CN115174874B

CN115174874B - 一种基于软交换的天地视频交互系统、方法、介质及设备

Info

Publication number: CN115174874B
Application number: CN202210869225.5A
Authority: CN
Inventors: 王冲; 王金准; 高玉娥; 李策; 王婷; 马宁
Original assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Current assignee: Technology and Engineering Center for Space Utilization of CAS
Priority date: 2022-07-22
Filing date: 2022-07-22
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2042-07-22
Also published as: CN115174874A

Abstract

本发明属于载人航天空间站有效载荷信息处理技术领域，尤其涉及一种基于软交换的天地视频交互系统、方法、介质及设备。该系统包括：VPX电控模块用于对第一数据进行软交换处理，生成第一网络交换结果以及第二网络交换结果，将第一网络交换结果发送至空间站实验柜公共支持模块；第一数据包括：相机拍摄模块采集的空间图像数据以及空间站对地传输的数据；VPX电控模块还用于根据第二网络交换结果，对操作台进行控制；空间站实验柜公共支持模块用于根据第一网络交换结果进行空间站对地传输处理。通过本发明能够达到保障航天员在轨维修装调的操作，提高有效载荷使用寿命，同时省略了普通交换设备，节约了空间站建设和运输成本的效果。

Description

一种基于软交换的天地视频交互系统、方法、介质及设备

技术领域

本发明属于载人航天空间站有效载荷信息处理技术领域，尤其涉及一种基于软交换的天地视频交互系统、方法、介质及设备。

背景技术

中国载人航天已全面迈入空间站时代。我国空间站由核心舱和两个实验舱组成。空间站设计使用寿命一般在10年及以上，而天地运输是十分昂贵和不易的，每公斤的运输成本高达数万美元。为减少天地运输，节约成本并提高载荷使用寿命，我国空间站中布置了载荷维修箱，为有效载荷提供在轨故障诊断、中继级维修和操作，是空间站唯一专门进行载荷在轨故障处置和维护的操作平台。现有技术中对于故障的针对以及操作的控制均需要经过较多中继站发送，操作效率较低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于软交换的天地视频交互系统、方法、介质及设备。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种基于软交换的天地视频交互系统，包括：相机拍摄模块、VPX电控模块、操作台以及空间站实验柜公共支持模块；

所述VPX电控模块用于对第一数据进行软交换处理，生成第一网络交换结果以及第二网络交换结果，将所述第一网络交换结果发送至所述空间站实验柜公共支持模块；所述第一数据包括：所述相机拍摄模块采集的空间图像数据以及空间站对地传输的数据，所述第一网络交换结果用于向空间站对地传输，所述第二网络交换结果用于对所述操作台进行控制；

所述VPX电控模块还用于根据所述第二网络交换结果，对所述操作台进行控制；

所述空间站实验柜公共支持模块用于根据所述第一网络交换结果进行空间站对地传输处理。

本发明的有益效果是：本发明通过多路视觉相机组合拍摄，并设计一种软件换技术，将图像数据实时交换至整舱下行网络。本发明可实现天地实时的影像交互，保障航天员在轨维修装调的操作，提高有效载荷使用寿命，同时省略了普通交换设备，节约了空间站建设和运输成本。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述VPX电控模块包括：

VPX电源子模块、VPX主控交换子模块以及VPX存储子模块，所述VPX电源子模块用于为所述VPX主控交换子模块、所述VPX存储子模块以及所述相机拍摄模块供电；

所述VPX主控交换子模块用于提取所述VPX存储子模块中的第一数据，并通过VDHL网络软交换算法对所述第一数据进行网络交换，得到所述第一网络交换结果以及所述第二网络交换结果；

所述VPX存储子模块用于存储所述空间图像数据以及所述。

进一步，所述通过VDHL网络软交换算法对所述第一数据进行网络交换，得到所述第一网络交换结果以及所述第二网络交换结果的过程具体包括：

对所述第一数据中的每个数据流进行分类，得到第一类数据以及第二类数据，对每个类别下的数据流进行优先级排序，基于每个类别下的优先级排序的结果，对每个类别下的每个数据流进行初始带宽权值的赋值，并根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理，得到第一网络交换结果以及第二网络交换结果。

