比要求(如表2所示)，通過地面測試數據分析，數據接收無誤碼。地面接收到的星座圖見圖13。

測試表明：微波鏈路設計滿足設計要求，多模式矢量調制所提供的多種調制速率在軌驗證正確，編碼調制方式可以按照預期距離設置門限進行變化；在可變碼速率切換過程中，數據連續傳輸無誤碼；傳輸速率最高可以達到雙通道1.2 Gbit/s。

圖12 信噪比對比Fig.12 SNR comparision

圖13 調制星座圖Fig.13 Modulation constellation

4 結束語

本文介紹了高分七號衛星數據處理與傳輸分系統的功能和信息流程，對壓縮自適應碼率控制、多模式矢量調制、可變編碼調制、信息傳遞自適應速率控制等多項關鍵技術進行分析。這些關鍵技術提升了衛星數據處理和傳輸效能，也提升了衛星應用的靈活性。在軌驗證結果表明：高分七號衛星數據處理與傳輸分系統可以滿足當前衛星通信中高數據率大容量數據傳輸的要求，可為今后的數據處理與傳輸發展提供新的思路和方法，特別是在可變編碼調制、壓縮自適應碼率控制方面提供參考。