CN103795499B - 一种卫星载荷高速串口检错纠错方法 - Google Patents

Abstract

一种卫星载荷高速串口检错纠错方法，步骤为：（1）以帧为单位，对图像数据进行奇偶校验编码；（2）对经过奇偶校验编码后的图像数据按照约定的接口控制协议进行协议控制；（3）对协议控制后的图像数据依次经过并串转换芯片和串并转换芯片，记录芯片管脚异常状态；（4）对串并转换后得到的数据进行协议检查，记录错误状态；（5）对协议检查后的图像数据再次进行奇偶校验并与原始奇偶校验编码比较，进行像元纠错并记录状态；（6）将最终的图像数据和对应的状态下传至地面站。本发明方法能够对光学成像卫星相机与卫星数传系统之间的数据串行接口进行快速检错、纠错和错误报告。

Description

一种卫星载荷高速串口检错纠错方法

技术领域

本发明涉及一种用于光学成像卫星所搭载的相机与卫星数传系统之间进行图像数据传输的串行接口的检错、纠错方法。

背景技术

近年来，光学成像卫星的发展呈现出高分辨率、大幅宽等特点。伴随而来的，是相机实时输出的数据率急剧增大。我国遥感卫星的载荷数据率已经从初期的几百Mbps量级发展至几十Gbps量级。传统的基于并行数据传输技术和低速串行数据传输技术的接口已经不能适应于发展需求。典型的高速并行数据接口，如LVDS，从芯片到接口标准都无法支持Gbps量级的数据传输需求。低速的串行数据接口，如RS-422，则更无法满足要求。

基于SerDes技术的高速串行数据接口，单组线可实现2Gbps以上的高速数据传输，已经成为新型光学成像卫星载荷数据接口设计的首选。但是，高速串行数据接口容易受到干扰出现误码，同时高速器件的工作状态测量对仪器和人员操作水平的要求很高，而一般的实验室无法轻易获取，从而导致高速串行接口的调试以及测试中的故障定位都十分困难，在卫星测试中此类问题也很难定位。而且，在光学成像卫星中，相机将数据输出后，后端的数传设备会对图像进行复杂的图像处理操作。如果接口上存在误码，则误码在地面无法获知，更无法纠错，甚至还存在误码范围扩大的风险。

我国目前的遥感卫星载荷接口普遍采用并行LVDS接口，部分新型卫星已经使用TLK2711高速串行数据接口。但目前卫星的高速串行数据接口并不具备误码检错、纠错和报告能力，仅按照协议进行格式控制字符的检查。在出现少量误码后，由于后续的压缩等操作掩盖了误码的存在，无法判断是否出现过误码。只有在出现大面积错误时，地面才能判断出图像传输存在误码。而且整个星地图像传输链路中仅在完成图像处理后才进行针对物理通信链路的误码纠检错，并没有涉及图像传输链路的起始部分，即相机与数传系统之间的接口。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种能够对光学成像卫星相机与卫星数传系统之间的数据串行接口进行快速检错、纠错和错误报告的方法。

本发明的技术解决方案是：一种卫星载荷高速串口检错纠错方法，步骤如下：

（1）以帧为单位，对图像数据进行奇偶校验编码，使得每一帧图像的编码结果为一个n+1行m+1列的矩阵，矩阵的元素均为二进制数值；其中m为一帧图像所包含的像元个数，n为每个像元的量化比特数，矩阵中第m+1列的前n个元素的值为对应行的奇校验或偶校验结果，矩阵中第n+1行的前m个元素的值为对应列的奇校验或偶校验结果，矩阵中第n+1行第m+1列的元素为1；

（2）将经过奇偶校验编码后的图像数据，按照约定的接口控制协议，增加控制字符和同步字符；

（3）对增加控制字符和同步字符后的图像数据首先经过并串转换芯片进行并串转换，然后将并串转换的结果再经过串并转换芯片进行串并转换；转换过程中实时监测并串转换芯片和串并转换芯片的管脚工作状态，若任一管脚出现异常，则进行记录；

（4）按照约定的接口控制协议，对步骤（3）串并转换后得到的数据进行协议检查，去除增加的控制字符和同步字符；如果协议检查时发现错误则记录错误状态；

（5）对于去除增加的控制字符和同步字符后的图像数据，按照与步骤（1）中相同的方式，分别计算每一帧图像中前n行和前m列的奇偶校验结果并与接收到的奇偶校验编码进行比较，分以下四种情况分别对图像数据进行处理得到最终的图像数据：

（A）全部的行校验和列校验结果均正确，则直接删除图像数据中的奇偶校验编码后进入步骤（6）；

（B）部分列校验不正确且部分行校验也不正确，则直接将不正确的行和列交叉位置的比特值取反后，删除图像数据中的奇偶校验编码后进入步骤（6）；

（C）部分列校验不正确但所有行校验正确，则利用邻域插值的方法得到错误列对应像素的比特值，删除图像数据中的奇偶校验编码后进入步骤（6）；利用邻域插值的方法得到错误列对应像素的比特值的具体方法为：取前一帧图像中对应位置的像元及其前一个像元和后一个像元，以及本帧图像中对应位置的前一个像元共计四个像元的灰度值的平均值，将此平均值作为错误列对应的像素值并按照比特展开后替换错误列对应位置的比特值；

