遙感衛星圖像原始數據誤碼率檢測方法

王小燕 邵俊 鐘慧敏 原征 呂爭

(中國資源衛星應用中心,北京 100094)

我國遙感衛星技術迅速發展,資源、海洋、減災等衛星相繼發射,遙感衛星數據在各個領域得到了廣泛的應用,對地面系統獲取的衛星原始數據質量提出了更高的要求。星地信號傳輸系統鏈路中的大氣干擾、軌道跟蹤狀態,以及信道和記錄設備等因素,都直接影響遙感衛星獲取的原始數據質量。遙感衛星原始數據質量反應了星地數據傳輸鏈路指標設計是否匹配、地面站數據接收記錄是否正常,其質量問題主要包括:整軌誤碼或局部誤碼、丟幀、整軌無有效數據、滑位、雙通道數據量大小不一致、缺某虛擬信道數據、壓縮碼流格式有誤等。存在丟幀、誤碼、壓縮碼流格式問題的原始數據會影響標準產品質量,例如圖像目視出現黑塊或花塊現象;誤碼率過大(例如整軌誤碼)、數據無效、滑位、通道數據缺失可能造成地面預處理失敗,影響地面系統的有效運行。因此,遙感衛星在軌測試階段通常要進行原始數據誤碼率測試,驗證星地數據傳輸鏈路指標是否滿足設計要求,地面接收系統是否滿足指標要求;在交付使用后業務化運行階段,當某一軌數據處理不正常時,也需要分析原始數據質量,以便定位是原始數據問題,還是地面處理系統問題。目前,一般通過誤碼率檢測分析遙感衛星原始數據質量,針對國內外多顆在軌遙感衛星,原始數據誤碼率分析通常分為定性和定量兩種方法,前者是通過移動窗顯示人工觀察,如通過通用軟件查看;后者是通過專用設備檢測分析數據流中誤碼情況,即誤碼率測試。

傳統在軌遙感衛星原始數據誤碼率測試,都是通過統計數據中所有幀同步字部分的錯誤率來代表整個數據的誤碼率[1]。這種方法的一個缺陷是衛星一幀數據的長度通常在1000byte以上,而同步字長度是4～8byte,占比較小。以原始數據幀長2048byte、同步字長度8byte計算,幀同步字部分占數據總量的比重為0.39%,不具有很好的代表性。這種方法面臨的另一個缺陷是適用性問題,即為提高星地鏈路增益,目前越來越多的遙感衛星下傳數據采用低密度奇偶校驗碼(LDPC)編碼方式,地面站在接收衛星數據時通過解調器對原始數據進行幀同步和LDPC譯碼,傳到地面處理系統的衛星原始數據是幀同步后且同步字全正確的數據(同步字失鎖的數據均被過濾),不能再通過幀同步字來發現和統計誤碼。文獻[2]在一種數據差錯率檢測方法及實現中提出了基于偽隨機(PN)碼的數據差錯率檢測方法,偽隨機序列在測試領域的應用非常廣泛,但大多數是用硬件實現的,而軟件實現具有低成本、研發周期短、可擴展性強等優點;文獻[3]在遙感衛星數據記錄系統誤碼率測試技術研究中用軟件編程實現了基于PN碼的誤碼率測試技術,但該方法作為衛星發射后在軌測試及常規業務誤碼率測試的前提條件是衛星安裝有PN碼發生器且保證PN碼發生器處于開啟狀態;文獻[4]在遙感衛星原始數據質量檢查方法與實現中對原始數據進行了分段抽樣統計誤碼率并按段范圍輸出測試結果,但沒有明確誤碼發生的具體位置。

針對上述問題,本文提出基于空幀數據統計衛星原始數據誤碼率的方法,該方法利用原始數據中空幀數據的錯誤量進行誤碼率計算,輸出并顯示誤碼出現的位置及誤碼位數,得到整軌原始數據誤碼分布情況輸出報告。通過實時過程輸出,以及事后追溯日志,均可以直觀得到數據誤碼發生的位置和誤碼分布情況,便于查找及定位原始數據問題。

1 基于空幀數據統計原始數據誤碼率分析

1.1 空幀數據分析

當前衛星數據傳輸格式基本采用空間數據咨詢委員會(CCSDS)格式,多個載荷數據混合編排在1個或2個數據傳輸通道中,載荷數據多有可變壓縮比模式。為滿足數據實時下傳的要求,在載荷數據采用最小壓縮比的情況下,數據傳輸通道速率需要大于衛星的有效數據率。當載荷數據壓縮比變大時,衛星有效數據率更小于數據傳輸通道速率。為使載荷各種工作模式下數據傳輸通道均保持1個穩定的速度,需要在原始數據中不斷地填充空幀數據。空幀數據占整個數據的比重可以達到10%～85%,如高分一號衛星空幀數據占原始數據比重通常在30%以上,高分四號衛星數據在300Mbyte/s實傳時,空幀數據占原始數據比重甚至超過80%。空幀數據是1個已知序列的數據,利用空幀數據統計在軌衛星原始數據誤碼的方法,可以極大地提高統計數據的代表性和統計結果的可信度。同時,該方法對于低密度奇偶校驗碼(LDPC)譯碼后的衛星原始數據同樣適用。

