CN102706452A

CN102706452A - 月球卫星干涉成像光谱仪实时数据的处理方法

Info

Publication number: CN102706452A
Application number: CN2012101350272A
Authority: CN
Inventors: 刘建军; 王芳; 张文喜; 边伟; 任鑫; 温卫斌; 黄旻; 朱海华; 付强; 李春来
Original assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Current assignee: National Astronomical Observatories of CAS
Priority date: 2012-04-28
Filing date: 2012-04-28
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据的处理方法，所述方法包括：接收卫星下传的原始位流数据；对原始位流数据进行位同步、帧同步、解扰和RS译码处理得到成帧数据；提取成帧数据中特定虚拟信道的数据；对其进行处理并分拣出干涉成像光谱仪源包数据；对源包数据进行格式重整生成干涉成像光谱仪数据块；将数据块转换成具有实际物理含义的干涉成像光谱仪数据进行视图显示；并对显示出来的数据进行判读，判断该数据是正常或异常。根据本发明的方法，能够对月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据进行实时、全面、准确地处理和监视，由此有效的监视和显示干涉成像光谱仪的工作状态及探测结果，并根据监视的结果来实时地控制和调整载荷状态。

Description

月球卫星干涉成像光谱仪实时数据的处理方法

技术领域

本发明涉及一种数据处理方法，尤其涉及一种月球卫星干涉成像光谱仪(简称IIM)实时数据的处理方法，用于实现对月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据的实时处理和快视。

背景技术

在月球资源探测卫星上安装的科学载荷是卫星上携带的具有科学探测能力的探测设备。

干涉成像光谱仪作为科学载荷的一种，通常用于勘查并获取月球表面有用元素与物质类型的含量与分布，以便提供月球表面的二维光谱序列图，月球表面矿物类型的含量与分布图，以及月球表面岩石的分布图。

在月球卫星的在轨工作过程中，干涉成像光谱仪开机进行探测。在该在轨探测过程中，为了确保干涉成像光谱仪能够正常的运行并获得更准确和更高精度的探测结果，需要对干涉成像光谱仪经信道下传的各类数据进行实时的处理和显示，实时地监视干涉成像光谱仪的设备运行状态和了解探测数据的质量，根据监测结果，对月球卫星干涉成像光谱仪采取实时的控制和探测模式的调整。目前，针对月球卫星干涉成像光谱仪的实时状态，缺乏快速高效地监视和显示方法。本发明所涉及的方法旨在更加简单、快捷的判断卫星载荷的工作状态及探测结果，及时做出调整措施。

发明内容

本发明的目的是提供一种月球卫星干涉成像光谱仪实时数据的处理方法，该方法对干涉成像光谱仪实时下传的数据进行实时的传输、处理，进而采用不同的模式实时快视，以便于根据实时快视的结果控制和调整载荷状态。

为达到上述目的，本发明提出一种月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据进行处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，地面站接收卫星下传的原始位流数据；

步骤2，对接收的原始位流数据进行成帧数据处理，得到多个成帧数据，所述成帧数据处理包括位同步、帧同步、解扰、RS译码和数据组帧；

步骤3，按照所述成帧数据中携带的虚拟信道标识，提取成帧数据中特定虚拟信道的数据，取出其中的有效数据字节形成虚拟信道数据；

步骤4，对步骤3得到的虚拟信道数据进行处理，然后根据事先约定的有效载荷应用标识符分拣出干涉成像光谱仪源包数据；

步骤5，对步骤4得到的源包数据进行格式重整以生成干涉成像光谱仪数据块；

步骤6，将生成的干涉成像光谱仪数据块转换成具有实际物理含义的干涉成像光谱仪数据，以便于观测者识别；

步骤7，将步骤6经过转换后的数据进行视图显示；

步骤8，对显示出来的数据进行判读，判断该数据是正常或异常。

如上所述，本发明提供了一种月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据的处理和监视显示方法，根据该方法，可以实时地、全面地、准确地监视月球卫星干涉成像光谱仪实时运行和探测的状态，根据快视的结果，采取实时地应对措施和调整手段。

附图说明

图1为本发明提出的月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据处理方法的流程图；

图2为IIM未压缩数据流帧格式示意图；

图3为IIM压缩数据流帧格式示意图；

图4为干涉成像光谱仪科学数据显示的示意图；

图5为数据显示的曲线模式示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的月球卫星干涉成像光谱仪下传的实时数据主要包括载荷的工程数据、遥测数据和科学数据。

