CN113835774A - 一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及空间电子技术领域，公开了一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，包括如下步骤：步骤1：地面站对预选频段进行扫描，选择无干扰杂波的频点作为软件上注链路的频点；步骤2：地面站按照约定调制样式和符号速率搭载所述无干扰杂波的频点，进行组帧编码，将完成组帧编码后的信号数据发送至卫星端，卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验；步骤3：将步骤2中校验合格后的数据进行帧解析处理，并将帧解析后的数据存入对应存储器，将数据存储三份，读取时通过TMR校验实现加载数据的可靠无误；步骤4：读取步骤3中存储在存储器中的数据，进行软件重构加载。本发明能够提高软件在轨重构效率。

Description

一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法
技术领域
本发明涉及空间电子技术领域，具体的，涉及一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法。
背景技术
随着可编程逻辑器件的快速发展，高性能的信号处理多依赖于高性能的FPGA、DSP等可编程器件软件的设计来实现，随着对处理性能的需求提高，软件系统复杂度大幅增加，同时随着需求的不断变化，卫星的软件在轨更新和扩展能力就非常重要。卫星产品投入大、成本高、可维修性低，卫星具备了在轨重构能力，可大大提高卫星硬件资源的利用效率。
传统的卫星载荷主要是通过卫星的测控链路进行软件的上注更新，测控信道独立于卫星有效载荷的应用，保证卫星始终处于可控状态，然而该信道的传输速率较低，数据传输速率为Kbps量级，目前的软件规模均在几十至几百Mbit的数据量级，对于大数据量传输需求来说，具有传输时间较长、效率低的缺点，通常传输时间长达几小时，并且会长时间占用测控通道，影响卫星控制。
具有通信业务载荷的卫星可采用业务信道进行软件数据的上注，此时需要将上注软件数据与业务数据进行复合，占用业务通道资源，并约定完善的接口协议，且需考虑业务信道的通信误码率等限制因素，若数据传输错误会造成软件的加载失败，从而导致功能中断。
为解决在轨重构效率的问题，有些不具备通信业务载荷的卫星采用设计固定频点的宽带专用信道的方式来提升传输速率，不影响测控信道正常的数据传输。该方法由于采用固定信道，无法自主避开外界有意无意的电磁干扰，降低软件上注的效能，严重的会造成在轨重构功能的丧失，同时，需额外投入大量的硬件设备来构建专用通道，额外增加人力、物理、财力成本。
目前的重构技术是指定的功能软件更新，处理器与软件的映射关系固定，不具备软、硬件资源的灵活调配，通用性较差，功能的扩展及性能提升能力不强。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种星地自闭环的载荷软件重构方法，通过载荷任意侦收通道任意频点完成自闭环的高可靠在轨重构，提高软件在轨重构效率。
一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，包括如下步骤：
步骤1：上注频段筛选：地面站对预选频段进行扫描，选择无干扰杂波的频点作为软件上注链路的频点；
步骤2：软件数据上注传输处理：地面站按照约定调制样式和符号速率搭载所述无干扰杂波的频点，进行组帧编码，将完成组帧编码后的信号数据发送至卫星端，卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验；
步骤3：软件数据可靠存储：将步骤2中校验合格后的数据进行帧解析处理，并将帧解析后的数据存入对应存储器，将数据存储三份，读取时通过TMR校验实现加载数据的可靠无误；
步骤4：软件重构加载：读取步骤3中存储在存储器中的数据，进行软件重构加载。
所述步骤1包括子步骤：
步骤S11：对所有的预选频段信号做FFT变换，求取所有的预选频段信号的峰值，FFT变换公式为：
Figure BDA0003206114520000031
其中，
Figure BDA0003206114520000032
为一组标准正交基，代表了各种频率成分，k为频域数据序列号，n为时域数据序列号；X(k)为频域数据；x(n)为时域数据序列；
步骤S12：根据步骤S11求取的所有的预选频段信号的峰值，测量所有的预选频段信号的信号频率，并从测量信号频率中统计出所有的预选频段信号的带内频率，信号频率求取公式为：
Figure BDA0003206114520000033
其中，f为信号频率，fs为采样频率，N为FFT长度，FFT(X)为所有预选频段信号做FFT变换后的集合，Posmax(FFT(X))为FFT(X)集合中峰值位置；