（D）所有列校验不正确，但是所有行或者部分行校验正确，判定接口传输链路故障，删除图像数据中的奇偶校验编码并进入步骤（6）；

（6）设置一个参数变量表示状态信息；所述的状态信息至少包括步骤（3）中的芯片管脚故障、步骤（4）中的协议检查错误、步骤（5）中的四种情况共计六种状态，将状态信息和最终得到的图像数据下传至地面站。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明方法在星上载荷数据中引入接口错误信息并下传至地面，在卫星在轨运行期间，地面可以根据错误信息剔除或纠正错误图像，从而提高图像产品的质量；同时卫星设计人员可以积累接口的在轨运行可靠性数据，为卫星、分系统和单机测试提供有效的故障定位手段，从而提高测试效率，并为后续设计提供改进依据；

（2）本发明方法实现简单，运行速度快。由于方法中采用了检错编码中复杂性最低的的奇偶校验码，与其他种类的编码相比，此编码实现简单，运算量小，适合于卫星载荷接口等对实时性要求很高的接口。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图；

图2为本发明方法中发送端的图像数据检错编码示意图；

图3为本发明方法中所使用的邻域插值纠错方法示意图。

具体实施方式

在光学成像卫星的相机内部（也即串行接口的发送端），量化后的图像数据按抽头或行存储在缓存中。通常将需要连续传输的一个抽头或一行的图像称为一帧图像。下面，以一帧图像为例对本发明的方法进行详细的介绍，具体流程如图1所示。

（1）对图像数据进行检错编码，编码方式为行列校验编码。在此，把一帧图像看做一个矩阵，矩阵的行由一帧图像中每个像元对应位置的比特构成，列则是对应的像元的二进制表示。对这个矩阵的每一行进行奇偶校验编码，构成新的一列；对这个矩阵的列进行奇偶校验编码，构成新的一行。新列和新行交叉的位置填“1”。如图2所示，假定一帧图像共有m个像元，每个像元的量化深度为n比特，将每一个像元按比特展开，则可以构成一个n行m列的矩阵。按照第1行到第n的顺序，对每一行进行奇校验或偶校验，把校验码作为每一行的第（m+1）个元素。按照第1列到第m列的顺序，对每一列进行奇校验或偶校验，把校验码作为每一列的第n+1个元素。在新行和新列交叉的位置填充“1”。这样就构成了一个（n+1）行（m+1）列的矩阵，其中左上角的n行m列为原始图像数据，也即有效数据；新增的数据为编码所增加的冗余信息。

（2）协议控制。将经过检错编码后的图像数据，看做为由（m+1）个像元组成的、量化深度为（n+1）bit的图像数据。按照事先定义的接口控制协议，增加控制字符和同步字符等协议内容。控制字符主要包括帧头、帧尾等用于标识数据帧的起始、结束、长度等信息的字符。同步字符为根据串口芯片特点确定的、可实现收发双方同步的特征码。

（3）并串转换/串并转换。将上述经协议控制后的数据并行输入并串转换芯片的并行数据入口，注意（m+1）不能大于并串转换芯片允许的并行比特数。接收端串并转换芯片将接收的串行数据转换为并行数据输出。在接收端，对芯片（只记录接收端）的工作状态指示管脚的状态进行采集，若任一管脚出现异常，则进行记录。

（4）协议检查及解码。对照接口控制协议，对接收端串并转换芯片的并行输出数据进行协议检查。如有错误，则记录错误状态。

（5）图像数据检错。接收端接收到的图像数据，经过协议检查去掉协议字符后，解码得到图像数据。此时仍旧将解码得到的图像数据看做一个（n+1）行（m+1）列的矩阵。按照与步骤（1）中编码时相同的方法，对前m列数据再次进行奇校验或偶校验判别。若判断结果正确，即重新计算得到的列校验码与实际接收到的列校验码一致，则将对应列第（n+1）个比特置为1；反之，置为0。同样的，对前n行数据分别进行奇校验或偶校验判别，更新方法同列校验。将校验结果存储在单独的数组中，去掉图像数据中的校验码后即可恢复为原始的图像数据。若全部的行校验和列校验结果均正确，则直接进入步骤（7）；其他情况下进入步骤（6）。

（6）像元纠错。分为4种情况来处理：

第一种情况，部分列校验不正确，部分行校验也不正确。则直接将不正确的行和列交叉位置的比特值取反，用取反后的值更新对应位置的值，因为此矩阵的元素均为二进制数值，每个元素的取值范围为0或1；

