CN107070539B - 海洋卫星数据广播系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种海洋卫星数据广播系统及方法，包括：地面主控站：作为整个数据广播系统的通信核心，实现对前向发布信息的汇集、接入、处理、发布和返向信息的收集处理；双向小站：通过通信卫星可和主控站进行双向业务交互，单收小站：作为整个系统的通信终端，负责卫星广播信息的接收，同时可接收北斗定位信息及短消息，并通过北斗链路提供信息点播和回传；北斗系统：提供数据信息传输前返向链路；信息应用系统：作负责将远端站收到的卫星广播数据还原成用户可使用的信息、反馈信息汇总处理、各业务分系统接入及终端信息管理。本发明实现了广域、高效的信息广播分发能力、安全授权机制，实现海洋遥感数据有条件的接收。
Description
技术领域
本发明涉及一种通信领域，尤其涉及一种海洋卫星数据广播系统及方法。
背景技术
目前，我国卫星通信通常采用海事卫星(inmarsat)、舒拉亚(Thuraya)、铱星等几大国外卫星通信系统产品，尽管通信质量高，但都属于窄带通信，传输速率低，无法实现多媒体等高速通信业务。同时，国外产品的售后维护价格高昂、时间滞后都是难以解决的难题。
与国外相比，国内卫星通信技术水平相差甚远，尤其是在民用卫星系统及应用技术方面，国内还处于起步阶段。多年来，国内的卫星应用，包括卫星电话、卫星广播、宽带卫星通信等，还主要依靠国外的系统及设备，卫星系统及卫星终端技术还受制于国外厂商，卫星通信的安全可靠性也缺乏有效保障。目前国内外没有专门针对海洋遥感数据分发系统前向数据量大、返向数据量小等特点而研发的宽带卫星通信系统。
近年来，随着卫星通信技术的发展及我国对卫星通信的重视，使得我国在卫通领域取得了一定的进展。我国自主研制的卫星通信系统基本上能满足军用需求，但是在民用市场目前还没有成熟的商用卫星通信系统的解决方案，与国内巨大的市场需求形成鲜明的反差。可以说国内宽带卫星通信系统市场潜力巨大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种海洋卫星数据广播系统及方法，适用于海洋遥感数据分发系统前向数据量大、返向数据量小的卫星通信系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
海洋卫星数据广播系统，包括：
地面主控站：作为整个数据广播系统的通信核心，实现对前向发布信息的汇集、接入、处理、发布和返向信息的收集处理；在对卫星广播链路的统一管理调度下、以及传输链路上的有条件接收控制下，通过卫星前向广播链路向各远端站广播有条件加密信息；
双向站：通过通信卫星可和主控站进行双向业务交互，同时通过北斗卫星实现基于北斗短报文的返向信息回传，同时回传的信息也将统一汇接到主控站进行存储和处理；通过北斗指挥机接收各用户站的信息检索请求或回传信息，并转发到处理服务，
单收站：作为整个系统的通信终端，负责卫星广播信息的接收，同时可接收北斗定位信息及短消息，并通过北斗链路提供信息点播和回传；
北斗系统：提供数据信息传输前返向链路，实现与地面主控站、双向站以及单收站之间的数据通信；
信息应用系统：作为整个系统的信息应用端，负责将远端站收到的卫星广播数据还原成用户可使用的信息、反馈信息汇总处理、各业务分系统接入及终端信息管理。
作为本方案的进一步改进，所述双向站回传的信息也将统一汇接到主控站进行存储和处理；通过北斗系统接收各用户站的信息检索请求或回传信息，并转发到地面主控站的应用软件进行处理，由软件的相应模块对信息检索汇集并分类处理，并向各分系统服务器分发相关用户站请求和反馈信息；地面主控站的数据通过广域因特网或局域网进行接入，可以接入多个数据处理分系统，从而实现支持多层次的信息及用户管理，以及远程管理。
作为本方案的进一步改进，所述的地面主控站配置有接入设备、网络管理设备、播控服务设备、北斗服务设备、北斗指挥机、存储设备、授权管理设备、中心站密码设备、网关设备、中心站IDU设备、功率放大器和LNB、天线单元和防火墙，所述系统管理控制平台通过互联网获取海洋卫星广播分发数据并发送给中心站IDU设备，之后海洋卫星广播分发数据经由天馈系统发送至广播卫星以及在北斗指挥机的处理下经由天线单元发送至北斗卫星。
作为本方案的进一步改进，所述的单收站配置有北斗收发模块、天线及射频单元、A-TDM解调器、解密单元、主控单元、用户网关、用户接口；单收站通过天线单元接收卫星广播信号，经射频单元处理后送基带进行信号的A-TDM解调器解调以及解密处理，然后经用户网关和用户接口送入主控单元，由主控单元对前向发布信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理；单收站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。
作为本方案的进一步改进，所述的双向站配置有北斗收发模块、天线及射频单元、A-TDM调制/ 解调器、加/解密单元、主控单元、用户网关、用户接口；双向站通过天线及射频单元收发卫星广播信号并由主控单元对需要收发的数据信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理；通过北斗收发模块向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。
海洋卫星数据广播数据处理方法，包括：
1)地面主控站数据处理方法：
主控站前向广播链路的业务处理流程如下：
S01.将服务器连接到互联网，通过系统管理控制平台的FTP服务器接收海洋卫星广播分发数据，采用轮询方式完成数据广播内容的自动推送；
