CN109981162B - 适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，包括：数据处理模块，用于从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据，对载荷科学观测数据进行数据复接、格式编排和信道编码处理，得到处理后的科学数据；数据存储模块，用于对处理后的科学数据按照分区策略进行存储和回放；射频通道模块，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；以及，通过控制波导开关的闭合，选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去。本发明实现了用于惯性空间观测的科学试验卫星不中断观测情况下，以任意对地姿态完成数据传输；同时，提高了系统效率、简化了系统组成，提高了系统能力、降低了成本。

Description

适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统

技术领域

本发明属于数据处理与传输技术领域，尤其涉及一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统。

背景技术

数据处理与传输系统就是装载在空间飞行器上，实现对各种遥感数据、电子侦察数据、科学实验数据的压缩、CCSDS数据复接、加密和存储、调制、通过天线对地面接收站和中继卫星进行数据传输的系统。

星载数据处理与传输系统在功能上一般分成数据处理存储和射频通道两部分。数据处理存储部分要完成多种载荷数据的接收、格式编排和存储、数据回放等功能。射频通道部分，主要完成回放数据的射频调制、放大和下传等功能。数据处理存储部分实时接收遥感器输出数据进行数据压缩，压缩后数据经数据处理器完成数据格式编排形成基带数据，基带信号或存储在记录回放设备中或通过射频通道直接下传。射频通道部分，数传天线保证传输过程中对地面站的增益覆盖是数传系统设计的一个关键环节。对一般的三轴对地定向姿态卫星，通常使用地球匹配赋型波束或可动点波束天线实现对地面站的增益覆盖。地球匹配赋型波束天线虽然在三轴对地定向卫星上可以很好的实现增益覆盖，提高功率利用率。但在非对地定向姿态卫星中则不能使用。而可移动点波束天线由于天线增益高，主要用于高速数传系统中，由于采用机械转动机构，存在成本高、可靠性低，同时机械转动会对卫星的姿态稳定度带来影响。

空间天文卫星的观测对象通常是宇宙中遥远的天体目标，其姿态模式通常是惯性空间定向、对日定向、慢旋巡天等，基本不采用对地定向姿态。而且天文卫星观测的大部分为遥远的天体，对卫星的姿态稳定度要求较高。基于上面因素考虑采用地球匹配赋型波束天线不能满足要求，而机械转动点波束天线由于成本、可靠性和姿态扰动的原因也不适用与天文卫星。

数据处理与存储方面，以往的数传系统通常为短时工作载荷提供数据下传，载荷数据产生的速率(或者数据压缩后)与数传下传的速率相近，因此数据处理环节与回放环节的要求相近，且往往采用在轨短期工作模式。

空间天文卫星通常具有多种科学载荷，在轨采用长期工作模式，各载荷数据率各不相同，且出现机遇观测目标(暴发源等)时，部分载荷的数据量将会呈现数倍的增加，这些都对数传系统的优化设计提出了更高的要求。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，实现了用于惯性空间观测的科学试验卫星不中断观测情况下，以任意对地姿态完成数据传输；同时，提高了系统效率、简化了系统组成，提高了系统能力、降低了成本。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，包括：

数据处理模块，用于从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据，对载荷科学观测数据进行数据复接、格式编排和信道编码处理，得到处理后的科学数据；

数据存储模块，用于对处理后的科学数据按照分区策略进行存储和回放；

射频通道模块，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；以及，通过控制波导开关的闭合，选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，数据处理模块，包括：

AOS编码单元，用于对从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据进行缓存和串并转换，通过分时对多路输入的载荷科学观测数据进行AOS格式编排，得到AOS格式编排后的数据；

