CN117914449B - 一种基于纠错码的测控链路传输系统、方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种基于纠错码的测控链路传输系统、方法、设备及介质。涉及卫星通信技术领域。所述系统包括遥测管理模块，速率切换及数据切片模块，RS编码及加帧头模块和卷积码编码及合路模块。在航天器测控链路中使用纠错码可以检测和纠正传输过程中出现的错误，提高数据的可靠性和完整性，以及提高通信系统中的鲁棒性。使地面的遥控指令以及航天器的遥测参数能够在恶劣信道下准确传输。
Description
技术领域
本发明属于卫星通信技术领域，特别是涉及一种基于纠错码的测控链路传输系统、方法、设备及介质。
背景技术
卫星测控在航空航天领域中具有至关重要的作用。它主要包括对卫星、宇宙飞船等航天器进行跟踪测量，对航天器发回的数据进行接收处理，对航天器进行控制，以及在轨航天器长期的运行管理。这些环节都关系到整颗卫星的安全以及寿命，是整个航天产业的神经系统。
然而卫星信号在传输过程中会受到来自大气、雨水、多普勒效应等干扰，这些干扰会导致信道容量急速下降，严重影响卫星测控链路的信息传输，对航天器的控制造成极大影响。
发明内容
本发明针对现有卫星测控链路中存在的各种干扰导致的信道容量下降问题，提出了一种基于纠错码的测控链路传输系统、方法、设备及介质。在航天器测控链路中使用纠错码可以检测和纠正传输过程中出现的错误，提高数据的可靠性和完整性，以及提高通信系统中的鲁棒性。使地面的遥控指令以及航天器的遥测参数能够在恶劣信道下准确传输。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明提出一种用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统，所述系统包括遥测管理模块，速率切换及数据切片模块，RS编码及加帧头模块和卷积码编码及合路模块；
所述遥测管理模块：接收来自中心机的星上其他单机遥测以及管理本机状态形成本机遥测，在中心机下发遥测数量达到两帧时，应答机开始下发星上遥测，在中心机未下发遥测期间，应答机下发本机遥测；
所述速率切换及切片模块：中心机下发的遥测速率不变，在编码后会添加冗余校验信息以及帧头，通过速率切换及切片模块对遥测数据进行速率切换以及数据切片，为帧头和冗余校验信息的插入提供空间；
所述RS编码及加帧头模块：将切片后的数据不足223字节时按223字节补全，使用虚拟的0填充，并使用数据控制总线指示一帧的开始及结束，切片完成的数据流进入RS编码及加帧头模块进行数据编码，RS编码及加帧头模块编码完成后每223字节的数据流自带32字节的冗余编码，编码完成的数据去掉虚拟填充的0比特并在编码后的数据前插入RS码帧头0x1ACFFC1D；
所述卷积码编码及合路模块：将RS编码及加帧头后的数据送入(2,1,7)卷积码编码器，并进行合路，为了合路后比特有随机化的特性，将编码后第二路数据进行取反；
START检测到帧头时，相干器自动输出一个拉高信号，持续一个激励周期，同时为了使数据线信号与控制线信号对齐，对数据线信号延时帧头长度个激励周期，使用计数器，一个激励周期内，计数器加1，同时在帧长度个的激励周期中，VAILD持续拉高，在计数器到帧长度时，END拉高，同时在下一个激励到来时，VAILD和END同时拉低，计数器清零，等待一段时间后，开始下一帧的传输，等待时间为插入冗余校验信息以及RS码帧头需要的时间间隔，将这帧比特流进行串并转换，输入RS编码及加帧头模块。
进一步地，所述测控链路传输系统在通信过程中，其通信的总线接口包括数据线和控制线。
进一步地，所述数据线由读取中心机下发遥测组成，先进入FIFO缓存，增加系统的稳定性，通过控制FIFO写信号和读信号的时间比值，完成信号的速率切换，由于读信号比写信号速率高，控制在FIFO存的数据到达一定数量时开始读取。
进一步地，所述控制线由经FIFO读取出来的数据经过处理后得到，包括指示遥测帧的帧头STRAT，帧尾END，以及数据有效信号VAILD，用于后续指示符号。
进一步地，RS编码及加帧头模块中的RS编码器为有限域GF(8)上的多项式除法器。
本发明提出一种根据所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在遥测管理模块中，接收并缓存各个遥测源的数据流，进行数据处理和管理，生成待编码的数据流；
步骤2：根据卫星遥测系统的需求，通过速率切换及切片模块实时切换传输速率，并将待传输的数据切割成若干个数据包，各个数据包中留有一定的时间间隔，方便编码冗余信息的插入；
步骤3：在RS编码及加帧头模块中，对数据包进行RS编码纠错处理，并添加帧头信息，以实现数据的同步和识别；
步骤4：通过卷积码编码及合路模块对数据进行进一步处理，并将编码后的数据进行整合和合并；
