CN113242407A - 一种星载实时可视化遥测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载实时可视化遥测系统，属于图像数据处理及传输领域。本发明的星载实时可视化遥测系统，采用在轨压缩图像数据，通过测控通道下发的方式，对卫星的星箭分离、太阳翼帆板展开及数传天线展开等健康状态实时监控，助力卫星成功发射；本发明不仅能覆盖卫星的全生命周期，且在发生异常时给出直接定性的结论；本发明采用图像压缩技术，压缩比到达1/87，压缩后的数据在地面解压缩还原，节省了大量星地带宽。
Description
技术领域
本发明属于图像数据处理及传输领域，尤其是一种星载实时可视化遥测系统。
背景技术
针对卫星系统中关重部件(太阳翼帆板、天线等)的健康状态监控，通过分析遥测数据来判定的传统方式不仅效率低，而且在卫星故障时不能给出最直观的定性结论。
美国航空航天局(NASA)和萨里卫星公司提出可视化遥测概念，在火箭上通过商业相机完成火箭状态的监测，但未在卫星上应用；国内神舟七号伴星及“嫦娥二号”卫星上搭载有监视功能的相机，但由于图像数据量大，均是在卫星天线展开后通过数传通道下传至地面测控站。这样既占用有效带宽，又无法监控从地面点火发射至卫星入轨天线展开前这段时间的卫星关重部件健康状态，不具有对卫星全生命周期实时监测的能力。为此，需要一种可视化遥测系统的设计方案，通过测控通道实时监测卫星关重部件的健康状态，且能够以图像的方式给出直观定性的结论，同时覆盖卫星全生命周期。
发明内容
本发明的目的在于克服现有可视化遥测方案数据传输占用带宽且无法监控从地面点火发射至卫星入轨天线展开前的卫星关重部件健康状态的缺点，提供一种星载实时可视化遥测系统。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种星载实时可视化遥测系统，包括控制模块和三个成像模块；
三个成像模块，分别用于拍摄卫星舱外两测太阳翼帆板的展开状态和数传天线的展开状态，并发送对应的动态图像；
所述控制模块包括电源管理模块、前端处理模块、图像压缩和存储模块、通讯模块；
所述电源管理模块用于供电；
所述前端处理模块，用于接收Cameralink图像数据，经解码芯片串并转换后发送给FPGA进行缓存处理；
所述图像压缩和存储模块包括FPGA和ADV212芯片，所述图像压缩和存储模块用于根据设定参数对ADV212芯片进行初始化配置，接收RAW格式原始图像数据，在FPGA内进行数据的缓存、分组处理，将所述图像数据处理成适配ADV212芯片输入数据的格式，采用多片ADV212芯片并行进行数据压缩，待多路数据压缩完成后，进行压缩数据的同步接收，在FPGA中进行压缩数据的缓存，之后将压缩后的图像数据输出；
所述通讯模块，用于接收卫星星务分系统的CAN总线指令，将图像数据按照协议发送到总线上。
进一步的，所述成像模块采用CameraLink接口形式进行数据传输；
Cameralink接口传输4路LVDS控制信号和1路LVDS时钟信号，通过LVDS线路接收器DS90CR288将LVDS时钟信号转换成并行的TTL/CMOS信号，送入FPGA并写入SDRAM中，实现数据的短时存储。
进一步的，所述Cameralink接口的4路LVDS控制信号分别是CC1、CC2、CC3和CC4，通过DS90LV031将4路LVDS控制信号转换为TTL信号送给FPGA；其中，CC1用于对成像模块的相机的触发拍照进行控制，使其工作在外触发模式；
Cameralink接口的串行通信部分的两对差分信号SerTFG和SerTC，通过DS90LV019芯片完成差分对信号和TTL信号之间的转换。
进一步的，所述通讯模块包括两路互为冗余的CAN总线。
进一步的，CAN总线控制器和驱动器分别采用SJA1000T和PCA82C250T。
进一步的，电源管理模块的工作流程为：
输入30V直流母线电源经滤波后，一部分经DC/DC转换为12V直流电后接入MOS管的源极，所述MOS管栅极控制成像模块的相机加断电；
剩余部分经过DC/DC转换为5V直流电后接入LDO，进而转换为3.3V、2.5V、1.8V和1.2V直流电供系统使用。
进一步的，所述图像压缩和储存模块的工作流程为：
步骤1)对ADV212芯片进行初始化，加载预存参数，配置相关寄存器；