信道编码单元，用于将AOS格式编排后的数据进行信道编码和加扰处理，得到处理后的科学数据；

数字开关单元，用于协调所述处理后的科学数据在射频通道模块和数据存储模块之间的选择与切换。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，数字开关单元，用于将所有实时产生的处理后的科学数据发送至数据存储模块中进行存储；其中，当无存储数据回放需求时，在实时产生的处理后的科学数据的间隙填充空帧，并发送至射频通道模块；当数据存储模块向数据处理模块回放数据时，停止发送空帧，接收数据存储模块的回放数据并将所述数据存储模块的回放数据转发给射频通道模块。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，在对各载荷科学观测数据进行AOS格式编排时，根据各载荷科学观测数据的来源，将各载荷科学观测数据分别编入对应的虚拟信道。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，数据存储模块，包括：

控制单元，用于完成数据输入和输出交叉备份、整机SRAM型FPGA的配置及刷新控制和地址空间管理，以及，采用三模冗余和定时刷新策略，使固存具备长期加电工作条件下的抗单粒子翻转能力；

存储单元，用于记录和回放数据缓存、记录输入数据识别，完成RS纠错编译码、数据交错和解交错控制、FLASH芯片的编程、回放和擦除控制、自检、以及存储空间逻辑地址与物理地址转换。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，射频通道模块，包括：

调制放大单元，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；

全空间覆盖天线单元，用于采用双半球波束天线组阵切换方式实现卫星在任意姿态下数据传输射频链路的全时段可用，通过天线波束优化、天线与卫星布局一体化设计，减小星体对天线主瓣辐射特性的影响，实现半空间天线净增益不小于-3dBi，且双半球波束天线各覆盖半空间，通过波导开关的切换实现全空间的波束覆盖；

波导开关，用于选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，还包括：

管理控制模块，用于接收地面指令，根据地面指令对数据处理模块和射频通道模块的状态进行管理和控制。

在上述适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统中，管理控制模块，包括：

通用管理单元，用于接收地面指令，对数据处理模块、数据存储模块和射频通道模块的状态进行管理和控制；

天线自主切换控制单元，用于通过引入卫星姿态预计，实现星上天线自主切换。

本发明具有以下优点：

(1)本发明提供了一种适用于多载荷、中低数据量、惯性空间指向卫星的数据处理与传输系统，该系统实现了用于惯性空间观测的科学试验卫星不中断观测情况下，以任意对地姿态完成数据传输；同时，提高了系统效率，简化了系统组成，提高了系统能力、降低了成本。

(2)本发明实现了空间科学卫星在任意对地姿态下的可靠数传，适应多载荷长期中低数据量和突发大数据量需求、兼顾了长期管理的操作便利性和系统的数据下传能力，优化了数据存储与传输系统配置。

(3)本发明采用双半球波束天线组阵切换方式，实现了数传系统全姿态可用(全空间任意姿态数传)；通过天线切换，实现了数传过程中不需中断载荷观测(不中断载荷观测)；采用固定波束天线，相对反射面点波束天线和相控阵天线，大幅降低了成本，提高了系统可靠性；采用数据在产生时完成格式编排并存储的工作模式，下传时不做处理，有效降低数据处理部分硬件成本；无机械转动天线，对科学整星的高稳定度姿态控制有利，姿态干扰小；星上自主进行天线切换，降低地面管理复杂度，提高数据回放效率，地面管理简单；数据回放灵活高效：通过载荷数据分区存储，支持按分区、时间、地址等多种灵活便捷的回放方式，适应长期中低数据量和突发大数据量的特殊需求。

附图说明

图1是本发明实施例中一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统的结构框图；

图2是本发明实施例中一种数据处理存储回放数据流向图；

图3是本发明实施例中一种天线切换实现原理图。

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，下面将结合附图对本发明公开的实施方式作进一步详细描述。

本发明实现了空间科学卫星在任意对地姿态下的可靠数传，适应多载荷长期中低数据量和突发大数据量需求、兼顾了长期管理的操作便利性和系统的数据下传能力，优化了数据存储与传输系统配置。

参照图1，示出了本发明实施例中一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统的结构框图，在本实施例中，该适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，包括：

数据处理模块101，用于从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据，对载荷科学观测数据进行数据复接、格式编排和信道编码处理，得到处理后的科学数据。