在当前帧的第一个输入即START有效后的第三个激励信号，RS编码器开始输出数据到32位的移位寄存器中，移位寄存器的初始状态为RS码的帧头0x1ACFFC1D，当最后一个输入消息符号到达时，即END有效时，此时寄存器中的值是该帧的冗余校验符号，当校验符号完全输出后，存储帧头的移位寄存器恢复初始状态，通过并串转换后输出到卷积码编码及合路模块中的卷积码编码器进行卷积编码，卷积码编码器采用连续的编码方式，无需控制线中的START和END指示，只需要VAILD指示数据有效即可，卷积编码后采用CCSDS建议的合路方式，将第二路的比特反向与第一路的数据合到一起，将合路后的数据输出到AD和射频模块进行调制输出。
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种根据所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种根据所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法的步骤。
与现有的技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提出一种基于纠错码的测控链路传输系统、方法、设备及介质。所述系统和方法通过基于纠错码的测控链路传输系统，能够在恶劣信道下检测和纠正传输系统的可靠性和完整性，满足测控系统的误码性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为一种基于纠错码的测控链路传输系统的原理框图。
图2为RS编码器示意图。
图3为卷积码编码器示意图。图中，G1表示第一路编码中移位寄存器和加法器的物理连接方式，G2表示第二路编码中移位寄存器和加法器的物理连接方式，C1表示第一路编码的结果，C2表示第二路编码的结果，通过开关S1两个结果合到一路上，D表示寄存器，S1表示开关。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
结合图1-3，本发明提出一种用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统，所述系统包括遥测管理模块，速率切换及数据切片模块，RS编码及加帧头模块和卷积码编码及合路模块；
所述遥测管理模块：接收来自中心机的星上其他单机遥测以及管理本机状态形成本机遥测，在中心机下发遥测数量达到两帧时，应答机开始下发星上遥测，在中心机未下发遥测期间，应答机下发本机遥测；
所述速率切换及切片模块：中心机下发的遥测速率不变，在编码后会添加冗余校验信息以及帧头，通过速率切换及切片模块对遥测数据进行速率切换以及数据切片，为帧头和冗余校验信息的插入提供空间；
所述RS编码及加帧头模块：将切片后的数据不足223字节时按223字节补全，使用虚拟的0填充，并使用数据控制总线指示一帧的开始及结束，切片完成的数据流进入RS编码及加帧头模块进行数据编码，RS编码及加帧头模块编码完成后每223字节的数据流自带32字节的冗余编码，编码完成的数据去掉虚拟填充的0比特并在编码后的数据前插入RS码帧头0x1ACFFC1D；
所述卷积码编码及合路模块：将RS编码及加帧头后的数据送入(2,1,7)卷积码编码器，并进行合路，为了合路后比特有随机化的特性，将编码后第二路数据进行取反。
所述测控链路传输系统在通信过程中，其通信的总线接口包括数据线和控制线。
所述数据线由读取中心机下发遥测组成，先进入FIFO缓存，增加系统的稳定性，通过控制FIFO写信号和读信号的时间比值，完成信号的速率切换，由于读信号比写信号速率高，控制在FIFO存的数据到达一定数量时开始读取。
所述控制线由经FIFO读取出来的数据经过处理后得到，包括指示遥测帧的帧头STRAT，帧尾END，以及数据有效信号VAILD，用于后续指示符号。
START检测到帧头时，相干器自动输出一个拉高信号，持续一个激励周期，同时为了使数据线信号与控制线信号对齐，对数据线信号延时帧头长度个激励周期，使用计数器，一个激励周期内，计数器加1，同时在帧长度个的激励周期中，VAILD持续拉高，在计数器到帧长度时，END拉高，同时在下一个激励到来时，VAILD和END同时拉低，计数器清零，等待一段时间后，开始下一帧的传输，等待时间为插入冗余校验信息以及RS码帧头需要的时间间隔，将这帧比特流进行串并转换，输入RS编码及加帧头模块。RS编码器如图2所示，RS编码及加帧头模块中的RS编码器为有限域GF(8)上的多项式除法器。多项式除法器由寄存器和有限域乘法器组成，其中有限域乘法器存储所有可能的GF乘法输出，在硬件上作为查找表(lut)实现。在图2中，g0、g1、g2、g3等直到gE-1表示生成器多项式系数，b0、b1、b2、b3等直到bE-1表示寄存器，其中E等于32，寄存器用来存储校验符号。
本发明提出一种根据所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在遥测管理模块中，接收并缓存各个遥测源的数据流，进行数据处理和管理，生成待编码的数据流；