S02.用户通过应用软件将数据以IP包的形式发送至IDU设备，设备将IP包按照自定义的超帧结构进行数据封装、LDPC前向纠错编码、加扰、星座映射和成型滤波，最后上变频至L波段；
S03.天馈系统将数据上变频至Ku波段并作滤波处理，同时通过功放放大信号，最后数据通过天线发送至广播卫星，至此完成整个前向链路的数据分发；
返向链路的处理流程和前向链路完全相同，主控站只负责接收和处理来自双向站的业务信息；
北斗发送链路数据处理流程如下：
S11.系统管理控制平台通过应用软件向单收站/双向站发送北斗短报文；
S12.IDU设备进行IP包解析，提取出短报文内容，然后将短报文通过RS232串口发送至北斗指挥机；
S13.北斗指挥机经过一系列处理后，最终将短报文调制为L波段信号并发送至北斗天线；
S14.北斗天线经过功率放大后将信号发射至北斗卫星，至此完成北斗前向链路的信息推送；
2)单收站数据处理方法：
接收业务数据处理流程如下；
S21.天馈系统经LNB下变频处理后将Ku频段变换至L频段，并作滤波处理；
S22.L频段的信号经馈线送至IDU设备，完成信号的解调处理、LDPC译码和解封装，最终得到IP 包数据；
S23.系统管理控制平台对IP包数据进行解析和整合，生成原始数据文件；
S24.对接收到的广播内容进行初步的识别、分类、统计和过滤后，输出给后端数据处理设备；
S25.对接收到的广播内容及时保存和删除，维护磁盘空间，保证服务器稳定运行；
北斗发送链路数据处理流程和地面主控站完全相同，其接收链路处理流程如下：
S31.北斗用户机接收到主站或者小站发送的北斗信号，经过一系列处理后解析出北斗短报文；
S32.北斗用户机通过RS232串口将短报文信息发送至IDU设备；
S33.IDU设备进行协议解析，提取出短报文内容，并封装成IP包发送至系统管理控制平台的应用软件；
S34.应用软件对IP包进行解析，提取出短消息、设备状态、业务状态、定位申请等相关信息并显示，至此完成北斗前向链路的信息解析；
3)双向站数据处理流程，其接收数据处理流程和单收站完全相同，发送业务处理流程如下所示：
S41.将服务器连接到互联网，通过系统管理控制平台的FTP服务器接收用户数据信息，经过加工处理后进行存储；
S42.用户通过应用软件将经加工后的数据以IP包的形式发送至IDU设备，设备按照自定义的超帧结构进行数据封装、LDPC前向纠错编码、加扰、星座映射和成型滤波，最后上变频至L波段；
S43.天馈系统将数据上变频至Ku波段并作滤波处理，同时通过功放放大信号，最后数据通过天线发送至广播卫星。
作为本方案的进一步改进，所述的地面主控站数据处理方法还包括北斗返向链路，所述北斗返向链路处理流程与北斗前向链路流程相同。
作为本方案的进一步改进，所述的前向广播链路采用A-TDM前向广播体制
本发明的有益效果是：基于宽带卫星通信的数据传输技术平台研发前向采用A-TDM前向广播体制，实现了广域、高效的信息广播分发能力、安全授权机制，实现海洋遥感数据有条件的接收。双向和单收站返向采用快速、灵活和易于扩展的北斗回传机制，使得系统效率更高、应用更广。
附图说明
图1是本发明的系统结构图；
图2是超帧组成结构图；
图3是LDPC码译码总体结构框图；
图4是系统采用8PSK调制的星座图；
图5是基于欧式距离的8PSK星座表示图；
图6是基于象限的8PSK调制星座图；
图7是接收信号解调框图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。
如图1所示，
海洋卫星数据广播系统，包括：
地面主控站：作为整个数据广播系统的通信核心，实现对前向发布信息的汇集、接入、处理、发布和返向信息的收集处理；在对卫星广播链路的统一管理调度下、以及传输链路上的有条件接收控制下，通过卫星前向广播链路向各远端站广播有条件加密信息；
双向站：通过通信卫星可和主控站进行双向业务交互，同时通过北斗卫星实现基于北斗短报文的返向信息回传，同时回传的信息也将统一汇接到主控站进行存储和处理；通过北斗指挥机接收各用户站的信息检索请求或回传信息，并转发到处理服务，
单收站：作为整个系统的通信终端，负责卫星广播信息的接收，同时可接收北斗定位信息及短消息，并通过北斗链路提供信息点播和回传；
北斗系统：提供数据信息传输前返向链路，实现与地面主控站、双向站以及单收站之间的数据通信；
信息应用系统：作为整个系统的信息应用端，负责将远端站收到的卫星广播数据还原成用户可使用的信息、反馈信息汇总处理、各业务分系统接入及终端信息管理。
作为本方案的进一步改进，所述双向站回传的信息也将统一汇接到主控站进行存储和处理；通过北斗系统接收各用户站的信息检索请求或回传信息，并转发到地面主控站的应用软件进行处理，由软件的相应模块对信息检索汇集并分类处理，并向各分系统服务器分发相关用户站请求和反馈信息；地面主控站的数据通过广域因特网或局域网进行接入，可以接入多个数据处理分系统，从而实现支持多层次的信息及用户管理，以及远程管理。
作为本方案的进一步改进，所述的地面主控站配置有接入设备、网络管理设备、播控服务设备、北斗服务设备、北斗指挥机、存储设备、授权管理设备、中心站密码设备、网关设备、中心站IDU设备、功率放大器和LNB、天线单元和防火墙，所述系统管理控制平台通过互联网获取海洋卫星广播分发数据并发送给中心站IDU设备，之后海洋卫星广播分发数据经由天馈系统发送至广播卫星以及在北斗指挥机的处理下经由天线单元发送至北斗卫星。