工程数据和遥测数据分为实时和延时两种数据。

工程数据是指在月球卫星在轨工作时，干涉成像光谱仪采集的自身的工作状态参数，可以实时下传，或者存入大容量存储器待入站下行。

遥测数据是指月球卫星采集的干涉成像光谱仪工作时的状态参数，形成数据源包，也分为实时下传和存入大容量存储器待入站下行。

科学数据是指在月球卫星上工作时干涉成像光谱仪自身探测到的科学数据。

通过上述三类数据的判读，能够了解载荷设备历史的和当前的运行状态和探测情况，并据此控制载荷和调整探测模式。

下面分别介绍干涉成像光谱仪实时数据的传输、处理及快视显示的流程。

图1是对干涉成像光谱仪实时数据进行传输、处理和显示的流程图，如图1所示，本发明提供的一种对月球卫星干涉成像光谱仪实时数据进行处理的方法包括以下步骤：

步骤1，地面站接收卫星下传的原始位流数据；

月球卫星在地球测站可视范围内时，地面站实时接收卫星下传的原始位流数据(卫星下行数据，未经过任何处理)，经位同步、帧同步、解扰、RS译码和分路解帧得到有效载荷的数据源包。

步骤2，对接收的原始位流数据进行成帧数据处理，得到多个成帧数据，具体如下：

步骤2.1，位同步：接收方利用包含有同步信号的特殊编码(如曼彻斯特编码)从数据信号自身提取同步信号来锁定自己的时钟脉冲频率，以达到位同步的目的。

步骤2.2，帧同步：按比特位(bit)查找原始位流数据中的帧同步头“1ACFFC1D”，从帧同步头开始截取512个字节形成多个原始数据帧；

步骤2.3，解扰：用508字节的扰码与原始数据帧中帧同步头以后的508个字节一一进行“异或”操作，以对原始数据帧进行解扰；

步骤2.4，RS译码：用解扰后的原始数据帧(512个字节)中的最后64字节的RS码对原始数据帧进行RS译码，并记录RS译码后的数据，同时生成两字节的数据质量信息(第一个字节代表错bit数，第二个字节代表纠错率)；

步骤2.5，数据组帧：将经过RS译码后的数据帧(512字节)与所述两字节的数据质量信息组成大小为514字节的成帧数据。

步骤3，分路解帧：按照成帧数据中携带的虚拟信道标识，提取成帧数据中特定虚拟信道的数据，取出其中的有效数据字节形成虚拟信道数据，具体如下：

根据成帧数据结构中的虚拟信道信息，确定成帧数据中包含的虚拟信道，所述虚拟信道是地面与卫星约定的一种数据传输模式，不同的数据内容在不同的虚拟信道中进行传输，比如，本发明中设定虚拟信道A1用于传输存储的各个载荷的遥测数据、工程数据(包括干涉成像光谱仪的工程和遥测数据)以及除干涉成像光谱仪之外的科学数据，虚拟信道A2用于传输存储的即延时的干涉成像光谱仪图像数据(包含压缩和未压缩的图像数据)，虚拟信道B中为实时未压缩IIM图像数据；虚拟信道C中为实时压缩IIM图像数据；虚拟信道D为实时1553B总线数据，包含所有有效载荷实时数传工程数据和通过数传下行的卫星参数数据(其中，A2、B、C、D是事先约定的虚拟信道标识)；然后，对于所有确定的虚拟信道，将相应的成帧数据中除去帧同步头、虚拟信道标识(10字节)和RS码后的436个有效数据字节取出，形成各自的虚拟信道数据，并同时形成虚拟信道数据成帧数据的统计信息，所述统计信息包括虚拟信道数据中成帧数据的个数，以及成帧数据流中不连续数据帧信息(比如不连续数据帧的个数和帧序号)等信息。

步骤4，对步骤3得到的虚拟信道数据进行处理，然后根据事先约定的有效载荷应用标识符分解所述虚拟信道数据生成各有效载荷的数据，分拣出属于目标载荷的数据(以便采用与该载荷相适应的方法进行数据处理)，由此得到目标载荷的源包数据，本实施例中的目标载荷源包数据即为干涉成像光谱仪源包数据。