步骤2：根据卫星遥测系统的需求，通过速率切换及切片模块实时切换传输速率，并将待传输的数据切割成若干个数据包，各个数据包中留有一定的时间间隔，方便编码冗余信息的插入；
步骤3：在RS编码及加帧头模块中，对数据包进行RS编码纠错处理，并添加帧头信息，以实现数据的同步和识别；
步骤4：通过卷积码编码及合路模块对数据进行进一步处理，并将编码后的数据进行整合和合并。
在当前帧的第一个输入即START有效后的第三个激励信号，RS编码器开始输出数据到32位的移位寄存器中，移位寄存器的初始状态为RS码的帧头0x1ACFFC1D，当最后一个输入消息符号到达时，即END有效时，此时寄存器中的值是该帧的冗余校验符号，当校验符号完全输出后，存储帧头的移位寄存器恢复初始状态，通过并串转换后输出到卷积码编码及合路模块中的卷积码编码器进行卷积编码，卷积码编码器采用连续的编码方式，无需控制线中的START和END指示，只需要VAILD指示数据有效即可，卷积编码后采用CCSDS建议的合路方式，将第二路的比特反向与第一路的数据合到一起，具体编码方式如图3所示，将合路后的数据输出到AD和射频模块进行调制输出。
本发明提出一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述一种根据所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法的步骤。
本发明提出一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时实现所述一种根据所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法的步骤。
本申请实施例中的存储器可以是易失性存储器或非易失性存储器，或可包括易失性和非易失性存储器两者。其中，非易失性存储器可以是只读存储器（read only memory，ROM）、可编程只读存储器（programmable ROM，PROM）、可擦除可编程只读存储器（erasablePROM，EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（electrically EPROM，EEPROM）或闪存。易失性存储器可以是随机存取存储器（random access memory，RAM），其用作外部高速缓存。通过示例性但不是限制性说明，许多形式的RAM 可用，例如静态随机存取存储器（static RAM，SRAM）、动态随机存取存储器（dynamic RAM，DRAM）、同步动态随机存取存储器（synchronousDRAM，SDRAM）、双倍数据速率同步动态随机存取存储器（double data rate SDRAM，DDRSDRAM）、增强型同步动态随机存取存储器（enhanced SDRAM，ESDRAM）、同步连接动态随机存取存储器（synchlink DRAM，SLDRAM）和直接内存总线随机存取存储器（direct rambusRAM，DR RAM）。应注意，本发明描述的方法的存储器旨在包括但不限于这些和任意其它适合类型的存储器。
在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用软件实现时，可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行所述计算机指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线（例如同轴电缆、光纤、数字用户线（digital subscriber line，DSL））或无线（例如红外、无线、微波等）方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输。所述计算机可读存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质（例如，软盘、硬盘、磁带）、光介质（例如，高密度数字视频光盘（digital video disc，DVD））、或者半导体介质（例如，固态硬盘（solid state disc，SSD））等。
在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软 件形式的指令完成。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。
应注意，本申请实施例中的处理器可以是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法实施例的各步骤可以通过处理器中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器可以是通用处理器、数字信号处理器（DSP）、专用集成电路（ASIC）、现场可编程门阵列（FPGA）或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本申请实施例所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。