进一步，所述根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理的具体过程为：

基于DWRR轮询方法，根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理；

所述DWRR轮询方法的具体过程为：

将优先级排序的结果中最高的数据流进行传输处理，完成传输处理后通过权值计数器对所述第一类数据以及所述第二类数据中的剩余数据流的初始带宽权值进行更新，完成更新后重复根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理，直至所有所述第一类数据以及所述第二类数据中的数据流传输完毕。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种基于软交换的天地视频交互方法，包括：

VPX电控模块对第一数据进行软交换处理，生成第一网络交换结果以及第二网络交换结果，将所述第一网络交换结果发送至所述空间站实验柜公共支持模块；所述第一数据包括：所述相机拍摄模块采集的空间图像数据以及空间站对地传输的数据，所述第一网络交换结果用于向空间站对地传输，所述第二网络交换结果用于对所述操作台进行控制；

所述VPX电控模块根据所述第二网络交换结果，对操作台进行控制；

空间站实验柜公共支持模块用于根据所述第一网络交换结果进行空间站对地传输处理。

进一步，所述VPX电控模块包括：

所述VPX存储子模块用于存储所述空间图像数据以及所述。

进一步，所述通过VDHL的网络软交换算法对所述第一数据进行网络交换，得到所述第一网络交换结果以及所述第二网络交换结果的过程具体包括：

所述DWRR轮询方法的具体过程为：

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种存储介质，所述存储介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如上述任一项所述的一种基于软交换的天地视频交互方法。

本发明解决上述技术问题的另一种技术方案如下：一种电子设备，包括上述存储介质、执行上述存储介质内的指令的处理器。

附图说明

图1为本发明一种基于软交换的天地视频交互系统的实施例提供的结构框架图；

图2为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的流程示意图；

图3为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的PS-DWRR算法策略流程示意图；

图4为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的PS-DWRR优先级初始队列状态示意图；

图5为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的PS-DWRR优先级第二轮调度时的结构示意图；

图6为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的系统设计示意图；

图7为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的VPX电控模块设计示意图；

图8为本发明一种基于软交换的天地视频交互方法的实施例提供的软交换设计示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、维修箱，2、第一相机阵，3、第二相机阵，4、操作台，5、VPX电控模块，6、空间站实验柜公共支持模块，7、相机拍摄模块，11、VPX电源子模块输出给各模块的供电信号，12、第一相机阵与VPX主控交换子模块连接的网络传输线，13、第二相机阵与VPX主控交换子模块连接的网络传输线，14、高速存储连接信号，15、千兆以太网。

具体实施方式

以下对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，一种基于软交换的天地视频交互系统，包括：相机拍摄模块7、VPX电控模块5、操作台4以及空间站实验柜公共支持模块6；

所述VPX电控模块5用于对第一数据进行软交换处理，生成第一网络交换结果以及第二网络交换结果，将所述第一网络交换结果发送至所述空间站实验柜公共支持模块6；所述第一数据包括：所述相机拍摄模块7采集的空间图像数据以及空间站对地传输的数据；

所述VPX电控模块5还用于根据所述第二网络交换结果，对所述操作台4进行控制；

所述空间站实验柜公共支持模块6用于根据所述第一网络交换结果进行空间站对地传输处理。

在一些可能的实施方式中，本发明通过多路视觉相机组合拍摄，并设计一种软件换技术，将图像数据实时交换至整舱下行网络。本发明可实现天地实时的影像交互，保障航天员在轨维修装调的操作，提高有效载荷使用寿命，同时省略了普通交换设备，节约了空间站建设和运输成本。

需要说明的是，为实现天地协同的在轨维修装调操作，本发明在维修箱1内设计实现了高速视频采集和传输系统，通过多路组合视觉相机拍摄航天员维修操作过程，并实时下传地面，实现天地协同的在轨维修诊断。