在本实施例中，数据处理模块101具体可以包括：AOS编码单元，用于对从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据进行缓存和串并转换，通过分时对多路输入的各载荷科学观测数据进行AOS格式编排，得到AOS格式编排后的数据；信道编码单元，用于将AOS格式编排后的数据进行信道编码和加扰处理，得到处理后的科学数据；数字开关单元，用于协调所述处理后的科学数据在射频通道模块和数据存储模块之间的选择与切换。

优选的，数字开关单元，用于将所有实时产生的处理后的科学数据发送至数据存储模块中进行存储；其中，当无存储数据回放需求时，在实时产生的处理后的科学数据的间隙填充空帧，并发送至射频通道模块；当数据存储模块向数据处理模块回放数据时，停止发送空帧，接收数据存储模块的回放数据并将所述数据存储模块的回放数据转发给射频通道模块。在本实施例中，针对卫星载荷记录数据率低、回放数据率高的特点，将数据处理工作在安排在载荷数据产生时完成并送存储，下传时不做任何处理，从而大幅降低数据回放时高数据率数据的处理压力。

优选的，在对各载荷科学观测数据进行AOS格式编排时，根据各载荷科学观测数据的来源，将各载荷科学观测数据分别编入对应的虚拟信道。

数据存储模块102，用于对处理后的科学数据按照分区策略进行存储和回放。

在本实施例中，数据存储模块102具体可以包括：控制单元，用于完成数据输入和输出交叉备份、整机SRAM型FPGA的配置及刷新控制和地址空间管理，以及，采用三模冗余和定时刷新策略，使固存具备长期加电工作条件下的抗单粒子翻转能力；存储单元，用于记录和回放数据缓存、记录输入数据识别，完成RS纠错编译码、数据交错和解交错控制、FLASH芯片的编程、回放和擦除控制、自检、以及存储空间逻辑地址与物理地址转换。

在本实施例中，对于来自多种不同载荷的数据进行分区存储，支持全盘所有分区顺序回放、单个分区回放、按时间点播回放、按地址点播回放等多种回放方式。存储器的各分区容量灵活可调，宽幅适应在轨不同载荷的数据量变化。采用了数据交错设计，RS纠错编译码和增加冗余芯片的方式来保证数据的存储可靠性和安全性。

射频通道模块103，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；以及，通过控制波导开关的闭合，选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去。

在本实施例中，射频通道模块103具体可以包括：调制放大单元，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；全空间覆盖天线单元，用于采用双半球波束天线组阵切换方式实现卫星在任意姿态下数据传输射频链路的全时段可用，通过天线波束优化、天线与卫星布局一体化设计，减小星体对天线主瓣辐射特性的影响，实现半空间天线净增益不小于-3dBi，且双半球波束天线各覆盖半空间，通过波导开关的切换实现全空间的波束覆盖；波导开关，用于选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去。

在本实施例中，通过引入卫星姿态预计，实现星上天线自主切换，大幅提高下传时间利用率。星上设计专门天线选择预计算法，只要给出卫星进出相应地面站时间，星上通过引入卫星姿态预计，即可自主完成天线选择、开机时间确定和天线自主切换。

在本发明的一优选实施例中，该适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，还可以包括：

管理控制模块104，用于接收地面指令，根据地面指令对数据处理模块和射频通道模块的状态进行管理和控制。

在本实施例中，管理控制模块104具体可以包括：通用管理单元，用于接收地面指令，对数据处理模块、数据存储模块和射频通道模块的状态进行管理和控制；天线自主切换控制单元，用于通过引入卫星姿态预计，实现星上天线自主切换。