第二种情况，部分列校验不正确，所有行校验正确。则利用邻域插值的方法得到错误列对应像素的值。

如图3所示，Pj(x)为本帧图像中列校验错误的像元，则其新值为其4个邻域像元Pi(x-1)、Pi(x)、Pi(x+1)、Pj(x-1)灰度值的平均值，也即利用上一帧图像的信息和本帧像元的前一像元的信息来恢复存在错误的像元的值，这样可以保证不使用未经检验的像元值。设像元Pj(x)、Pi(x-1)、Pi(x)、Pi(x+1)、Pj(x-1)的灰度值分别为Ij(x)、Ii(x-1)、Ii(x)、Ii(x+1)、Ij(x-1)，根据步骤（1）可知，它们都可用n个二进制数值来表示。由于遥感图像均是渐变的图像，各像元灰度值与邻域像元具有较好的相关性，为了计算简便，可以通过取均值的方式来得到待求解像元的灰度值，即Ij(x)=（Ii(x-1)+Ii(x)+Ii(x+1)+Ij(x-1)）/4。用新得到的Ij(x)替换原矩阵中对应的比特即完成纠错。

第三种情况，所有列校验不正确，所有行校验正确。此时，表明接口传输链路出现了严重的故障，错误不是由于随机的误码产生，不进行纠错。因为所有的列均出现错误，说明所有的像元灰度值均出现错误，这种情况错误一般是系统性的，星上无法处理。

第四种情况，所有列校验不正确，部分行校验不正确。此时，表明接口传输链路出现了严重的故障，错误不是由于随机的误码产生，不进行纠错。

（7）错误信息处理。接收端设置一个变量来表示每帧图像的错误情况，这个变量至少应有3个比特。在此，假设使用3个比特来表示错误信息。若芯片的工作状态指示管脚出错则置为000，表示硬件信号出错；若出现（6）中第一种情况则置为101，表示出现随机的误码；若出现（6）中第二种情况，则置为010，表示进行过像素的插值处理；若出现（6）中第三和第四种情况，则置为001，表示出现大量数据错误；硬件错误没有出现且行校验和列校验均正确，则置为111，表示没有检测到任何错误；其他情况（包括多重故障，即上述两种或以上的情况同时发生），置为110。

（8）转入数传（接收端）后续处理流程。直接提取（n+1）行（m+1）列的矩阵的前n行m列，得到图像数据。图像数据送入后续的压缩模块进行压缩后，将上述错误信息加入压缩块的头信息中，与压缩码流一起送往后续环节，进行信源编码、信道编码，并通过星上射频部分发射至地面。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.一种卫星载荷高速串口检错纠错方法，其特征在于步骤如下：

(1)以帧为单位，对图像数据进行奇偶校验编码，使得每一帧图像的编码结果为一个n+1行m+1列的矩阵，矩阵的元素均为二进制数值；其中m为一帧图像所包含的像元个数，n为每个像元的量化比特数，矩阵中第m+1列的前n个元素的值为对应行的奇校验或偶校验结果，矩阵中第n+1行的前m个元素的值为对应列的奇校验或偶校验结果，矩阵中第n+1行第m+1列的元素为1；

(2)将经过奇偶校验编码后的图像数据，按照约定的接口控制协议，增加控制字符和同步字符；

(3)对增加控制字符和同步字符后的图像数据首先经过并串转换芯片进行并串转换，然后将并串转换的结果再经过串并转换芯片进行串并转换；转换过程中实时监测并串转换芯片和串并转换芯片的管脚工作状态，若任一管脚出现异常，则进行记录；

(4)按照约定的接口控制协议，对步骤(3)串并转换后得到的数据进行协议检查，去除增加的控制字符和同步字符；如果协议检查时发现错误则记录错误状态；

(5)对于去除增加的控制字符和同步字符后的图像数据，按照与步骤(1)中相同的方式，分别计算每一帧图像中前n行和前m列的奇偶校验结果并与接收到的奇偶校验编码进行比较，分以下四种情况分别对图像数据进行处理得到最终的图像数据：

(A)全部的行校验和列校验结果均正确，则直接删除图像数据中的奇偶校验编码后进入步骤(6)；

(B)部分列校验不正确且部分行校验也不正确，则直接将不正确的行和列交叉位置的比特值取反后，删除图像数据中的奇偶校验编码后进入步骤(6)；

(C)部分列校验不正确但所有行校验正确，则利用邻域插值的方法得到错误列对应像元的比特值，删除图像数据中的奇偶校验编码后进入步骤(6)；利用邻域插值的方法得到错误列对应像元的比特值的具体方法为：取前一帧图像中对应位置的像元及其前一个像元和后一个像元，以及本帧图像中对应位置的前一个像元共计四个像元的灰度值的平均值，将此平均值作为错误列对应的像元的灰度值并按照比特展开后替换错误列对应位置的比特值；

(D)所有列校验不正确，但是所有行或者部分行校验正确，判定接口传输链路故障，删除图像数据中的奇偶校验编码并进入步骤(6)；

(6)设置一个参数变量表示状态信息；所述的状态信息至少包括步骤(3)中的芯片管脚故障、步骤(4)中的协议检查错误、步骤(5)中的四种情况共计六种状态，将状态信息和最终得到的图像数据下传至地面站。