为实现在轨图像实时下传地面，本发明还设计了图像数据软交换技术，天地交互中存在传输速率高、多种协议带宽竞争共享等特点，常规的交换方法不能针对性适应输入流和输出流动态调整的要求，无法在视频数据流突发时，还能将关键遥测状态信息及时传递下行地面，本发明采用基于优选级调度的差分加权轮询算法(PS-DWRR,PriorityScheduling-DWRR)，既能够动态分配时频流交换传输带宽，又可以让遥测控制信息以低延迟调度传输，使系统的天地下行资源利用达到十分高效。

基于本发明的软交换算法，空间站轨故障处置和维护的操作平台无须交换机，即可将多路图像数据进行跨网段交换传输，简化了硬件配置，降低了发射成本。

本发明包括组合相机拍摄模块7(相机拍摄模块7)、VPX电控模块5(VPX电控模块5)、图像数据软交换算法，实现了维修箱1操作空间全视觉覆盖，高速图像采集和软交换网络接入。

组合相机拍摄模块7通过相机对角排布，对维修箱1内操作平台进行拍摄，系统如图6所示包括维修箱1，相机拍摄模块7中拍摄第一相机阵2和第二相机阵3，第一相机阵2和第二相机阵3分别包含多个摄像头，能从多个不同视角拍摄，操作台4，VPX电控模块5，空间站实验柜公共支持模块6。

维修箱1采取空间站实验舱的标准实验柜设计，为航天员维修操作提供封闭、可视、灵活的操作空间；多路相机通过顶部倾斜对角安装，实现对整个维修箱1内部视场全覆盖，确保航天员操作无死角；维修箱1内设置操作台4，是航天员对载荷进行维修装调的操作平台。

相机的工作和配置，来自于VPX电控模块5的支持。相机的控制、工作设置、图像数据采集、软交换网络传输，以及与空间站实验柜公共支持模块6的接入，均由VPX电控模块5设计实现；VPX电控模块5有多块VPX电子学板卡，每个板卡实现不同的功能，与图像采集和软交换相关的，是一块嵌入式主控板卡实现。

实验柜公共支持系统6包括空间站统型使用的实验柜控制器、热控系统以及流体回路系统等，VPX电控模块5采集的图像数据，经网络交换后接入实验柜控制器，进入空间站对地数传网络。

图7为VPX电控模块5组成示意图。电控系统主要包括VPX电源子模块，VPX主控交换子模块、VPX存储子模块。各模块符合标准VPX板卡设计。VPX电源子模块给VPX主控交换子模块、VPX存储子模块、相机阵列(相机拍摄模块7)进行供配电，VPX电源子模块输出给各模块的供电信号11。VPX主控交换子模块作为维修箱1控制中枢和数据交换中枢，第一相机阵与VPX主控交换子模块连接的网络传输线12，第二相机阵与VPX主控交换子模块连接的网络传输线13，相机的拍摄图像数据通过以太网连接线传输至VPX主控交换子模块，VPX主控交换子模块通过高速存储连接信号14接口将双相机图像数据存入VPX存储子模块。

VPX主控交换子模块将已存储的相机阵列的图像数据，读取出来，通过千兆以太网15传送至空间站对地通信网络，支持TCP、UDP等网络协议传输。图像数据通过对地网络下传地面。

本发明VPX主控交换子模块设计实现了基于VHDL的网络软交换算法，相比于C语言等，可利用FPGA架构并行计算，计算效率更高。空间站对地网络是一路千兆以太网连接，且可同时运行TCP和UDP协议。图8是本发明软交换设计示意图。

First Level Cross Bar是本发明以VHDL语言设计实现的软交换处理算法模块，实现相机缓存数据多路输入多路输出的网络协议交换。本发明First Level Cross Bar采用基于优先级调度的差分PS-DWRR加权轮询算法。

DWRR算法自身具有按权重分配带宽资源的缺点，但存在低延迟的关键业务(如遥测遥控指令和应答)得不到及时调度的问题。本发明通过改进DWRR传统算法，提出了基于优先级调度的PS-DWRR算法，既能将多路高速视频流动态分配下行带宽，避免数据拥塞，又能保证遥测遥控等关键指令的传输。

