CN109347646A - 基于组播的天地一体化图像通信系统 - Google Patents

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CN109347646A CN201811428834.7A CN201811428834A CN109347646A CN 109347646 A CN109347646 A CN 109347646A CN 201811428834 A CN201811428834 A CN 201811428834A CN 109347646 A CN109347646 A CN 109347646A
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杨宏
王九龙
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Abstract

本发明涉及一种基于组播的天地一体化图像通信系统，包括：器载图像源端、天地高速通信系统、器载图像目标端以及地面图像目标端；所述器载图像源端完成图像的感光、数据采集以及压缩编码并送所述天地高速通信系统进行站内通信和送地面通信；所述天地高速通信系统，用于图像数据IP分组的站内网络通信和图像数据IP分组的天地双向通信；所述天地高速通信系统接收所述器载图像源端发送的高清图像数据IP分组，按网络组播协议经器载局域网送所述器载图像目标端，完成通信协议转换经天地中继通信送所述地面图像目标端接收显示；所述器载图像目标端和所述地面图像目标端通过指定源组播协议，从所述天地高速通信系统管理并接收图像并进行显示。

Description

基于组播的天地一体化图像通信系统
技术领域
本发明涉及航天技术领域，尤其涉及一种基于组播的天地一体化图像通信系统，用于满足地面监视航天器工作状态、载人航天器内航天员天地双向图像通信使用。
背景技术
图像通信系统是载人航天器上的重要组成部分，它负责为地面主/备运管中心图像监视航天器工作状态、航天员与地面进行双向图像通信提供支持。目前，已有载人航天器主要采用点对点图像通信设计，当源端需将数据同时送多用户目标时需建立多个点对点通路并同时送出多路数据，当一个目标端需同时接受多源端数据并能切换显示时同样需建立多个点对点通路。在短期飞行载人航天器中，由于系统本身规模较小，点对点的设计已可满足使用需求，但在大型长期飞行载人航天器中，由于要跨舱段进行图像系统融合、多源端多用户目标同时工作、终端动态变化等特点，传统的点对点设计由于通信效率低、扩展性差已不能满足使用需求，因此，为满足大型长期飞行载人航天器的正常工作，必须设计出一种通信效率高、动态扩展性好、支持多源端多目标同时工作的方案。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种结构简单、通信效率高、动态扩展性好、支持多源端多目标同时工作的天地一体化图像通信系统。
为实现上述发明目的，本发明提供一种基于组播的天地一体化图像通信系统，包括：器载图像源端、天地高速通信系统、器载图像目标端以及地面图像目标端；
所述器载图像源端完成图像的感光、数据采集以及压缩编码并送所述天地高速通信系统进行站内通信和送地面通信；
所述天地高速通信系统，用于图像数据IP分组的站内网络通信和图像数据IP分组的天地双向通信；
所述天地高速通信系统接收所述器载图像源端发送的高清图像数据IP分组，按网络组播协议经器载局域网送所述器载图像目标端，完成通信协议转换经天地中继通信送所述地面图像目标端接收显示；
所述器载图像目标端和所述地面图像目标端通过指定源组播协议，从所述天地高速通信系统管理并接收图像并进行显示。
根据本发明的一个方面，所述器载图像源端包括光学系统、图像采集模块、图像预处理模块、图像压缩编码模块以及以太网通信接口模块；
所述光学系统进行光线采集并将采集到的光线送所述图像采集模块的CMOS图像传感器；
所述图像预处理模块用于对图像数据进行预处理，并对所述CMOS图像传感器参数的配置进行管理；
所述图像压缩编码模块接收并完成对高清数字视频流的接收和H.264压缩编码，并送所述以太网接口模块按RTP/UDP/IP网络流媒体传输协议进行通信。
根据本发明的一个方面，所述图像数据IP分组的站内网络通信通过标准以太网通信协议和IGMP组管理协议实现，所述图像数据IP分组的天地双向通信由器载高速通信处理器、中继终端和地面中继数据处理单元通过IP Over CCSDS协议实现。
根据本发明的一个方面，所述图像采集模块由CMOS图像传感器及其外围电路组成。
根据本发明的一个方面，所述图像预处理模块由FPGA及其外围电路组成。
根据本发明的一个方面，所述图像压缩编码模块由DSP及其外围电路组成。
根据本发明的一个方面，所述器载图像目标端由多台能够实现图像数据的接收、解码和显示的智能显示器组成。
根据本发明的一个方面，所述地面图像目标端由多台解码器和显示终端组成。