步骤S13：根据步骤S12统计的所有的预选频段信号的带内频率，判断所有的预选频段信号中频段占用情况：
(1)统计中存在带内频率的预选频段，为被占用的频段；
(2)统计中不存在带内频率的预选频段，为未被占用的频段；
步骤S14：选取未被占用的频段作为上注频段，所述未被占用的频段中的频点即为无干扰杂波的频点。
优选的，采样FFT积累的方式进行频谱扫描，能实现对提高了接收处理增益，具备同时多信号的数字处理能力，通过频谱数据的扫描选出无干扰频点的频段，以保证数据链路的低误码率；利用8K点FFT计算可以在频域上得到信号在频域的分布，可以提取信号较为精确的频率及相位信息。
所述步骤2中卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验过程包括子步骤：
步骤21：卫星端将接收到的地面站发射的信号数据进行放大、变频处理，得到中频信号；
步骤22：将得到的中频信号进行数字解调；
步骤23：将数字解调后的信号进行Viterbi译码、解扰、RS译码、CRC校验及解帧信息处理，恢复出软件原始数据帧。
所述步骤22包括子步骤：
步骤221：将中频信号进行ADC数字化处理，输出高速数字中频信号；对高速数字中频信号进行变频、CIC滤波器滤波、HB滤波器组滤波和匹配滤波器处理后变为低速基带信号；输出低速基带信号；
步骤222：采用基于Gardner的定时恢复环路对低速基带信号进行时间同步，并采用costas环路对低速基带信号进行频率同步，实现时间和频率的二维同步；
步骤223：对完成时间和频率同步的低速基带信号进行相干解调。
所述步骤3还包括空间单粒子翻转的修复，具体为：在空闲时进行自动存储数据的回读校验，读取存储的三份数据进行三取二比较，取相同的，若有一个不一致则对其进行修复，完成对已发生单粒子翻转数据区域的自主修复。
所述步骤4具体为：重构控制管理单元接收并解析地面站发送的控制指令，同时分析任务工作模式，计算出软件加载配置项，指挥重构控制器通过TMR方式读取步骤3中存储在存储器中的软件数据，传送到对应的处理器进行软件的加载和运行，进行软件的重构更新。
优选的，所述重构控制器为FPGA。
优选的，所述处理器为DSP或FPGA。
本发明的有益效果：通过载荷任意侦收通道任意频点完成自闭环的高可靠在轨重构，软件上注速率不小于1Mbps，远高于传统卫星通过遥控链路进行软件更新的速率；且上注采用载荷侦收通道实现上注链路的接收，对频点无特殊要求，无需占用卫星平台和测控通道资源，载荷独立完成软件上注的闭环。
附图说明
图1为本发明的步骤流程图。
图2为本发明的软件数据上注接收处理流程图。
图3为本发明的数字下变频处理流程图。
图4为本发明的Gardner的定时恢复环路。
图5为本发明的分段抛物线插值滤波器的结构。
图6为本发明的Costas环结构。
图7为本发明的QPSK星座图。
图8为本发明的数据处理流程图。
图9为本发明的软件的重构运行框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，包括如下步骤：
步骤1：上注频段筛选：地面站对预选频段进行扫描，选择无干扰杂波的频点作为软件上注链路的频点；
需要说明的是，调制样式和符号速率无硬性规定，均可按照预先设定进行选择，调制样式一般可以采用BPSK和QPSK进行调制，为方便理解，后文中以QPSK调制为例进行说明。
所述步骤1包括子步骤：
步骤S11：对所有的预选频段信号做FFT变换，求取所有的预选频段信号的峰值，FFT变换公式为：
Figure BDA0003206114520000071
其中，
Figure BDA0003206114520000072
为一组标准正交基，代表了各种频率成分，k为频域数据序列号，n为时域数据序列号；X(k)为频域数据；x(n)为时域数据序列；
步骤S12：根据步骤S11求取的所有的预选频段信号的峰值，测量所有的预选频段信号的信号频率，并从测量信号频率中统计出所有的预选频段信号的带内频率，信号频率求取公式为：
Figure BDA0003206114520000073
其中，f为信号频率，fs为采样频率，N为FFT长度，FFT(X)为所有预选频段信号做FFT变换后的集合，Posmax(FFT(X))为FFT(X)集合中峰值位置；
步骤S13：根据步骤S12统计的所有的预选频段信号的带内频率，判断所有的预选频段信号中频段占用情况：
(1)统计中存在带内频率的预选频段，为被占用的频段；
(2)统计中不存在带内频率的预选频段，为未被占用的频段；
步骤S14：选取未被占用的频段作为上注频段，所述未被占用的频段中的频点即为无干扰杂波的频点。
需要说明的是，采样FFT积累的方式进行频谱扫描，能实现对提高了接收处理增益，具备同时多信号的数字处理能力，通过频谱数据的扫描选出无干扰频点的频段，以保证数据链路的低误码率；利用8K点FFT计算可以在频域上得到信号在频域的分布，可以提取信号较为精确的频率及相位信息。