步骤2)等待主机命令；
步骤201)若主机命令为0x”22”、0x”33”、0x”44”或0x”55”，则按照对应压缩比更新ADV212的配置寄存器；
步骤211)若主机命令为0x”11”，则控制相机进行拍摄；
步骤212)发送相机控制信号，相机进行拍摄并将图像数据通过Cameralink接口发送；
步骤213)在FPGA内按照时序进行图像数据采集及缓存处理；
步骤2141)若识别到ADV212芯片发出的中断信号，则从缓存中读取图像数据送至ADV212芯片进行压缩并清除所述中断，完成一次图像压缩；
步骤2142)若未识别到ADV212芯片未发出中断信号，则进行等待直到中断产生或超时。
进一步的，2141)之后还包括：
当完成一次图像压缩后，判断识别数据流中是否有JEPG2000的帧尾标志；
若没有JEPG2000的帧尾标志，则当帧图像存在未完成压缩的部分，则返回步骤2141)；
若有帧尾标识则当帧图像压缩完成，结束流程。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的星载实时可视化遥测系统，采用在轨压缩图像数据，通过测控通道下发的方式，对卫星的星箭分离、太阳翼帆板展开及数传天线展开等健康状态实时监控，助力卫星成功发射；本发明不仅能覆盖卫星的全生命周期，且在发生异常时给出直接定性的结论；本发明采用图像压缩技术，压缩比到达1/87，压缩后的数据在地面解压缩还原，节省了大量星地带宽。
附图说明
图1为星载实时可视化遥测系统的框图；
图2为图像压缩系统的架构及数据流向示意图；
图3为CameraLink图像输入及控制接口模块硬件组成框图；
图4为图像压缩和储存模块的工作流程图；
图5为CAN总线框图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1，图1为星载实时可视化遥测系统框图，本发明的星载实时可视化遥测系统，包括三个成像模块和一个控制模块；三个成像模块分别安装在卫星舱外两个太阳翼帆板和数传天线的观测位置，成像模块遵循COTS原则选用商业相机；本控制模块包括电源管理模块、前端处理模块、图像压缩和存储模块、通讯模块。发明采用COTS原则，选用市场上成熟的商业相机进行空间环境适应性加固后作为成像模块，降低了成本，提高了开发速度，同时带来良好的市场效益，对卫星可视化遥测技术的发展具有深远意义。
电源管理模块，用于给成像模块、前端处理模块、图像压缩和存储模块、通讯模块供电；具体的，输入30V直流母线电源经继电器和滤波器后，第一部分经过DC/DC转换为12V直流电后接入MOS管的源极，栅极控制给成像模块的商业相机加断电；另一部分经过DC/DC转换为5V直流电后接入LDO，进而转换为3.3V、2.5V、1.8V和1.2V直流电供系统使用。
前端处理模块，用于接收相机输出Cameralink图像数据，经解码芯片串并转换后接入FPGA进行后续缓存处理。本系统相机接口采用CameraLink接口形式实现数据传输，CameraLink图像输入及控制接口模块硬件组成框图，如图3所示。Cameralink原理传输的4路数据LVDS信号和1路时钟LVDS信号，通过LVDS线路接收器DS90CR288将其转换成并行的TTL/CMOS信号，送入FPGA并写入SDRAM中，实现数据的短时存储；Cameralink接口相机的4路LVDS控制信号，分别是CC1、CC2、CC3和CC4，通过DS90LV031将其转换为TTL信号送给FPGA。本系统通过CC1对相机的触发拍照进行控制，使其工作在外触发模式。Cameralink串行通信部分的2对差分信号SerTFG和SerTC，通过DS90LV019芯片完成差分对信号和TTL信号之间的转换。Cameralink信号定义如表1所示。
表1Cameralink信号定义
图像压缩和存储模块，用于根据设定好压缩比等参数对ADV212芯片进行初始化配置，图像压缩系统通过CameraLink接口接收相机发送的RAW格式原始图像数据，在FPGA内进行数据的缓存、分组处理，将该图像数据处理成适配ADV212输入数据的格式，采用多片ADV212并行进行数据压缩，待多路数据压缩完成后，进行压缩数据的同步接收，在FPGA中进行压缩数据的缓存，然后通过压缩图像输出接口将压缩后的图像数据输出；图像压缩和存储模块由FPGA、图像压缩芯片ADV212、缓存SDRAM以及接口电路四部分组成，参见图2，图2为图像压缩系统的架构及数据流向示意图。