源包科学数据(包标识为0x0017)的格式如下：

干涉成像光谱仪源包数据中延时工程数据的帧格式为：

干涉成像光谱仪源包数据中实时工程数据的帧格式(其中数据块4中的48B为干涉成像光谱仪的实时工程数据，其他的数据块为其他载荷的工程数据)为：

所述对虚拟信道数据进行的处理包括排序、去源包包头，具体为：

根据源包数据格式中的时间码信息，依据时间顺序进行排序；同时去掉源包包头部16B数据，得到IIM一个探测周期(即某次过境)的IIM数据。

步骤5，对步骤4得到的源包数据进行格式重整以生成干涉成像光谱仪数据块。

将属于一个采样周期的IIM数据进行拼接，形成连续的IIM数据块。由于干涉成像光谱仪的一组工程数据和科学数据不是一一对应的，所以需要将科学数据、工程数据和遥测数据分别进行拼接，去掉数据包的前8B，分别形成IIM一个采样周期的科学数据块、工程数据块以及遥测数据块。

步骤6，将生成的干涉成像光谱仪数据块转换成具有实际物理含义的干涉成像光谱仪数据，以便于观测者识别，下面的表格是部分公式求解实例。

公式代号	物理量转换公式
		FHEX	转换为十六进制
FFLT0	转换为+5V电压(N*5.1/FFH)
		FFLT4	转换为总电流(N5.1/FFH2)
FFLT36	遥测转换为分系统电流(N*5/FFH/2)
		FFLT38	IIM的数据由12bit转换为16bit，在12bit之前填充4bit的0。
FST	转换为UTC时间(YYYY-MM-DDThh:mm:ss.ms)
		FSTx	转换为UTC时间(对于XRS：源包时间码+通道时间码(ms))
FST6	转换为UTC时间(按字颠倒)YYYY-MM-DDThh:mm:ss
		SFLT	短实数转换为弧度
SFLT2	短实数转换为度
		FBCD	转换为BCD码

干涉成像光谱仪下传的科学数据为可分辨地元的点元干涉图。干涉成像光谱仪的科学图像数据量大，为了缩减数据量，干涉成像光谱仪引入了压缩数据。干涉成像光谱仪的科学数据中的图像数据包的格式包括原始图像格式和压缩图像数据格式。IIM未压缩和压缩数据流帧格式分别如图2和3所示。

IIM未压缩数据帧也就是IIM仪器输出的数据帧格式。光谱仪输出的串行数据流除了包括纯粹的图像数据以外，在每一帧数据开始时还插入标记帧的各种特性的附加信息码，比如帧标识、图像类型、帧计数、时间码等信息码。如图2所示，光谱仪输出的串行数据流中，首先是一组48位的帧同步标识(0x49 54 CE 1F 06 6B)；随后是4位的图像类型说明，对于未压缩图像，采用0011标识；然后是20位的帧计数，计数过程从0开始，逐次加1，20位计满后重新清0开始；然后是48位的时间码，表示生成当前数据帧的星上时间；最后是128×128×12位的图像数据。

图3显示了干涉成像光谱仪的压缩数据帧格式。IIM压缩数据流帧格式可分为内、外两层：外层定义为数据帧(如图2所示)，内层定义为数据包(如图3所示)。数据包按位流形式连续放在数据帧的数据域中。

内层是压缩数据本身的打包。首先是一组32位的包标识(B6 AB31E0)；然后是20位的包长度信息(表示当前包的位长，包含包头信息的位数)；然后是20位的包计数(此处的包计数对应IIM数据数据流中的帧计数，图像压缩单元将每一帧输入数据流中的帧计数信息提取后加入相应的包头中)；然后是48位的时间码(此处的时间码对应IIM输出数据流中的时间码，图像压缩单元将每一帧输入数据流中的时间码信息提取后加入相应的包头中)；最后是压缩后的图像数据。由于图像压缩是以最小压缩比为2∶1为原则(有可能大于2)，所以压缩后的每一包图像数据的长度是不定的。

外层的帧格式是为了传输与地面解包的方便而根据与未压缩数据帧(由干涉成像光谱仪生成)相同的格式生成的。图像压缩单元在将压缩数据内层打包后，顺序截取输出数据流，每128×128×12bit生成一个传输帧。首先是一组与未压缩图像帧相同的48位帧同步标识信息(49 54 CE 1F066B)；然后是4位图像类型信息(1100)；然后是20位的帧计数信息(从0开始，逐帧加1，计满后循环)；然后是48位的时间码信息(由于一帧数据中可能存在1个以上的图像数据包，这里的时间码可以选择插入从未压缩数据帧中最近依次提取的时间码)；最后是顺序截取的大小为128×128×12bit的压缩图像数据。