步骤2：软件数据上注传输处理：地面站按照约定调制样式和符号速率搭载所述无干扰杂波的频点，进行组帧编码，将完成组帧编码后的信号数据发送至卫星端，卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验；
如图2所示，所述步骤2中卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验过程包括子步骤：
步骤21：卫星端将接收到的地面站发射的信号数据进行放大、变频处理，得到中频信号；
步骤22：将得到的中频信号进行数字解调；
步骤23：将数字解调后的信号进行Viterbi译码、解扰、RS译码、CRC校验及解帧信息处理，恢复出软件原始数据帧，如图8所示。
如图3-7所示，所述步骤22包括子步骤：
步骤221：将中频信号进行ADC数字化处理，输出高速数字中频信号；对高速数字中频信号进行变频、CIC滤波器滤波、HB滤波器组滤波和匹配滤波器处理后变为低速基带信号；输出低速基带信号。
需要说明的是，图3中的CIC滤波器，它是一种高效、易实现的滤波器，它特别适合于高速数据率的场合；而HB半带滤波器，半带滤波器有近一半的滤波系数精确为零，在多级实现中可大大减少运算量，有利于滤波过程的实时实现，考虑到卫星端处理资源有限，及CIC与HB的高效，卫星端采用CIC与HB组合完成多速率的采样；匹配滤波器是与发送端的脉冲成型相对应，在减少码间串扰的同时，保证在接收端采样时刻采样值的信噪比最大；成型滤波器与匹配滤波器具有相同的频率相应。
步骤222：采用基于Gardner的定时恢复环路对低速基带信号进行时间同步，并采用costas环路对低速基带信号进行频率同步，实现时间和频率的二维同步。
需要说明的是，图4中的Gardner的定时恢复环路，采用全数字方式，通过改变输入信号，利用插值滤波器恢复出信号的最佳判决点序列；其工作流程为：先将输入信号x(t)进行ACD数字化处理，输出离散信号x(m)，采样率为Ts，离散信号x(m)经插值滤波器处理后输出时间同步的y(k)信号，y(k)信号经数据滤波器处理后定时输出。
需要说明的是，数控振荡器提供mk和μk，其中，mk决定插值滤波器的整数倍插值位置，μk决定插值分数间隔，控制插值点的位置。
需要说明的是，Gardner的定时恢复环路输出端和数控振荡器之间设有有定时误差检测器和环路滤波器，定时误差检测器输出定时误差检测值ek给环路滤波器，处理后输出环路滤波器输出值Wk给数控振荡器；ε0为阻尼因子。
如图5所示，所述插值滤波器采样分段抛物线内插滤波器的Farrow结构。
如图6所示，频率同步采用costas环路，其工作原理为：输入的数字信号分别与两个在相位上正交的本地载波信号相乘鉴相，其输出经过低通滤波器后送入到相位检测器得到误差信号，误差信号经过环路滤波后数控振荡产生本地载波，本地载波与输入数据相乘解调形成costas环，如果环路达到稳定状态则进行锁定。
步骤223：对完成时间和频率同步的低速基带信号进行相干解调。
需要说明的是，QPSK信号等效于两个正交载波的幅度调制，所以QPSK信号可以用两个正交的本地载波信号实现相干解调，如图7所示，对完成时间同步和频率同步的信号进行判决，判断接收到的信号点落在那个区域内，则判决输出对应的符号；以图7中的信号点(r1，r2)为例，
Figure BDA0003206114520000101
在区间
Figure BDA0003206114520000102
则正确判决为S1。
步骤3：软件数据可靠存储：将步骤2中校验合格后的数据进行帧解析处理，并将帧解析后的数据存入对应存储器，将数据存储三份，读取时通过TMR校验实现加载数据的可靠无误。
需要理解的是，所述步骤3还包括空间单粒子翻转的修复，具体为：在空闲时进行自动存储数据的回读校验，读取存储的三份数据进行三取二比较，取相同的，若有一个不一致则对其进行修复，完成对已发生单粒子翻转数据区域的自主修复。
步骤4：软件重构加载：读取步骤3中存储在存储器中的数据，进行软件重构加载。
如图9所示，所述步骤4具体为：重构控制管理单元接收并解析地面站发送的控制指令，同时分析任务工作模式，计算出软件加载配置项，指挥重构控制器通过TMR方式读取步骤3中存储在存储器中的软件数据，传送到对应的处理器进行软件的加载和运行，进行软件的重构更新。采用统一的重构控制管理、重构控制器，实现对各处理节点FPGA、DSP的动态重构和部署。
需要理解的是，TMR全称三模冗余系统，是常用的容错涉及技术，三个模块同时执行相同的操作，以多数相同的输出作为表决系统的正确输出，通常称为三取二；三个模块中只要不同时出现两个相同的错误，就能掩蔽掉故障模块的错误，保证系统正确的输出；由于三个模块是互相独立的，两个模块同时出现错误是极小概率事件，可以大大提高系统的可信性。
需要理解的是，所述重构控制器为高可靠FPGA。
需要理解的是，所述处理器为DSP或FPGA。