通过前返向广播链路，地面主控站实现对前向发布信息的汇集、接入、处理、发布和返向信息的收集处理。在对卫星广播链路的统一管理调度下，通过卫星前向广播链路向各单收站广播加密信息，同时对地面双向站回传的信息进行存储和处理。地面主控站的数据可通过广域因特网或局域网进行接入，因而通过接入多个数据处理分系统，实现多层次的信息及用户管理；通过北斗前向链路，主控站可实现短消息发送和监收功能，同时借助返向链路，主控站可接收来自单收站/双向站的信息检索请求、回传信息和定位信息，同时还可接收各用户站的获取小站的设备和业务等状态信息，对双向站和小站状态进行监控。
地面主控站采用GSTAR宽带卫星通信系统，前向卫星广播采用A-TDM广播体制，实现广域、高效的信息广播分发能力，涵盖短消息、文件和视频多种丰富的业务，同时通过建立灵活多变的安全授权机制，实现各远端站的信息有条件接收，还可通过北斗系统实现北斗监收和航迹显示；各远端站在接收广播信息的同时可根据需要返向发送信息，通过北斗定位校时、北斗短报文通信服务向主控站进行反馈，并借助卫星电视接收功能收看国家主流频段的电视节目。
(1)前向信息发布
各业务系统根据用户要求或者北斗返向请求提交播控服务设备进行资源申请，播控服务设备分配资源和查询授权管理设备授权信息，如果资源充足并且有授权信息，播控服务器进行资源分配，分配资源后，数据信息通过防火墙接入到接入设备，接入设备按照播控服务设备要求对各个数据信息进行汇集，发送到存储服务器进行存储，存储服务器根据业务要求对业务数据进行存储并发送到网关设备，网关设备完成对各发布业务的汇集、QoS队列调度及预复接，同时通过主控站密码机对信息进行加密，然后通过主控站IDU设备完成前向链路传输的前向调制，通过功率放大器、LNB和天线发布到广播卫星，传送给远端站。
(2)返向信息接收
各双向远端站回传数据信息通过卫星链路回传至主控站ODU设备，经变频、解调、解密等过程后进入存储服务器、播控服务器。
(3)北斗返向信息请求
远端站在用户提交信息请求后，通过北斗短信息通道发送到北斗卫星，传送信息给地面主控站北斗指挥机，北斗指挥机接收信息，并将收到的信息传送给北斗服务设备，北斗服务设备对请求信息进行处理后，提交用户端或者传送给播控服务器对请求信息进行资源和权限判断，播控服务器根据判断情况决定是否进行信息发布。
作为本方案的进一步改进，所述的单收站配置有北斗收发模块、天线及射频单元、A-TDM解调器、解密单元、主控单元、用户网关、用户接口；单收站通过天线单元接收卫星广播信号，经射频单元处理后送基带进行信号的A-TDM解调器解调以及解密处理，然后经用户网关和用户接口送入主控单元，由主控单元对前向发布信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理；单收站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。
为本方案的进一步改进，所述的天线接收单元包括单收的船载站天线、地面固定站天线、车载站天线。
作为本方案的进一步改进，所述的单收站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息过程中，首先是用户通过主控单元输入点播或查询的信息请求，经北斗收发模块的信息处理单元、天线模块发送至北斗卫星，系统对上传信息请求进行认证请求后，向相应终端单播或组播所查询或请求的数据，实现返向信息请求、查询。
作为本方案的进一步改进，所述的北斗收发模块包括北斗天线模块、北斗模块和信息处理模块，所述北斗模块通过北斗天线模块与射频单元通信并通过信息处理模块与主控单元连接。
卫星广播数据单收站设备表如下：
接收前向发布信息
单收站通过天线单元接收卫星广播信号，经射频单元处理后送基带进行信号的一系列处理，首先是A-TDM解调器解调，之后是信号的解密处理，经用户网关和用户接口送入主控单元，由主控单元对前向发布信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理。
发送返向数据信息
单收站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。这一过程首先是用户通过主控单元输入点播或查询的信息请求，经北斗收发模块的信息处理单元、天线模块发送至北斗卫星，系统对上传信息请求进行认证请求后，向相应终端单播或组播(多个用户需求)所查询或请求的数据，实现返向信息请求、查询。
作为本方案的进一步改进，所述的双向站配置有北斗收发模块、天线及射频单元、A-TDM调制/ 解调器、加/解密单元、主控单元、用户网关、用户接口；双向站通过天线及射频单元收发卫星广播信号并由主控单元对需要收发的数据信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理；通过北斗收发模块向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。
作为本方案的进一步改进，双向站的接收单元通过地面固定站天线单元接收卫星广播信号，经射频单元处理后送基带进行信号的A-TDM解调器解调和解密处理，经用户网关和用户接口送入主控单元，由主控单元对前向发布信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理。
作为本方案的进一步改进，双向站的发射单元首先由主控单元对需要发送的数据信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理，然后信号通过加密处理，进入A-TDM调制器调制，再经基带、射频单元处理后送给天线发射单元，最终通过卫星转发器发送给地面主控站。
作为本方案的进一步改进，所述的北斗收发模块包括北斗天线模块、北斗模块和信息处理模块，所述北斗模块通过北斗天线模块与射频单元通信并通过信息处理模块与主控单元连接。