1.2 誤碼率產生原因

經過統計分析,衛星遙感數據原始數據誤碼(含丟幀)易出現在整軌數據的首尾兩端,主要原因為建立鏈路過程中鎖定不穩定,建議可通過匹配接收站跟蹤時間優化。此外,原始數據的質量與接收信噪比相關,且誤碼出現位置隨機,出現誤碼的原因可能包括:①星地天線始終對準才能獲得盡可能大的信號強度,一旦偏離超差會使信號失鎖、誤碼增大,甚至接收中斷;②極化隔離度較差,當一個極化信號泄露至另一個極化信號的通道,而泄漏過去的信號對另一個信號而言則是干擾信號,從而產生誤碼;③若地面接收站信號衰減設置不匹配、天線跟蹤性能不足、極化對消功能不具備或未發揮作用等也都可能造成原始數據質量差;④天線仰角較低、受到大氣干擾、遮擋等因素導致的接收信號差。

2 檢測方法與步驟

利用空幀數據統計在軌衛星原始數據誤碼率的檢測方法是根據衛星數傳格式定義,逐幀對解擾后的衛星原始數據虛擬信道標識進行判斷,如果標識是空幀數據,則把該幀數據逐位與標稱空幀數據進行比對,與標稱空幀數據區比對的不相同位即為誤碼,統計所有空幀累加的空幀數據區中的誤碼位數占空幀總位數的比率。包括以下檢測步驟(見圖1)。

(1)原始數據幀同步:是對遙感衛星原始數據進行幀同步字識別與字節對齊,恢復原始數據幀格式的過程。傳統利用幀同步字統計誤碼,是在該步驟的幀同步字識別時,設計有容錯位數。如果當前位置相應字節與標稱幀同步字比較的不相同位數小于容錯位數,則認為當前位置相應字節為幀同步字字節,與標稱幀同步字比較的不相同位即為誤碼。統計搜索到幀同步字輸出的幀數(num_frames)及所有幀同步字部分的誤碼數(allbitsoff),用于后面誤碼率的計算。

(2)原始數據解擾[5]:是針對星上對下傳數據做加擾處理的逆處理,恢復衛星原始數據的過程,即根據衛星數據傳輸格式定義,生成與衛星相同的擾碼序列,對幀同步后數據中除同步字以外的數據與擾碼序列逐位異或。

(3)空幀判斷及誤碼統計:根據衛星數據傳輸格式定義,逐幀對解擾后的原始數據虛擬信道標識進行判斷,如果標識是空幀數據,則把該幀數據區序列與標稱空幀數據區序列逐位進行比對,不相同位即為誤碼。輸出出現的誤碼位置及誤碼位數到屏幕及輸出報告。CCSDS數據傳輸格式是多遙感器數據合成的編碼方式,支持多路虛擬信道數據的數據傳輸合路,通過虛擬信道標識區分各路數據[6]。空幀數據是其中的一路虛擬信道數據。

不同衛星的空幀數據區序列有所不同,需要根據具體衛星的數據傳輸格式定義,得到標稱空幀數據區序列。以某衛星為例,空幀數據區序列為00～FF(16進制)的循環,共894個字節,如下:

000102……FEFF0001……

把從原始數據中提取的空幀數據區數據與標稱空幀數據序列逐位異或,得到誤碼數。統計提取到的空幀幀數(fill_frames)及所有空幀累加的空幀數據區中的誤碼位數(fill_allbitsoff),用于后面誤碼率的計算。

(4)誤碼率計算:誤碼率為參與統計的數據中發現的誤碼數與參與統計數據的比值。利用空幀數據統計在軌衛星原始數據誤碼的方法為步驟(1)～(4),誤碼率計算的分母為搜索到的空幀幀數(fill_frames)乘以空幀數據區長度(data_length)再乘以8(1個字節為8位),分子為所有空幀累加的空幀數據區中的誤碼位數(fill_allbitsoff)。應用程序計算過程:BER=fill_allbitsoff/(fill_frames*data_length*8)。

(5)輸出統計參數、統計結果到屏幕及輸出報告。輸出的檢測報告包含了所捕獲的第一幀和最后一幀的位置信息、捕獲總幀數、丟幀數、一軌數據的誤碼率和誤碼出現的位置信息。

(6)重復以上步驟,統計所有待測原始數據的誤碼率情況,并逐條記錄各個原始數據的誤碼率測試結果。

(7)針對原始數據偶爾出現誤碼及其他問題的情況,采用特殊問題特殊處理的方法,建立健全容錯機制,確保每軌、每段正常數據都成功處理,提高原始數據的利用率。

綜上,利用空幀數據統計在軌衛星原始數據誤碼的方法,可以極大提高統計數據的代表性和統計結果的可信度。

3 工程應用

本文方法已應用到某些衛星的原始數據質量控制過程,收到良好的效果。通過對幾顆衛星遙感數據大量檢測和統計,可以看到:大多衛星數據在開始和結束的時間數據誤碼率較高,由于天線仰角較低時,受到大氣干擾、遮擋或者跟蹤捕捉信號差的緣故而造成誤碼率集中出現。分析原始數據質量,采用本文方法測試后定位數據丟行原因為原始數據有誤碼。支撐接收站設計最優數據接收方案,該星原始數據正常率提高到90%;修改地面處理軟件后,丟行現象由80%減少到千分之一(見圖2),大大提高了原始數據質量和數據可用性,從而提升地面處理系統的穩定性和容錯性。

4 結束語

本文采用基于空幀數據統計誤碼率的方法實時分析檢測遙感衛星原始數據質量,簡單實用,不僅精確地統計出原始數據的誤碼率,而且還可以記錄誤碼出現的具體位置和錯誤情況,實踐證明該方法可為遙感衛星在軌測試及日常原始數據質量監測提供更加有效、高速和快捷的定量檢測手段,支撐接收站設計最優數據接收方案,提高遙感衛星原始數據質量和數據可用性,從而提升地面處理系統的穩定性和容錯性。