在某项目载荷中，首次使用了所述基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，完成了多台数字处理机10多种信号处理FPGA、DSP软件的无误码在轨重构上注，上注速率分别实现了1Mbps、5Mbps、10Mbps，软件重构时间小于5分钟。更新后的软件通过动态加载实现的软件的性能的提升和功能的扩展，在轨运行良好。

Claims (8)

1.一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：上注频段筛选：地面站对预选频段进行扫描，选择无干扰杂波的频点作为软件上注链路的频点；
步骤2：软件数据上注传输处理：地面站按照约定调制样式和符号速率搭载所述无干扰杂波的频点，进行组帧编码，将完成组帧编码后的信号数据发送至卫星端，卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验；
步骤3：软件数据可靠存储：将步骤2中校验合格后的数据进行帧解析处理，并将帧解析后的数据存入对应存储器，将数据存储三份，读取时通过TMR校验实现加载数据的可靠无误；
步骤4：软件重构加载：读取步骤3中存储在存储器中的数据，进行软件重构加载。
2.如权利要求1所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述步骤1包括子步骤：
步骤S11：对所有的预选频段信号做FFT变换，求取所有的预选频段信号的峰值，FFT变换公式为：
Figure FDA0003206114510000011
其中，
Figure FDA0003206114510000012
为一组标准正交基，代表了各种频率成分，k为频域数据序列号，n为时域数据序列号；X(k)为频域数据；x(n)为时域数据序列；
步骤S12：根据步骤S11求取的所有的预选频段信号的峰值，测量所有的预选频段信号的信号频率，并从测量信号频率中统计出所有的预选频段信号的带内频率，信号频率求取公式为：
Figure FDA0003206114510000021
其中，f为信号频率，fs为采样频率，N为FFT长度，FFT(X)为所有预选频段信号做FFT变换后的集合，Posmax(FFT(X))为FFT(X)集合中峰值位置；
步骤S13：根据步骤S12统计的所有的预选频段信号的带内频率，判断所有的预选频段信号中频段占用情况：
(1)统计中存在带内频率的预选频段，为被占用的频段；
(2)统计中不存在带内频率的预选频段，为未被占用的频段；
步骤S14：选取未被占用的频段作为上注频段，所述未被占用的频段中的频点即为无干扰杂波的频点。
3.如权利要求1所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述步骤2中卫星端依次完成数据的接收、解调、解码和校验过程包括子步骤：
步骤21：卫星端将接收到的地面站发射的信号数据进行放大、变频处理，得到中频信号；
步骤22：将得到的中频信号进行数字解调；
步骤23：将数字解调后的信号进行Viterbi译码、解扰、RS译码、CRC校验及解帧信息处理，恢复出软件原始数据帧。
4.如权利要求3所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述步骤22包括子步骤：
步骤221：将中频信号进行ADC数字化处理，输出高速数字中频信号；对高速数字中频信号进行变频、CIC滤波器滤波、HB滤波器组滤波和匹配滤波器处理后变为低速基带信号；输出低速基带信号；
步骤222：采用基于Gardner的定时恢复环路对低速基带信号进行时间同步，并采用costas环路对低速基带信号进行频率同步，实现时间和频率的二维同步；
步骤223：对完成时间和频率同步的低速基带信号进行相干解调。
5.如权利要求1所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述步骤3还包括空间单粒子翻转的修复，具体为：在空闲时进行自动存储数据的回读校验，读取存储的三份数据进行三取二比较，取相同的，若有一个不一致则对其进行修复，完成对已发生单粒子翻转数据区域的自主修复。
6.如权利要求1所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述步骤4具体为：重构控制管理单元接收并解析地面站发送的控制指令，同时分析任务工作模式，计算出软件加载配置项，指挥重构控制器通过TMR方式读取步骤3中存储在存储器中的软件数据，传送到对应的处理器进行软件的加载和运行，进行软件的重构更新。
7.如权利要求6所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述重构控制器为FPGA。
8.如权利要求7所述的一种基于星地自闭环的高效载荷软件重构方法，其特征在于，所述处理器为DSP或FPGA。
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