作为本方案的进一步改进，双向站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。这一过程首先是用户通过主控单元输入点播或查询的信息请求，经北斗收发模块的信息处理模块、北斗天线模块发送至北斗卫星，系统对上传信息请求进行认证请求后，向相应终端单播或组播所查询或请求的数据，实现返向信息请求、查询。
海洋卫星数据广播数据处理方法，包括：
1)地面主控站数据处理方法：
主控站前向广播链路的业务处理流程如下：
S01.将服务器连接到互联网，通过系统管理控制平台的FTP服务器接收海洋卫星广播分发数据，采用轮询方式完成数据广播内容的自动推送；
S02.用户通过应用软件将数据以IP包的形式发送至IDU设备，设备将IP包按照自定义的超帧结构进行数据封装、LDPC前向纠错编码、加扰、星座映射和成型滤波，最后上变频至L波段；
S03.天馈系统将数据上变频至Ku波段并作滤波处理，同时通过功放放大信号，最后数据通过天线发送至广播卫星，至此完成整个前向链路的数据分发；
返向链路的处理流程和前向链路完全相同，主控站只负责接收和处理来自双向站的业务信息；
北斗发送链路数据处理流程如下：
S11.系统管理控制平台通过应用软件向单收站/双向站发送北斗短报文；
S12.IDU设备进行IP包解析，提取出短报文内容，然后将短报文通过RS232串口发送至北斗指挥机；
S13.北斗指挥机经过一系列处理后，最终将短报文调制为L波段信号并发送至北斗天线；
S14.北斗天线经过功率放大后将信号发射至北斗卫星，至此完成北斗前向链路的信息推送；
2)单收站数据处理方法：
接收业务数据处理流程如下；
S21.天馈系统经LNB下变频处理后将Ku频段变换至L频段，并作滤波处理；
S22.L频段的信号经馈线送至IDU设备，完成信号的解调处理、LDPC译码和解封装，最终得到IP 包数据；
S23.系统管理控制平台对IP包数据进行解析和整合，生成原始数据文件；
S24.对接收到的广播内容进行初步的识别、分类、统计和过滤后，输出给后端数据处理设备；
S25.对接收到的广播内容及时保存和删除，维护磁盘空间，保证服务器稳定运行；
北斗发送链路数据处理流程和地面主控站完全相同，其接收链路处理流程如下：
S31.北斗用户机接收到主站或者小站发送的北斗信号，经过一系列处理后解析出北斗短报文；
S32.北斗用户机通过RS232串口将短报文信息发送至IDU设备；
S33.IDU设备进行协议解析，提取出短报文内容，并封装成IP包发送至系统管理控制平台的应用软件；
S34.应用软件对IP包进行解析，提取出短消息、设备状态、业务状态、定位申请等相关信息并显示，至此完成北斗前向链路的信息解析；
3)双向站数据处理流程，其接收数据处理流程和单收站完全相同，发送业务处理流程如下所示：
S41.将服务器连接到互联网，通过系统管理控制平台的FTP服务器接收用户数据信息，经过加工处理后进行存储；
S42.用户通过应用软件将经加工后的数据以IP包的形式发送至IDU设备，设备按照自定义的超帧结构进行数据封装、LDPC前向纠错编码、加扰、星座映射和成型滤波，最后上变频至L波段；
S43.天馈系统将数据上变频至Ku波段并作滤波处理，同时通过功放放大信号，最后数据通过天线发送至广播卫星。
作为本方案的进一步改进，所述的地面主控站数据处理方法还包括北斗返向链路，所述北斗返向链路处理流程与北斗前向链路流程相同。
作为本方案的进一步改进，所述的前向广播链路采用A-TDM前向广播体制。
基于宽带卫星通信的数据传输技术平台研发前向采用A-TDM前向广播体制，实现了广域、高效的信息广播分发能力、安全授权机制，实现海洋遥感数据有条件的接收。双向和单收站返向采用快速、灵活和易于扩展的北斗回传机制，使得系统效率更高、应用更广。
除此之外，为了提高通信系统的系统还做了以下技术改进：
1)超帧结构设计
根据系统要求，所设计的超帧结构应能够快速且准确地完成帧同步，尽量降低帧同步错误概率，在硬件实现时希望有较低的运算和实现复杂度，帧同步是信道解调的前提，通过对系统的分析，要求解调器能工作在最低至-1.5dB的信噪比和20％的归一化频偏条件下。因此合理设计选择超帧长度、超帧同步头长度和定时同步序列等设计均是超帧结构设计中的关键点。通过多结构、多算法的仿真，合理选择超帧长度、超帧同步头长度和定时同步序列，并通过实现验证进行适时优化可以合理解决此关键技术，下面具体描述系统采用的超帧结构。
系统的物理层帧结构的基本单元为超帧，超帧由超帧头和超帧体构成，超帧头由定时同步字段 SYN0、载波同步字段SNYN1、超帧模式字段MODE和保留字段RES组成，超帧体由9个数据子帧组成。超帧组成结构图如图2所示：
超帧各组成部分的长度如下表所示：
超帧组成参数表表
1)定时同步字段SYN0
超帧采用的定时同步字段是一个长度为63的m序列M0，M0按照下式生成。
定时同步字置于超帧的首部，i为序列M0 中对应的字节位置，i＝0为序列首部，对应超帧头起始，定时同步字段采用BPSK的调制方式。
2)载波同步字段SYN1
载波同步字段位于定时同步字之后，长度为365个全‘0’的BPSK符号。载波同步字段采用M1 序列进行加扰。M1为加扰序列，在载波同步字段符号的开始M1序列复位为初相位。
3)模式字段MODE
超帧模式字段MODE置于载波同步字段符号之后，采用BPSK的调制方式。模式字段是长度为64 的Walsh码，代表6位信息bit，6位信息bit与64位Walsh码的对应关系见下表。
比特信息与Walsh码对应关系表
| 超帧号 | b5…b0 | Walsh码(16进制) | 超帧号 | b5…b0 | Walsh码(16进制) |