通讯模块包括两路互为冗余的CAN总线，CAN总线控制器和驱动器采用SJA1000T和PCA82C250T。SJA1000T是地址数据总线复用的CAN总线控制器，而AT91RM9200是地址线数据线分用的CPU，因此使用FPGA实现一套时序电路，使CPU能够正确的访问SJA1000T。CAN总线输入时钟为14.7456MHz，接口框图如图5所示。
所述控制模块包括电源管理模块、前端处理模块、图像压缩模块、存储模块、主控模块、通讯模块和逻辑控制模块；所述电源管理模块由滤波器、DC/DC转换器、LDO转化器和MOS管组成；所述前端处理模块包括Cameralink接口芯片、缓存SRAM及控制逻辑；所述图像压缩模块包括压缩芯片及控制逻辑；所述存储模块包括FLASH芯片及其控制逻辑；所述主控模块包括ARM处理器、SRAM芯片；所述通讯模块包括CAN总线控制芯片、接口芯片及其控制逻辑；所述逻辑控制模块由1片集成所述前端处理模块的控制逻辑、所述图像压缩模块的控制逻辑、所述存储模块的控制逻辑、所述主控模块的控制逻辑、所述通讯模块的控制逻辑的FPGA芯片组成；所述逻辑控制模块包括主机接口逻辑、Cameralink接口逻辑、压缩芯片控制逻辑、FLASH存储器控制逻辑、CAN总线收发控制逻辑。所述前端处理模块中，接收成像模块发来的Cameralink图像数据，经过解码芯片串并转换后接入FPGA进行后续缓存处理。所述图像压缩模块中，控制逻辑将缓存中的图像数据按特定格式送入压缩芯片，再将压缩后的数据放入缓存中等待主控模块调用。所述存储模块中，控制逻辑将缓存中的图像数据按要求的访问时序写入FLASH中，等待主控模块调用。所述主控模块中，ARM处理器的程序运行在外挂的SRAM里，处理器解析通讯模块转发来的指令信息，进入对应的流程。所述通讯模块中，逻辑控制CAN总线控制芯片和CAN接口芯片接收卫星星务分系统的CAN总线指令，并将图像数据按照协议发送到总线上。所述主机接口逻辑，接收ARM处理器的指令，驱动子模块执行拍摄、存储、压缩、下发的对应流程。所述Cameralink接口逻辑，控制前端处理模块的Cameralink接口芯片，并接收缓存经前端处理模块转换完成的图像至SRAM中。所述压缩芯片控制逻辑，将缓存SRAM中的图像数据按格式送入压缩芯片。所述的FLASH存储器控制逻辑，对FLASH芯片进行读写访问，实现图像数据的存入和读出。所述的CAN总线收发控制逻辑，产生CAN总线控制芯片的访问时序，实现CAN总线通讯。
参见图4，图4为图像压缩和储存模块的工作流程图，图像压缩和储存模块的工作流程包括以下步骤：
进行ADV212芯片的初始化，加载预存参数，配置相关寄存器；
等待主机命令，若为0x”22”、0x”33”、0x”44”或0x”55”则按照对应的压缩比更新ADV212的配置寄存器；若为0x”11”，则进入相机控制流程；
接收到相机控制命令后，控制模块向成像模块发送相机控制信号，相机完成拍摄后将图像数据通过Cameralink接口发回控制模块；
控制模块按照时序完成图像数据采集、缓存处理；
若识别到ADV212芯片发出的中断信号，则进入压缩流程，从缓存中读取图像数据送至ADV212芯片进行压缩并清除该中断；若未识别到中断则进行等待直到中断产生或超时退出流程；
完成一次图像压缩后，识别数据流中是否有JEPG2000的帧尾标志，若没有则说明当帧图像还有未完成压缩的部分，则再次进入图像数据处理和压缩流程；若有帧尾标识则当帧图像压缩完成，结束流程。
与现有技术相比，本发明的星载实时可视化遥测系统，采用在轨压缩图像数据，通过测控通道下发的方式，对卫星的星箭分离、太阳翼帆板展开及数传天线展开等健康状态实时监控，助力卫星成功发射。本发明的系统具有体积小、功能强、成本低的特点，可以满足该系列卫星对可视化遥测系统小体积、大功能、低成本的要求，，同时可在不同平台的卫星中应用，具有较大的经济效益与社会效益。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种星载实时可视化遥测系统，其特征在于，包括控制模块和三个成像模块；