在上述实施例的基础上，结合一个具体实例进行说明。

一、系统组成

某惯性空间定向卫星数据处理与传输系统由数据处理模块、数据存储模块、射频通道模块和管理控制模块。具体的：

数据处理模块

数据处理模块包括：编码单元(AOS编码单元和信道编码单元)和数字开关单元。其中，AOS编码单元提供9路LVDS接口和1路RS422接口，接收和缓存9路载荷数据和1路卫星平台数据，最大的实时总数据率不大于8Mbps。根据载荷来源和数据包头，将有效载荷数据分配到多个虚拟信道，完成各有效载荷数据的AOS编码。编码后的有效载荷数据发送至信道编码单元进行7/8LDPC编码，并完成加扰处理(除同步头)，8bit并行发送给数字开关单元；数字开关单元主要对数据的流向进行控制，将已完成信道编码和加扰的数据同时送大容量存储器和射频通道模块的QPSK调制器。数据码率为60Mbps和120Mbps可选，分为I/Q两路发送。其中，送至射频通道模块的数据将通过填充空帧的方式保证下传数据流的连续。当大容量存储器有回放数据时，停止发送空帧，转而发送存储在存储器中的待回放数据。数字开关单元还提供时钟信号，根据相应指令进行处理速率切换。参照图2，示出了本发明实施例中一种数据处理存储回放数据流向图。

数据存储模块

数据存储模块的功能主要由大容量存储器实现，接收数字开关单元送来的已完成格式编排和编码及加扰的数据，根据虚拟信道标识判别需要存入的分区，并经RS编码和交错处理后存入FLASH中。回放时，根据回放要求不同分区的数据读出，经解交错和译码后并发送给数字开关单元。

射频通道模块

射频通道模块包括：QPSK调制器、2台行波管放大器(行波管放大器A和行波管放大器B)、微波开关(含通道滤波器)、波导开关、2副数传天线(半球波束天线A和半球波束天线B)和高频电缆网等设备。

QPSK调制器完成射频调制功能，采用双机冷备份；行波管放大器两组互为冷备份，完成射频信号的放大。通过微波开关切换实现行放与调制器两台单机的交叉备份。采用2副数传天线，每副天线实现半空间覆盖，通过波导开关选择实际需要使用的天线，并实现天线与行放的交叉备份。数传天线选用双线螺旋天线方案，通过天线布局优化并调整天线的电性能参数控制波束形状，使得离轴90°范围内天线增益不小于-3dBi。

管理控制模块

管理控制模块主要由通用管理单元和星上数管软件的天线自主切换控制单元组成。其中，通用管理单元主要完成数传系统的管理控制至以及与卫星平台的数据交互，并能够将平台工程遥测数据送至编码单元。天线自主切换控制单元根据地面上注的进出数传站时间，接收卫星姿态控制分系统的姿态预报信息，进入地面接收站以前计算出本次过站优选使用的数传天线，并通过设置工作的行波管放大器以及波导开关直通和交叉状态来实现天线选择。

二、系统工作模式

(1)记录与传输工作模式

为满足载荷数据记录与下传的需求，设计三种记录与传输工作模式：

a)单记录工作模式

卫星在数传地面站作用范围外，编码单元、开关单元、大容量存储器、通用管理单元工作，编码单元接收载荷数据、平台数据和整星遥测数据进行AOS格式编排、LDPC编码和加扰后送数字开关单元，分I、Q两路将整帧数据送到大容量存储器进行存储。

b)直传+记录模式

卫星在国内地面站作用范围内，数传设备所有设备处于工作状态，固存不回放数据，只将实时数据下传到地面接收站。同时将直传数据送大容量存储器。

c)直传+回放+记录模式

卫星在国内地面站作用范围内，数传设备所有设备处于工作状态，将实时数据和固存回放数据融合后下传到地面接收站。同时将直传数据送数据记录分系统。

(2)传输速率模式

系统的传输速率应至少设置有高、低两种速率可供选择。高速速率不低于低速速率的2倍。

(3)数传天线切换策略

参照图3，示出了本发明实施例中一种天线切换实现原理图，在本实施例中，数传天线的在轨切换可支持地面控制切换和星上自主切换。星上共安装两付数传天线，天线轴向由安装点指向天线末端，两天线相互平行，轴向方向相反。天线设备本身并无切换功能，主要借助以下两种途径实现天线切换功能：