| 0 | 000000 | 0000000000000000 | 32 | 100000 | 00000000FFFFFFFF |
| 1 | 000001 | 5555555555555555 | 33 | 100001 | 55555555AAAAAAAA |
| 2 | 000010 | 3333333333333333 | 34 | 100010 | 33333333CCCCCCCC |
| 3 | 000011 | 6666666666666666 | 35 | 100011 | 6666666699999999 |
| 4 | 000100 | 0F0F0F0F0F0F0F0F | 36 | 100100 | 0F0F0F0FF0F0F0F0 |
| 5 | 000101 | 5A5A5A5A5A5A5A5A | 37 | 100101 | 5A5A5A5AA5A5A5A5 |
| 6 | 000110 | 3C3C3C3C3C3C3C3C | 38 | 100110 | 3C3C3C3CC3C3C3C3 |
| 7 | 000111 | 6969696969696969 | 39 | 100111 | 6969696996969696 |
| 8 | 001000 | 00FF00FF00FF00FF | 40 | 101000 | 00FF00FFFF00FF00 |
| 9 | 001001 | 55AA55AA55AA55AA | 41 | 101001 | 55AA55AAAA55AA55 |
| 10 | 001010 | 33CC33CC33CC33CC | 42 | 101010 | 33CC33CCCC33CC33 |
| 11 | 001011 | 6699669966996699 | 43 | 101011 | 6699669999669966 |
| 12 | 001100 | 0FF00FF00FF00FF0 | 44 | 101100 | 0FF00FF0F00FF00F |
| 13 | 001101 | 5AA55AA55AA55AA5 | 45 | 101101 | 5AA55AA5A55AA55A |
| 14 | 001110 | 3CC33CC33CC33CC3 | 46 | 101110 | 3CC33CC3C33CC33C |
| 15 | 001111 | 6996699669966996 | 47 | 101111 | 6996699696699669 |
| 16 | 010000 | 0000FFFF0000FFFF | 48 | 110000 | 0000FFFFFFFF0000 |
| 17 | 010001 | 5555AAAA5555AAAA | 49 | 110001 | 5555AAAAAAAA5555 |
| 18 | 010010 | 3333CCCC3333CCCC | 50 | 110010 | 3333CCCCCCCC3333 |
| 19 | 010011 | 6666999966669999 | 51 | 110011 | 6666999999996666 |
| 20 | 010100 | 0F0FF0F00F0FF0F0 | 52 | 110100 | 0F0FF0F0F0F00F0F |
| 21 | 010101 | 5A5AA5A55A5AA5A5 | 53 | 110101 | 5A5AA5A5A5A55A5A |
| 22 | 010110 | 3C3CC3C33C3CC3C3 | 54 | 110110 | 3C3CC3C3C3C33C3C |
| 23 | 010111 | 6969969669699696 | 55 | 110111 | 6969969696966969 |
| 24 | 011000 | 00FFFF0000FFFF00 | 56 | 111000 | 00FFFF00FF0000FF |
| 25 | 011001 | 55AAAA5555AAAA55 | 57 | 111001 | 55AAAA55AA5555AA |
| 26 | 011010 | 33CCCC3333CCCC33 | 58 | 111010 | 33CCCC33CC3333CC |
| 27 | 011011 | 6699996666999966 | 59 | 111011 | 6699996699666699 |
| 28 | 011100 | 0FF0F00F0FF0F00F | 60 | 111100 | 0FF0F00FF00F0FF0 |
| 29 | 011101 | 5AA5A55A5AA5A55A | 61 | 111101 | 5AA5A55AA55A5AA5 |
| 30 | 011110 | 3CC3C33C3CC3C33C | 62 | 111110 | 3CC3C33CC33C3CC3 |
| 31 | 011111 | 6996966969969669 | 63 | 111111 | 6996966996696996 |
信息位b1b0用来指示调制方式，详细定义见下表。
调制方式信息表
| b1b0 | 调制方式 |
| 00 | BPSK |
| 01 | QPSK |
| 10 | 8PSK |
| 11 | 保留 |
信息位b4b3用来指示纠错码的码率，详细定义见下表。
码率信息表
| b4b3 | 码率 |
| 00 | 1/2 |
| 01 | 3/4 |
| 10 | 7/8 |
| 11 | 保留 |
b5、b2保留为以后协议扩展使用。
4)保留字段RES