根据本发明的一个方案，图像数据的网络化传输，采用标准的RTP/UDP/IP实时流媒体数据通信协议，图像源端和目的端的数量、图像编码格式均与传输链路解耦，系统扩展性好。天地双向图像通信均采用IP Over CCSDS帧协议方式传输，系统兼容性好。采用组播技术，图像源端无需对每个目标用户都发送一份数据的拷贝，简化源端设计，节省器载网络带宽，减轻网络负载，从而更加有效地利用了网络的带宽资源。采用组播技术，节省了天地通信带宽，提高天地链路的利用率，简化地面对下行数据的容灾备份处理策略。采用指定源组播技术，由数字切换代替电路切换，图像显示的动态切换简单、使用灵活性高。
附图说明
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于组播的天地一体化图像通信系统的结构组成框图；
图2示意性表示基于组播的单路H.264高清图像送多目标端的典型信息流图；
图3示意性表示IP Over CCSDS帧协议处理的基本流程图；
图4示意性表示基于指定源组播的图像动态切换信息流图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
图1示意性表示根据本发明的一种实施方式的基于组播的天地一体化图像通信系统的结构组成框图。如图1所示，根据本发明的基于组播的天地一体化图像通信系统包括器载图像源端1、天地高速通信系统2、器载图像目标端3以及地面图像目标端4。
在本实施方式中，器载图像源端1完成图像的感光、数据采集以及压缩编码并送天地高速通信系统2进行站内通信和送地面通信；天地高速通信系统2，用于图像数据IP分组的站内网络通信和图像数据IP分组的天地双向通信；天地高速通信系统2接收器载图像源端1发送的高清图像数据IP分组，按网络组播协议经器载局域网送器载图像目标端4，完成通信协议转换经天地中继通信送地面图像目标端4接收显示；器载图像目标端3和地面图像目标端4通过指定源组播协议，从天地高速通信系统2管理并接收图像并进行显示。
根据本发明的一种实施方式，如图1所示，器载图像源端1由分布于载人航天器舱内/外的摄像机组成，每台摄像机均采用统一的数据处理架构设计，主要由光学系统、图像采集模块、图像预处理模块、图像压缩编码模块、以太网通信接口模块组成。
在本实施方式中，光学系统对光线进行采集，将视场内物体成像于图像采集模块中的CMOS传感器靶面，图像预处理模块控制CMOS图像传感器并对图像原始数据进行预处理，图像压缩编码模块对图像数据进行获取、采集并压缩后打包通过以太网接口输出。
其中，图像采集模块由CMOS图像传感器及其外围电路组成，为满足使用需求，选用低功耗、高灵敏度、低噪声、高动态范围的CMOS器件。图像预处理模块由FPGA及外围电路组成，通过SPI总线配置图像传感器的相关寄存器，实现自动曝光等图像预处理功能，以达到在不同环境光照下图像质量相对稳定的效果，通过图像预处理后的数据可直接输出为高清数字视频流，送图像压缩编码模块进行视频压缩。
图像压缩编码模块主要由DSP及外围电路组成，由DSP将预处理后的数据进行压缩编码，编码方式选择H.264，H.264算法可以分为两层，视频编码层(VCL，Video CodingLayer)负责高效的数字视频数据压缩，网络提取层(NAL，Network Abstraction Layer)负责以网络所要求的恰当的方式对数据进行打包和传送，采用RTP/UDP/IP实时流媒体数据通信协议。
以太网通信接口模块负责接收H.264压缩编码后形成的视频网络数据包，经以太网接口严格按照IEEE802.3标准以太网帧结构输出，为满足组播通信要求，图像数据IP分组目的地址采用组播地址。
天地高速通信系统2主要实现两个功能：图像数据IP分组的站内网络通信和天地双向通信。
图像数据IP分组的站内网络通信主要由接入交换机和顶层交换机通过标准以太网通信协议和IGMP组管理协议实现，完成器载图像源端1或地面图像目标端4产生的图像数据在航天器内部局域网的交换、路由和组播通信。
图2示意性表示基于组播的单路H.264高清图像送多目标端的典型信息流图。如图2所示，采用IGMP组播协议，舱内摄像机仅送出1份图像数据IP分组，分组的组播复制有3处：1处是图像数据站内网络通信和天地双向通信的交叉处(顶层交换机)、1处是地面网络送多目标终端的交叉处(地面交换机)、另一处是站内网络通信送多目标终端的交叉处(接入交换机)，通过组播协议使得网络中传送的分组数最少。
图像数据IP分组的天地双向通信主要由器载高速通信处理器和中继终端、地面中继数据处理单元通过IP Over CCSDS协议实现，完成器载图像源端1或地面图像目标端4产生的图像数据IP分组在航天器和地面之间的双向无线通信。
图3示意性表示IP Over CCSDS帧协议处理的基本流程图。如图3所示，站上送地面的图像数据IP分组经高速通信处理器完成组帧，将IP数据分组附加CCSDS互联网协议扩展(IPE)导头字段、作为数据域构成CCSDS封装包、然后通过AOS包业务将CCSDS封装包承载在AOS传送帧数据域内，组帧后送中继终端送地面下行，地面中继数据处理单元接收后进行译码解码，并送地面图像目标端显示；地面上行图像数据流程相同。