本发明PS-DWRR算法的调度策略如图3所示，按照不同业务的需求等级将输入业务分类，遥测遥控和视频数据流为不同的业务类别，遥测遥控信息报的标志与视频数据不同，因此，通过检测数据标志信息，对遥测遥控信息流与视频流进行分类。分类后，将各个不同的数据流划分成不同有不同优先级的队列。对每一个优先级队列的每一个待交换业务进行带宽权值分配，其中遥测遥控类业务的权重为α，其中，α的初始值为A，视频流的业务权重记为β。然后开始本发明DWRR轮询调度，各个优先级业务的轮询带宽权重值递减，剩余权重值归零处理。

First Level Cross Bar模块PS优先级队列初始调度状态设置，DWRR轮询方式可参考图4以及图5。

图4中，系统数据类型包括遥测、遥控数据和视频图像数据三类。遥控(RemoteCtrl)数据是地面上注的远程控制信息，遥测(Remote Test)数据是在轨测量下行地面的关键状态数据，这两类数据实时性要求通常比较高，需要及时交换传输。视频数据根据相机所拍摄的内容划分优先等级。P1,P2为最低优先级视频流的两个待交换数据报，P3,P4为较低优先级视频流的两个待交换数据报，P5,P6为较高优先级视频流的两个待交换数据报，P7为待交换的遥控数据报，P8为待交换的遥测数据报。每一个待交换的数据报在初始时赋给初始权值。权值越大表明优先级越低。有多个待传输报文的数据类型，权值为各个数据报权值之和。如P5权值为110，P6为40，则Video Stream 1的初始权值为150.P8权值为20，P7为30，P3和P4权值分别为50和50，P1为60，P2为60。

首轮调度根据各任务的权重值进行队列交换，权重值低的交换优先级越高。高优先级遥控数据报P8先交换，其次为遥测数据报P7，然后是Video Stream 1的图像报文P6，然后是P3和P4.由于P5和P1 P2的权值较大，因此首次并未进行交换。图5为首次调度交换后，第二论调度时的系统任务示意图。此时已交换队列，队首为P8，后面依次为P7,P6,P3,P4。Video Stream1的图像报文P5，Video Stream n的图像报文P1 P2，在首次调度时未被交换，将在第二轮调度时进行交换。

如图4所示，其中权值A、A’∈(0.2，0.5)*100。当各个队列首轮调度全部结束后，将对所有队列的权值计数器进行一次更新所以权值依旧更新为原有的分配权值。本发明在轨调度算法在第二轮调度时，调度结果示意图如图5所示。从图中看出，调度后具有高优先级的遥测遥控信息流先行处理，多路相机视频流按不同优先级依次分配带宽和执行。PB-DWRR算法在DWRR算法基础上加入优先级作为调整调度结果顺序的依据，不仅继承了PriorityScheduling算法的优点，保障了高优先级信息优先获得处理和传输的权利，同时优化了常规DWRR算法针对即时下行数据流的延时性能，此外也保持了DWRR算法对带宽资源的精确控制优势，使得低优先级业务保留了一定的带宽资源，防止出现低优先级“饿死”的情况，而且PB-DWRR算法的硬件实现复杂度不高，使用VHDL语言实现具有良好的执行效率和效果，可以很好的在有测控高优先指令的高速网络的应用场景加以运用。

图8为本发明软交换结构设计示意图。交换模块为First Level Cross Bar(一级交换阵)，各种交换信息通过First Level Cross Bar进行输入和输出交换。交换信息包括两类，一类是遥测遥控信息，遥控信息由在轨控制模块与地面进行交互，地面发送遥控指令Remote Ctrl通过本发明交换网络传输至在轨控制模块，在轨控制模块将执行结果通过交换反馈回地面。在轨遥测模块将系统的电压、电流、温度、状态字等健康Remote Test信息通过交换传达地面。相机阵列C1和C2的图像数据通过交换模块，进入空间站对地网络，从而下行至地面。

下行交换信息经过本发明First Level Cross Bar后，进行链路层封装，然后经过MAC层，通过以太网PHY和1000BASE-X接口接入空间站对地网络；

上行交换信息是下行的逆过程，地面上行的信息经过空间站对地网络，发送至PHY接口，信息报文经过MAC和链路层解析后，进入First Level Cross Bar，然后交换至相应的任务模块。