保留字段位于模式字段之后，长度为20个全‘0’的BPSK符号。
5)超帧数据体
超帧数据体中包含9个数据子帧，数据帧共有36288个符号。数据子帧是构成超帧数据体的基本单元，长度固定为4032个符号。
2)BCH+LDPC码级联编码技术
提供了一种有效的BCH码，该码能纠正8个以内的错误比特数，能很好抑制系统的错误平层。采用并行与流水线实现技术，适应本设备高速率数据传输需求；解决了由于多种超帧模式不同帧长时延而对流水结构造成的困难；采用优化的迦罗华域乘法器结构，较好的解决资源与速度的矛盾问题；在实现中加入有效的验证机制，对于超出纠错能力的情况下不至误码扩散；采用异常恢复，提高了实现的稳健性及鲁棒性。
设计一种较短码长的高性能LDPC码。该码支持三种码率(1/2、3/4、7/8)，码长为4032，其校验矩阵具有循环矩阵的特点，在编译码的实现中能节省硬件资源。基于修正最小和LDPC译码算法，需要支持三种码率(1/2、3/4、7/8)的LDPC译码，且考虑现有硬件资源条件，在方案中采用矩阵共用、交替译码、动态迭代调整等技术(请提供具体的算法)，以较小硬件资源，较好译码性能实现设备的LDPC 高效译码。
图3表示的是LDPC码译码总体结构框图。I、Q表示解调后的两路8比特信息数据，经过软解调模块，实现符号概率信息向比特概率信息的转换；再经过串并转换模块，将一路8比特数据转换成一路448比特数据；然后经过LDPC码译码模块，进行半并行译码，输出一路56比特的译码后数据；最后经过并串转换模块，实现一路56比特数据到一路1比特数据的转换。
软解调模块和LDPC码译码模块是LDPC码成功译码的关键和重点，通过大量的仿真测试数据，确定如下LDPC码译码方案能达到实际系统的误码性能的指标要求：
◆译码器外部采用8比特的量化宽度，译码器内部采用10比特的量化宽度；
◆BPSK迭代次数50次，QPSK/8PSK迭代次数20次；
◆采用修正的最小和译码算法(1/2码率：α＝0.875；其它码率：α＝0.75)：
1)初始化：
γi＝-yi
2)校验节点更新：
3)比特节点更新：
4)尝试译码：
其中，yi表示LDPC码译码器接收到的比特软信息，包括原始信息和信道噪声。
由于BP译码算法需输入编码序列的比特概率信息，所以采用软解调算法。采用软解调时，是逐位进行解调，对于映射符号的第i个比特，分别计算该比特概率信息，即从接收到的符号概率信息计算相关各比特后验概率的对数似然比。
1)基于BPSK\QPSK调制的软解调
当采用BPSK调制时，I＝x0x1x2…xn，Q＝0。比特概率信息γ＝I。
当采用QPSK调制时，I＝x0x1x2…xn，Q＝y0y1y2…yn。比特概率信息γ＝x0y0x1y1x2y2…xnyn。
2)基于8PSK调制的软解调
当采用8PSK调制时，主要有两种软解调算法。图4表示的是系统采用8PSK调制的星座图。假设 I、Q两路数据，则比特信息γ＝b2b1b0。
A基于欧式距离的软解调算法
图5表示的是采用所示调制方式时，欧式距离的表示方法。欧式距离计算式为下式：
其中，rI、rQ分别表示起始点的I、Q轴值，sI、sQ分别表示结束点的I、Q轴值。
比特信息值b0、b1、b2分别为：
b0＝min(d2、d3、d4、d5)-min(d0、d1、d6、d7)
b1＝min(d4、d5、d6、d7)-min(d0、d1、d2、d3)
b2＝min(d0、d3、d4、d7)-min(d1、d2、d5、d6)
为了减小运算复杂度，对
进行JPL近似，有
其中，X＝max(|I|、|Q|)，Y＝min(|I|、|Q|)。
B基于象限的软解调算法
将系统采用的8PSK调制的星座图向右旋转不/8，即可得到基于象限的8PSK调制星座图，如图6 所示。
基于象限的软解调方法，就是根据下表所示的方法完成符号软信息到比特软信息的转换。其中，rI、rQ表示接收到的I、Q两路软信息，分别对应星座映射后的比特b1和b0，r表示星座映射后的比特b2对应的软信息。
符号软信息到比特软信息转换表
| 象限 | I | II | III | IV |
| r值(b<sub>2</sub>) | r<sub>1</sub>-r<sub>Q</sub> | -r<sub>1</sub>-r<sub>Q</sub> | r<sub>Q</sub>-r<sub>1</sub> | r<sub>1</sub>+r<sub>Q</sub> |
通过上面分析，基于象限的软解调算法与基于欧式距离的软解调算法相比，尽管它有0.01dB的性能损失，但它的实现复杂度很低，更易于FPGA的实现，且对LDPC码译码性能的影响很小，符合本方案设计要求。
3)高性能、低功耗、小型化中频处理技术
本实施例中结合基带和中频，从整机设计角度出发，移除部分由中频硬件完成的功能交由基带进行处理，将接收频点的小步进覆盖由基带DDS完成，实现中频模块的小型化，同时采用高幅相一致性的LC滤波器，降低产品功耗。
环路监测设备中，中频信道采用变频滤波结构并辅以适当的电平分配，实现信号带外抗干扰，设计中多采用差分信号，降低了信道对偶模信号的失真。采用群延时补偿技术优化了信号的群延时特性，进一步降低信道对信号的失真从而提高中频模块的性能。
4)千兆网设计技术
前向广播调制设备与网关服务之间采用100Mbps/1000Mbps自适应以太网数据接口连接。前向广播调制设备采用高性能DSP完成100Mbps/1000Mbps自适应的TCP/IP协议技术。
环路监测设备采用FPGA内部三态MAC硬核+外接千兆PHY的架构，充分利用FPGA片内外资源，稳定可靠实现了用户数据在千兆速度下的传输。FPGA实现用户数据的ARP请求和UDP组包发送功能，和传统的软件发包相比，具有更高的数据吞吐能力以及实时响应能力。数据传输速度可通过电脑设备管理器和上位机控制软件进行设置，并且均支持100Mbps、1000Mbps和自动侦测三种模式。