a)设置波导开关直通/交叉状态；

b)选择不同的行放工作(行放1或行放2)。

考虑在轨行放切换更复杂，优先选用切换波导开关直通/交叉状态实现天线切换：

a)地面控制切换

由地面根据卫星轨道和姿态变化规律计算过地面站时的可用天线，选择可用弧段长的天线，并根据情况确定是否切换天线数传。以时间指令的形式上注到卫星，星上根据上注指令及时间执行。

b)星上自主切换

星上设计专门天线选择预计算法，只要给出进行数据接收的地面站代号和卫星进出该地面站的时间，星上通过引入卫星姿态预计，可自主完成天线选择、开机时间确定和天线自主切换。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，其特征在于，包括：

数据处理模块，用于从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据，对载荷科学观测数据进行数据复接、格式编排和信道编码处理，得到处理后的科学数据；

数据存储模块，用于对处理后的科学数据按照分区策略进行存储和回放；

射频通道模块，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；以及，基于双半球波束天线各覆盖半空间的双半球波束天线组阵切换方式，通过控制波导开关的闭合，选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去；实现了在用于惯性空间观测的科学试验卫星不中断观测的情况下，以任意对地姿态完成数据传输；

其中：

数据处理模块，包括：AOS编码单元，用于对从多种有效载荷数据源接收载荷科学观测数据进行缓存和串并转换，通过分时对多路输入的载荷科学观测数据进行AOS格式编排，得到AOS格式编排后的数据；信道编码单元，用于将AOS格式编排后的数据进行信道编码和加扰处理，得到处理后的科学数据；数字开关单元，用于协调所述处理后的科学数据在射频通道模块和数据存储模块之间的选择与切换，包括：将所有实时产生的处理后的科学数据发送至数据存储模块中进行存储；其中，当无存储数据回放需求时，在实时产生的处理后的科学数据的间隙填充空帧，并发送至射频通道模块；当数据存储模块向数据处理模块回放数据时，停止发送空帧，接收数据存储模块的回放数据并将所述数据存储模块的回放数据转发给射频通道模块；

数据存储模块，包括：控制单元，用于完成数据输入和输出交叉备份、整机SRAM型FPGA的配置及刷新控制和地址空间管理，以及，采用三模冗余和定时刷新策略，使固存具备长期加电工作条件下的抗单粒子翻转能力；存储单元，用于记录和回放数据缓存、记录输入数据识别，完成RS纠错编译码、数据交错和解交错控制、FLASH芯片的编程、回放和擦除控制、自检、以及存储空间逻辑地址与物理地址转换；

射频通道模块，包括：调制放大单元，用于对处理后的科学数据进行射频调制和功率放大处理，得到射频信号；全空间覆盖天线单元，用于采用双半球波束天线组阵切换方式实现卫星在任意姿态下数据传输射频链路的全时段可用，通过天线波束优化、天线与卫星布局一体化设计，减小星体对天线主瓣辐射特性的影响，实现半空间天线净增益不小于-3dBi，且双半球波束天线各覆盖半空间，通过波导开关的切换实现全空间的波束覆盖；波导开关，用于选择指定对地发射天线将射频信号辐射出去。

2.根据权利要求1所述的适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，其特征在于，在对各载荷科学观测数据进行AOS格式编排时，根据各载荷科学观测数据的来源，将各载荷科学观测数据分别编入对应的虚拟信道。

3.根据权利要求1所述的适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，其特征在于，还包括：

管理控制模块，用于接收地面指令，根据地面指令对数据处理模块和射频通道模块的状态进行管理和控制。

4.根据权利要求3所述的适用于惯性空间指向空间天文卫星的数据处理与传输系统，其特征在于，管理控制模块，包括：

通用管理单元，用于接收地面指令，对数据处理模块、数据存储模块和射频通道模块的状态进行管理和控制；

天线自主切换控制单元，用于通过引入卫星姿态预计，实现星上天线自主切换。

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