链路层模块为基于FPGA的千兆以太网MAC和PHY模块，用于实现以太网链路层和物理层的传输。本发明中，未采用外置MAC或PHY芯片，而采用VHDL语言设计实现，具有更高的设计集成度，同时减少了板卡重量和功耗。FPGA PHY模块的输出即为空间站对地数传网络。

优选地，在上述任意实施例中，所述VPX电控模块5包括：

VPX电源子模块、VPX主控交换子模块以及VPX存储子模块，所述VPX电源子模块用于为所述VPX主控交换子模块、所述VPX存储子模块以及所述相机拍摄模块7供电；

所述VPX主控交换子模块用于提取所述VPX存储子模块中的第一数据，并通过VDHL的网络软交换算法对所述第一数据进行网络交换，得到所述第一网络交换结果以及所述第二网络交换结果；

所述VPX存储子模块用于存储所述空间图像数据以及所述。

优选地，在上述任意实施例中，所述通过VDHL的网络软交换算法对所述第一数据进行网络交换，得到所述第一网络交换结果以及所述第二网络交换结果的过程具体包括：

按照预设类别对所述第一数据中的每个数据流进行分类，得到第一类数据以及第二类数据，对每个类别下的数据流进行优先级排序，基于优先级排序的结果，对每个数据流进行初始带宽权值的赋值，并根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理，得到第一网络交换结果以及第二网络交换结果。

优选地，在上述任意实施例中，所述根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理的具体过程为：

所述DWRR轮询方法的具体过程为：

如图2所示，一种基于软交换的天地视频交互方法，包括：

VPX电控模块5对第一数据进行软交换处理，生成第一网络交换结果以及第二网络交换结果，将所述第一网络交换结果发送至所述空间站实验柜公共支持模块6；所述第一数据包括：所述相机拍摄模块7采集的空间图像数据以及空间站对地传输的数据；

所述VPX电控模块5根据所述第二网络交换结果，对操作台4进行控制；

空间站实验柜公共支持模块6用于根据所述第一网络交换结果进行空间站对地传输处理。

优选地，在上述任意实施例中，所述VPX电控模块5包括：

所述VPX存储子模块用于存储所述空间图像数据以及所述。

所述DWRR轮询方法的具体过程为：

者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的方法实施例仅仅是示意性的，例如，步骤的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个步骤可以结合或者可以集成到另一个步骤，或一些特征可以忽略，或不执行。

上述方法如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分，或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上，仅为本发明的具体实施方式，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，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于软交换的天地视频交互系统，其特征在于，包括：相机拍摄模块、VPX电控模块、操作台以及空间站实验柜公共支持模块；

所述空间站实验柜公共支持模块用于根据所述第一网络交换结果进行空间站对地传输处理；

所述VPX电控模块包括：

所述VPX存储子模块用于存储所述第一数据；

所述通过VDHL网络软交换算法对所述第一数据进行网络交换，得到所述第一网络交换结果以及所述第二网络交换结果的过程具体包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于软交换的天地视频交互系统，其特征在于，所述根据优先级排序的结果对所述第一类数据以及所述第二类数据进行传输处理的具体过程为：

所述DWRR轮询方法的具体过程为：

3.一种基于软交换的天地视频交互方法，其特征在于，包括：

VPX电控模块对第一数据进行软交换处理，生成第一网络交换结果以及第二网络交换结果，将所述第一网络交换结果发送至空间站实验柜公共支持模块；所述第一数据包括：相机拍摄模块采集的空间图像数据以及空间站对地传输的数据，所述第一网络交换结果用于向空间站对地传输，所述第二网络交换结果用于对操作台进行控制；

空间站实验柜公共支持模块用于根据所述第一网络交换结果进行空间站对地传输处理；

所述VPX电控模块包括：

所述VPX存储子模块用于存储所述第一数据；

4.一种介质，其特征在于，所述介质中存储有指令，当计算机读取所述指令时，使所述计算机执行如权利要求3所述的一种基于软交换的天地视频交互方法。

5.一种设备，其特征在于，包括权利要求4所述的存储介质、执行所述存储介质内的指令的处理器。