5)低信噪比大频偏快速同步技术
为保证环路监测设备接收性能，需要对每超帧进行超帧捕获及同步过程。由于每超帧内数据帧的调制方式、扩频方式、FEC等均存在差别，在超帧间数据帧参数也各不相同，因此接收时的帧同步性能至关重要。采用两级并行SYN0捕获、基于SYN0的chip同步与载波同步、变参数解扩跟踪等技术，实现高性能的帧同步，保证最终接收性能。帧同步是信道解调的前提，系统采用4-DGPDI算法和窗搜索峰值检测算法联合实现帧同步，载波同步采用Kay算法实现开环的载波频率估计，采用最大似然算法估计载波相位。考虑到载波频率估计和相位估计不可能绝对准确，故后端采用二阶数字锁相环跟踪载波。接收终端为了能够正确跟踪和接收卫星数据，需要在本地产生与卫星钟同步的系统时钟。受接收终端晶振稳定度、卫星晶振稳定度、卫星摄动、卫星传输信道不稳定等因素影响，接收终端系统时钟与卫星时钟总是不同步的，需要接收终端实时获取本地时钟与卫星时钟误差，并调整本地时钟，保持对卫星时钟的跟踪状态，因而引入插值滤波和符号同步。图7展示了接收信号的解调框图，大频偏快速同步技术所用到的子模块包括频率相位同步、帧同步、载波同步、插值滤波和符号同步。
6)双机热备份技术
双机热备份(HotStandby)是一种软硬件相结合的高可靠性应用方案。双机热备份系统由两台独立的服务器以及相应的控制软件构成，两台服务器在网络中表现为单一的系统，对外表现为一个独立的网络IP，实现两台服务器之间的热备份，从而对外提供稳定可靠的服务。
双机热备份系统由相应的应用软件进行控制，操作系统和应用程序安装在两台服务器的系统盘上。每一台服务器分配一个固定的IP地址，此外还指定了一个独立IP地址作为集群IP(clusterIP)，该IP是双机系统对外提供服务的接口。两台服务器一台成为主节点(PrimaryServer)，另一台成为从节点(StandbyServer)，主节点与从节点之间保持固定时间间隔的心跳信号，通过心跳信号实现两个对等系统之间的周期性的握手，从而能够监视对方的运行状态，进行主机及网络的故障检测。
在系统正常情况下，主节点占用系统资源并运行所有的服务，为信息系统提供支持，从节点通过心跳信号监视主节点的运行情况。一旦主节点发生故障(如主机故障，网络故障，软件故障等)，从节点就会自动接管(TakeOver)主节点的资源和服务，继续支持信息的运营，从而保证整个双机系统能够不间断的运行(Non-Stop)。
7)中间件技术
作为软件的灵魂，架构的灵活性就显得尤其重要。发布应用程序和网络管理控制台都是作为一个用户直接操作的人机界面。为了使界面的显示和后台数据的分离，减少两个软件模块之间的耦合性；实现前后台之间的数据交换，保证了软件架构的灵活性，方便以后的扩展，本发明采用中间件技术实现发布应用程序和网络管理控制台与播控服务器之间数据交互。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.海洋卫星数据广播系统，其特征在于包括：
地面主控站：作为整个数据广播系统的通信核心，实现对前向发布信息的汇集、接入、处理、发布和返向信息的收集处理；在对卫星广播链路的统一管理调度下、以及传输链路上的有条件接收控制下，通过卫星前向广播链路向各远端站广播有条件加密信息；
双向站：通过通信卫星可和主控站进行双向业务交互，同时通过北斗卫星实现基于北斗短报文的返向信息回传，同时回传的信息也将统一汇接到主控站进行存储和处理；通过北斗指挥机接收各用户站的信息检索请求或回传信息，并转发到处理服务；
单收站：作为整个系统的通信终端，负责卫星广播信息的接收，同时可接收北斗定位信息及短消息，并通过北斗链路提供信息点播和回传；
所述的单收站配置有北斗收发模块、天线及射频单元、A-TDM解调器、解密单元、主控单元、用户网关、用户接口；单收站通过天线接收单元接收卫星广播信号，经射频单元处理后送基带进行信号的A-TDM解调器解调以及解密处理，然后经用户网关和用户接口送入主控单元，由主控单元对前向发布信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理；单收站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息；
所述的天线接收单元包括单收的船载站天线、地面固定站天线、车载站天线；
所述的单收站通过北斗短信息传输通道向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息过程中，首先是用户通过主控单元输入点播或查询的信息请求，经北斗收发模块的信息处理单元、天线模块发送至北斗卫星，系统对上传信息请求进行认证请求后，向相应终端单播或组播所查询或请求的数据，实现返向信息请求、查询；
所述北斗收发模块包括北斗天线模块、北斗模块和信息处理模块，所述北斗模块通过北斗天线模块与射频单元通信并通过信息处理模块与主控单元连接；
北斗系统：提供数据信息传输前返向链路，实现与地面主控站、双向站以及单收站之间的数据通信；
信息应用系统：作为整个系统的信息应用端，负责将远端站收到的卫星广播数据还原成用户可使用的信息、反馈信息汇总处理、各业务分系统接入及终端信息管理；
所述系统采用超帧结构设计，系统的物理层帧结构的基本单元为超帧，超帧由超帧头和超帧体构成，超帧头由定时同步字段SYN0、载波同步字段SYN1、超帧模式字段MODE和保留字段RES组成，超帧数据体由9个数据子帧组成；
其中，1)定时同步字段SYN0：