以上对本发明所提出的一种基于纠错码的测控链路传输系统、方法、设备及介质进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统，其特征在于，所述系统包括遥测管理模块，速率切换及数据切片模块，RS编码及加帧头模块和卷积码编码及合路模块；
所述遥测管理模块：接收来自中心机的星上其他单机遥测以及管理本机状态形成本机遥测，在中心机下发遥测数量达到两帧时，应答机开始下发星上遥测，在中心机未下发遥测期间，应答机下发本机遥测；
所述速率切换及切片模块：中心机下发的遥测速率不变，在编码后会添加冗余校验信息以及帧头，通过速率切换及切片模块对遥测数据进行速率切换以及数据切片，为帧头和冗余校验信息的插入提供空间；
所述RS编码及加帧头模块：将切片后的数据不足223字节时按223字节补全，使用虚拟的0填充，并使用数据控制总线指示一帧的开始及结束，切片完成的数据流进入RS编码及加帧头模块进行数据编码，RS编码及加帧头模块编码完成后每223字节的数据流自带32字节的冗余编码，编码完成的数据去掉虚拟填充的0比特并在编码后的数据前插入RS码帧头0x1ACFFC1 D；
所述卷积码编码及合路模块：将RS编码及加帧头后的数据送入(2,1,7)卷积码编码器，并进行合路，将编码后第二路数据进行取反；
START检测到帧头时，相干器自动输出一个拉高信号，持续一个激励周期，同时为了使数据线信号与控制线信号对齐，对数据线信号延时帧头长度个激励周期，使用计数器，一个激励周期内，计数器加1，同时在帧长度个的激励周期中，VAILD持续拉高，在计数器到帧长度时，END拉高，同时在下一个激励到来时，VAILD和END同时拉低，计数器清零，等待一段时间后，开始下一帧的传输，等待时间为插入冗余校验信息以及RS码帧头需要的时间间隔，将这帧比特流进行串并转换，输入RS编码及加帧头模块。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述测控链路传输系统在通信过程中，其通信的总线接口包括数据线和控制线。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述数据线由读取中心机下发遥测组成，先进入FIFO缓存，通过控制FIFO写信号和读信号的时间比值，完成信号的速率切换，控制在FIFO存的数据到达一定数量时开始读取。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述控制线由经FIFO读取出来的数据经过处理后得到，包括指示遥测帧的帧头STRAT，帧尾END，以及数据有效信号VAILD，所述控制线用于后续指示符号。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，RS编码及加帧头模块中的RS编码器为有限域GF(8)上的多项式除法器。
6.一种根据权利要求5所述的用于星上的基于纠错码的测控链路传输系统的测控链路传输方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：在遥测管理模块中，接收并缓存各个遥测源的数据流，进行数据处理和管理，生成待编码的数据流；
步骤2：根据卫星遥测系统的需求，通过速率切换及切片模块实时切换传输速率，并将待传输的数据切割成若干个数据包，各个数据包中留有一定的时间间隔；
步骤3：在RS编码及加帧头模块中，对数据包进行RS编码纠错处理，并添加帧头信息，以实现数据的同步和识别；
步骤4：通过卷积码编码及合路模块对数据进行进一步处理，并将编码后的数据进行整合和合并；
在当前帧的第一个输入即START有效后的第三个激励信号，RS编码器开始输出数据到32位的移位寄存器中，移位寄存器的初始状态为RS码的帧头0x1ACFFC1D，当最后一个输入消息符号到达时，即END有效时，此时寄存器中的值是该帧的冗余校验符号，当校验符号完全输出后，存储帧头的移位寄存器恢复初始状态，通过并串转换后输出到卷积码编码及合路模块中的卷积码编码器进行卷积编码，卷积码编码器采用连续的编码方式，无需控制线中的START和END指示，只需要VAILD指示数据有效即可，卷积编码后采用CCSDS建议的合路方式，将第二路的比特反向与第一路的数据合到一起，将合路后的数据输出到AD和射频模块进行调制输出。
7.一种电子设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求6所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现权利要求6所述方法的步骤。
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