压缩数据包的长度为可变长度，在干涉成像光谱仪压缩图像数据帧的图像数据部分连续存放，放满128*128*12bit后，剩余部分放入下一个数据帧。

对于压缩的科学数据，在将干涉成像光谱仪数据块转换成具有实际物理含义的干涉成像光谱仪数据之前，还需要对压缩数据进行解压缩。

对数据进行解压缩：由于C信道的IIM干涉图像是经过压缩的，A2信道中也存在经过压缩的干涉图像，因此必须将图像解压缩成完整的干涉图像数据帧。解压缩工作就是对压缩数据包中的压缩IIM图像数据进行解压，恢复其压缩前的IIM数据流，最终IIM压缩数据帧经解压工作后便得到了IIM串行数据帧。

解压缩的过程包括：查找图像同步头，判断图像类型，对压缩图像进行解压缩。

解压缩处理后的数据帧格式与IIM输出的未经压缩的数据的帧格式是完全一样的，最终数据都恢复到仪器输出的数据格式。

步骤7，将步骤6经过转换后的数据进行视图显示。

干涉成像光谱仪下传的数据经过处理后，分为科学数据、实时和延时工程数据、实时和延时遥测数据。这三种类型的数据分别采用不同的数据视图显示。

1.干涉成像光谱仪的科学数据的显示

图4显示了干涉成像光谱仪的科学数据显示的示意图。

如图4所示，干涉成像光谱仪科学数据分延时数据(A2信道，数据包括压缩和非压缩两种格式)、实时未压缩数据(B信道)和实时压缩数据(C信道)，对上述三个信道的光谱仪图像数据分别进行解压缩处理和视图显示，并且可以通过增强活动条，对光谱仪图像进行亮度调节和对比度调节，可以根据需要决定选择哪个信道监视。

科学数据的显示包括帧序号、全通道的干涉图(干涉图像像元数为256*256)或黑白快视(256*1，截取自全通道干涉图)。图像按照不同的通道，分为实时压缩(C信道)、实时非压缩(B信道)，非实时压缩(在卫星上已经经过压缩)(A2 CPS)和非压缩(A2 UCPS)显示，支持图像缩放功能。

2.干涉成像光谱仪工程和遥测数据的显示

实时和延时的工程数据、实时和延时的遥测数据都分别采用单独的视图显示。参数显示视图中，可以选择紧凑模式、详细信息模式、数据表格模式、曲线模式、图表模式等，从而实现以不同的模式监视实时数据内容。

紧凑模式：参数按从上到下、从左到右的顺序排列。这种模式下能尽量利用屏幕空间显示尽可能多的参数。它只能显示“当前”的值，无法显示一段时间的历史数据，因此这种显示更适合监视实时的当前状态。见表1。

表1

在列表模式，也就是详细信息模式下，每个参数按从上到下的顺序排列。列表一共有4列，分别是参数名、16进制原码、反演后的参数值和历史曲线。其中历史曲线只有对数值类型的参数才有意义，这样显示是当前状态与历史趋势的结合。见表2。

表2

数据表格模式以参数水平排列和垂直排列的表格形式显示参数和参数值，可以连续监视到每个参数每个时间码的状态和改变，这种模式可以更精确的显示参数。见表3。

表3

曲线模式是列表模式中历史曲线的扩展，在这个模式下，可以将多个参数的历史曲线显示在同一张图表中。图表的X轴代表帧数，Y轴为参数值。当收到新的数据帧时，曲线会自动向左整体移动以显示最新的数据，这可以更直观的监视参数的变化趋势。见图6，每个参数的取值用一条曲线表示，不同的参数设置不同颜色的曲线。

图表模式支持参数曲线的分组。可以把值域近似的参数“归类”，分在不同的组中，每组使用独立的Y轴坐标。当图表上显示的曲线较多，或者相近颜色的曲线发生重叠的时候，选中指定的曲线，选中的曲线将用粗线条突出显示。

以上提到的显示模式中，涉及到参数原码和反演值，下面给出说明。

下传的工程数据和遥测数据形式是二进制码，需要进行二进制码到实际物理量间的转换，也即参数原码到反演值的转换，从而以直观的形式表达出来。下面的表4示例性的显示了部分参数名称及其转换公式。