超帧采用的定时同步字段是一个长度为63的m序列M0，M0按照下式生成：
定时同步字置于超帧的首部，i为序列 M0 中对应的字节位置，i＝0为序列首部，对应超帧头起始，定时同步字段采用BPSK的调制方式；
2)载波同步字段SYN1：
载波同步字段位于定时同步字之后，长度为365个‘0’的BPSK符号。载波同步字段采用M1序列进行加扰，M1为加扰序列，在载波同步字段符号的开始M1序列复位为初相位；
3)超帧模式字段MODE置于载波同步字段符号之后，采用BPSK的调制方式，模式字段是长度为64的Wlash码，彩标6为信息bit；
4)保留字段RES：
保留字段位于模式字段之后，长度为20个全‘0’的BPSK符号；
5)超帧数据体：
超帧数据体中包含9个数据子帧，数据帧共有36288个符号，是构成超帧数据体的基本单元，长度固定为4032个符号。
2.根据权利要求1所述的海洋卫星数据广播系统，其特征在于：所述双向站回传的信息也将统一汇接到主控站进行存储和处理；通过北斗系统接收各用户站的信息检索请求或回传信息，并转发到地面主控站的应用软件进行处理，由软件的相应模块对信息检索汇集并分类处理，并向各分系统服务器分发相关用户站请求和反馈信息；地面主控站的数据通过广域因特网或局域网进行接入，可以接入多个数据处理分系统，从而实现支持多层次的信息及用户管理，以及远程管理。
3.根据权利要求1所述的海洋卫星数据广播系统，其特征在于：所述的地面主控站配置有接入设备、网络管理设备、播控服务设备、北斗服务设备、北斗指挥机、存储设备、授权管理设备、中心站密码设备、网关设备、中心站IDU设备、功率放大器和LNB、天线单元和防火墙，所述系统管理控制平台通过互联网获取海洋卫星广播分发数据并发送给中心站IDU设备，之后海洋卫星广播分发数据经由天馈系统发送至广播卫星以及在北斗指挥机的处理下经由天线单元发送至北斗卫星。
4.根据权利要求1所述的海洋卫星数据广播系统，其特征在于：所述的双向站配置有北斗收发模块、天线及射频单元、A-TDM调制/解调器、加/解密单元、主控单元、用户网关、用户接口；双向站通过天线及射频单元收发卫星广播信号并由主控单元对需要收发的数据信息和北斗收发模块送来的北斗信息进行统一控制和管理；通过北斗收发模块向发布中心发送信息点播申请或查询请求，并上传自身的位置信息。
5.海洋卫星数据广播数据处理方法，其特征在于：
1)地面主控站数据处理方法：
主控站前向广播链路的业务处理流程如下：
S01.将服务器连接到互联网，通过系统管理控制平台的FTP服务器接收海洋卫星广播分发数据，采用轮询方式完成数据广播内容的自动推送；
S02.用户通过应用软件将数据以IP包的形式发送至IDU设备，设备将IP包按照自定义的超帧结构进行数据封装、LDPC前向纠错编码、加扰、星座映射和成型滤波，最后上变频至L波段；
S03.天馈系统将数据上变频至Ku波段并作滤波处理，同时通过功放放大信号，最后数据通过天线发送至广播卫星，至此完成整个前向链路的数据分发；
返向链路的处理流程和前向链路完全相同，主控站只负责接收和处理来自双向站的业务信息；
北斗发送链路数据处理流程如下：
S11.系统管理控制平台通过应用软件向单收站/双向站发送北斗短报文；
S12.IDU设备进行IP包解析，提取出短报文内容，然后将短报文通过RS232串口发送至北斗指挥机；
S13.北斗指挥机经过一系列处理后，最终将短报文调制为L波段信号并发送至北斗天线；
S14.北斗天线经过功率放大后将信号发射至北斗卫星，至此完成北斗前向链路的信息推送；
2)单收站数据处理方法：
接收业务数据处理流程如下：
S21.天馈系统经LNB下变频处理后将Ku频段变换至L频段，并作滤波处理；
S22.L频段的信号经馈线送至IDU设备，完成信号的解调处理、LDPC译码和解封装，最终得到IP包数据；
S23.系统管理控制平台对IP包数据进行解析和整合，生成原始数据文件；
S24.对接收到的广播内容进行初步的识别、分类、统计和过滤后，输出给后端数据处理设备；
S25.对接收到的广播内容及时保存和删除，维护磁盘空间，保证服务器稳定运行；
北斗发送链路数据处理流程和地面主控站完全相同，其接收链路处理流程如下：
S31.北斗用户机接收到主站或者小站发送的北斗信号，经过一系列处理后解析出北斗短报文；
S32.北斗用户机通过RS232串口将短报文信息发送至IDU设备；
S33.IDU设备进行协议解析，提取出短报文内容，并封装成IP包发送至系统管理控制平台的应用软件；
S34.应用软件对IP包进行解析，提取出短消息、设备状态、业务状态、定位申请等相关信息并显示，至此完成北斗前向链路的信息解析。
3)双向站北斗收发链路数据处理流程和单收站完全相同，且业务数据处理流程和单收站也完全相同，而业务发送处理流程有所不同，如下所示：
S41.将服务器连接到互联网，通过系统管理控制平台的FTP服务器接收用户数据信息，经过加工处理后进行存储；
S42.用户通过应用软件将经加工后的数据以IP包的形式发送至IDU设备，设备按照自定义的超帧结构进行数据封装、LDPC前向纠错编码、加扰、星座映射和成型滤波，最后上变频至L波段；
S43.天馈系统将数据上变频至Ku波段并作滤波处理，同时通过功放放大信号，最后数据通过天线发送至广播卫星。
6.根据权利要求5所述的海洋卫星数据广播数据处理方法，其特征在于：所述的地面主控站数据处理方法还包括北斗返向链路，所述北斗返向链路处理流程与北斗前向链路流程相同。
7.根据权利要求5所述的海洋卫星数据广播数据处理方法，其特征在于：所述的前向广播链路采用A-TDM前向广播体制。
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