三个成像模块，分别用于拍摄卫星舱外两测太阳翼帆板的展开状态和数传天线的展开状态，并发送对应的动态图像；
所述控制模块包括电源管理模块、前端处理模块、图像压缩和存储模块、通讯模块；
所述电源管理模块用于供电；
所述前端处理模块，用于接收Cameralink图像数据，经解码芯片串并转换后发送给FPGA进行缓存处理；
所述图像压缩和存储模块包括FPGA和ADV212芯片，所述图像压缩和存储模块用于根据设定参数对ADV212芯片进行初始化配置，接收RAW格式原始图像数据，在FPGA内进行数据的缓存、分组处理，将所述图像数据处理成适配ADV212芯片输入数据的格式，采用多片ADV212芯片并行进行数据压缩，待多路数据压缩完成后，进行压缩数据的同步接收，在FPGA中进行压缩数据的缓存，之后将压缩后的图像数据输出；
所述通讯模块，用于接收卫星星务分系统的CAN总线指令，将图像数据按照协议发送到总线上。
2.根据权利要求1所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，所述成像模块采用CameraLink接口形式进行数据传输；
Cameralink接口传输4路LVDS控制信号和1路LVDS时钟信号，通过LVDS线路接收器DS90CR288将LVDS时钟信号转换成并行的TTL/CMOS信号，送入FPGA并写入SDRAM中，实现数据的短时存储。
3.根据权利要求2所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，所述Cameralink接口的4路LVDS控制信号分别是CC1、CC2、CC3和CC4，通过DS90LV031将4路LVDS控制信号转换为TTL信号送给FPGA；其中，CC1用于对成像模块的相机的触发拍照进行控制，使其工作在外触发模式；
Cameralink接口的串行通信部分的两对差分信号SerTFG和SerTC，通过DS90LV019芯片完成差分对信号和TTL信号之间的转换。
4.根据权利要求1所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，所述通讯模块包括两路互为冗余的CAN总线。
5.根据权利要求4所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，CAN总线控制器和驱动器分别采用SJA1000T和PCA82C250T。
6.根据权利要求1所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，电源管理模块的工作流程为：
输入30V直流母线电源经滤波后，一部分经DC/DC转换为12V直流电后接入MOS管的源极，所述MOS管栅极控制成像模块的相机加断电；
剩余部分经过DC/DC转换为5V直流电后接入LDO，进而转换为3.3V、2.5V、1.8V和1.2V直流电供系统使用。
7.根据权利要求1所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，所述图像压缩和储存模块的工作流程为：
步骤1)对ADV212芯片进行初始化，加载预存参数，配置相关寄存器；
步骤2)等待主机命令；
步骤201)若主机命令为0x”22”、0x”33”、0x”44”或0x”55”，则按照对应压缩比更新ADV212的配置寄存器；
步骤211)若主机命令为0x”11”，则控制相机进行拍摄；
步骤212)发送相机控制信号，相机进行拍摄并将图像数据通过Cameralink接口发送；
步骤213)在FPGA内按照时序进行图像数据采集及缓存处理；
步骤2141)若识别到ADV212芯片发出的中断信号，则从缓存中读取图像数据送至ADV212芯片进行压缩并清除所述中断，完成一次图像压缩；
步骤2142)若未识别到ADV212芯片未发出中断信号，则进行等待直到中断产生或超时。
8.根据权利要求7所述的星载实时可视化遥测系统，其特征在于，2141)之后还包括：
当完成一次图像压缩后，判断识别数据流中是否有JEPG2000的帧尾标志；
若没有JEPG2000的帧尾标志，则当帧图像存在未完成压缩的部分，则返回步骤2141)；
若有帧尾标识则当帧图像压缩完成，结束流程。
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