表4

监视干涉成像光谱仪的实时遥测参数和实时工程参数，根据参数数值是否处于取值限或报警限内，判断卫星平台和有效载荷的实时工作状况，并记录数据内容或越界报警，为发现卫星平台和有效载荷异常提供依据，为调整探测器探测参数模式提供依据，并为制定和修订探测计划提供依据，例如上行指令调整干涉光谱仪曝光时间、增益等参数。

下面的表5示例性的列出了遥测数据的部分参数及其取值范围。

表5

经过物理量转换后的参数值，可读性大大提高，根据仪器设计的原理，给出参数的正常和异常取值或取值范围，可以较快速的进行实时数据的判读。对于干涉成像光谱仪而言，参数取值于正常或异常范围，决定了系统的状态和所获取科学数据的图像等级。

如上所述，本发明的月球卫星干涉成像光谱仪实时数据的处理方法对干涉成像光谱仪实时下传的数据进行实时的传输、处理，分解出不同载荷的不同类型的数据，依据干涉成像光谱仪及其数据类型的特点和需要，采用不同的模式实时显示，以不同的形式设置超限报警，根据实时快视的结果控制和调整载荷状态。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种月球卫星干涉成像光谱仪的实时数据进行处理的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，地面站接收卫星下传的原始位流数据；

步骤7，将步骤6经过转换后的数据进行视图显示；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述原始位流数据包括工程数据、遥测数据和科学数据，其中，

工程数据为在月球卫星在轨工作时，干涉成像光谱仪采集的自身的工作状态参数；

遥测数据为月球卫星采集的干涉成像光谱仪工作时的状态参数；

科学数据为在月球卫星上工作时干涉成像光谱仪自身探测到的科学数据；

所述工程数据和遥测数据分为实时和延时两种数据。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括以下步骤：

步骤2.1，位同步：利用包含有同步信号的编码从数据信号自身提取同步信号来锁定时钟脉冲频率，以达到位同步的目的；

步骤2.2，帧同步：按比特位查找所述原始位流数据中的帧同步头，从帧同步头开始截取512个字节形成多个原始数据帧；

步骤2.3，解扰：用508字节的扰码与所述原始数据帧中帧同步头以后的508个字节一一进行异或操作，以对所述原始数据帧进行解扰；

步骤2.4，RS译码：用解扰后的原始数据帧中的最后64字节的RS码对原始数据帧进行RS译码，并记录RS译码后的数据，同时生成两字节的数据质量信息；

步骤2.5，数据组帧：将经过RS译码后的数据帧与所述两字节的数据质量信息组成大小为514字节的成帧数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3中的有效数据字节为成帧数据中除去帧同步头、虚拟信道标识和RS码后的数据。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤3进一步包括形成虚拟信道数据成帧数据统计信息的步骤，所述统计信息包括虚拟信道数据中成帧数据的个数，以及成帧数据流中不连续数据帧信息。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中对步骤3得到的虚拟信道数据进行处理包括排序、去源包包头，其中，

所述排序为根据源包数据格式中的时间码信息，依据时间顺序进行排序。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述源包数据依次包括2字节的同步码、2字节的包标识、2字节的包序列控制码、2字节的包长度标识、496字节的数据域以及8字节的校验信息；其中，496字节的数据域未满时添加填充码。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤5进一步包括：将属于一个采样周期的干涉成像光谱仪科学数据、工程数据和遥测数据分别进行拼接，形成干涉成像光谱仪一个采样周期的科学数据块、工程数据块以及遥测数据块。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为了缩减数据量，卫星下传的干涉成像光谱仪的科学数据为压缩数据，对于压缩的科学数据，在所述步骤6之前进一步还包括对压缩数据进行解压缩的步骤。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述压缩数据的帧格式分为内、外两层：外层为数据帧，内层为数据包；

所述数据包由32位的包标识、20位的包长度信息、20位的包计数、48位的时间码以及压缩后的图像数据组成；

所述数据帧由48位的帧同步标识信息、4位的图像类型信息、20位的帧计数信息、48位的时间码信息以及图像数据部分组成；

所述数据包在所述数据帧的图像数据部分连续存放，放满128*128*12比特后，剩余部分放入下一个数据帧的图像数据部分。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤8进一步包括：所述显示出来的数据的质量为调整探测器探测参数模式、制定和修订探测计划提供依据。