在本实施方式中，器载图像目标端3由支持航天员监视的多台智能显示器组成，每台智能显示器功能相同，主要完成图像数据的接收、解码和显示。图像数据的接收通过百兆以太网接口实现，采用指定源组播协议；图像数据的解码通过DSP芯片实现，将接收到的H.264高清图像数据解码后送至显示模块显示。指定源组播协议通过IGMP报文从组播组控制需接收的图像，实现接收图像的动态切换。
图4示意性表示基于指定源组播的图像动态切换信息流图。如图4所示，不同终端发送的图像数据IP分组送至同一组播IP地址，智能显示器(图像目标端)通过IGMP V3指定源组播协议报文，管理接收(Include)或不接收(Exclude)来至某源IP地址的图像数据，实现图像显示的动态切换管理。
地面图像目标端4由分布于主/备运管中心的多台解码器和显示终端组成，功能与器载图像目标端相同，送地面显示图像的动态切换管理同样采用指定源组播协议，不同的是为提高切换的效率，由地面发送指令，站上顶层交换机接收指令后转化为组播管理协议实现。
根据本发明的基于组播的天地一体化图像通信系统，图像数据的网络化传输，采用标准的RTP/UDP/IP实时流媒体数据通信协议，图像源端和目的端的数量、图像编码格式均与传输链路解耦，系统扩展性好。天地双向图像通信均采用IP Over CCSDS帧协议方式传输，系统兼容性好。采用组播技术，图像源端无需对每个目标用户都发送一份数据的拷贝，简化源端设计，节省器载网络带宽，减轻网络负载，从而更加有效地利用了网络的带宽资源。采用组播技术，节省了天地通信带宽，提高天地链路的利用率，简化地面对下行数据的容灾备份处理策略。采用指定源组播技术，由数字切换代替电路切换，图像显示的动态切换简单、使用灵活性高。
上述内容仅为本发明的具体方案的例子，对于其中未详尽描述的设备和结构，应当理解为采取本领域已有的通用设备及通用方法来予以实施。
以上所述仅为本发明的一个方案而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，包括：器载图像源端(1)、天地高速通信系统(2)、器载图像目标端(3)以及地面图像目标端(4)；
所述器载图像源端(1)完成图像的感光、数据采集以及压缩编码并送所述天地高速通信系统(2)进行站内通信和送地面通信；
所述天地高速通信系统(2)，用于图像数据IP分组的站内网络通信和图像数据IP分组的天地双向通信；
所述天地高速通信系统(2)接收所述器载图像源端(1)发送的高清图像数据IP分组，按网络组播协议经器载局域网送所述器载图像目标端(4)，完成通信协议转换经天地中继通信送所述地面图像目标端(4)接收显示；
所述器载图像目标端(3)和所述地面图像目标端(4)通过指定源组播协议，从所述天地高速通信系统(2)管理并接收图像并进行显示。
2.根据权利要求1所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述器载图像源端(1)由分布于航天器舱内/外的多个摄像机组成，所述摄像机由光学系统、图像采集模块、图像预处理模块、图像压缩编码模块以及以太网通信接口模块组成；
所述光学系统进行光线采集并将采集到的光线送所述图像采集模块的CMOS图像传感器；
所述图像预处理模块用于对图像数据进行预处理，并对所述CMOS图像传感器参数的配置进行管理；
所述图像压缩编码模块接收并完成对高清数字视频流的接收和H.264压缩编码，并送所述以太网接口模块按RTP/UDP/IP网络流媒体传输协议进行通信。
3.根据权利要求1或2所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述图像数据IP分组的站内网络通信通过标准以太网通信协议和IGMP组管理协议实现，所述图像数据IP分组的天地双向通信由器载高速通信处理器、中继终端和地面中继数据处理单元通过IP Over CCSDS协议实现。
4.根据权利要求2所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述图像采集模块由CMOS图像传感器及其外围电路组成。
5.根据权利要求2所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述图像预处理模块由FPGA及其外围电路组成。
6.根据权利要求2所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述图像压缩编码模块由DSP及其外围电路组成。
7.根据权利要求1或2所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述器载图像目标端(3)由多台能够实现图像数据的接收、解码和显示的智能显示器组成。
8.根据权利要求1或2所述的基于组播的天地一体化图像通信系统，其特征在于，所述地面图像目标端(4)由多台解码器和显示终端组成。
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