CN202454072U - 一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置 - Google Patents
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Abstract
一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，包括主份光纤数据通道和备份光纤数据通道，主份光纤数据通道包括主份信号处理器和由主通道和备通道组成的主份数传接口；备份光纤数据通道包括备份信号处理器和由主通道和备通道组成的备份数传接口；主份、备份数传接口的每个通道由光发送模块、光纤连接器和光纤组成，光发送模块与光纤之间通过光纤连接器连接；主份信号处理器连接驱动器，驱动器的一路连接主份数传接口中的主通道，另一路连接备份数传接口中的备通道；备份信号处理器连接驱动器二，驱动器二的一路连接主份数传接口中的备通道，另一路连接备份数传接口中的主通道。
Description
技术领域
本实用新型涉及空间光学遥感器，特别涉及空间光学遥感器的图像数据高速上传系统。
背景技术
空间光学遥感器未来的发展方向将是高的空间分辨率、宽的地景幅面、多的光谱信号。那么在空间光学遥感器中，由信号处理器处理(图像采集的模拟信号转数字信号处理&图像数字合成处理)后，再上传卫星数传分系统的数字图像数据也将呈几倍的数量级增长。
光纤通信采用了半导体光源的终端和光纤的传输介质，相比于其他通信方式有明显的优越性：传输容量大，传输损耗小，抗干扰能力强，质量轻，耐腐蚀等。将光纤传输技术应用于空间光学遥感器的数据上传系统，数据传输将有很大的提升。
光纤数据上传系统由以下四大部分组成：光学遥感信号处理器，光发送模块，光纤连接器，光纤，如图1和图2所示。尽管采用宇航级高可靠性器件，但是，由于发射振动、瞬间冲击及空间高辐射等空间航天恶劣应用环境下，将光纤数据传输应用于空间光学遥感器，仍存在一定的风险性。
空间光学遥感器的数据上传系统为最为关键的部分，光纤数据传输通道包含四大部分，其中若某个组件出现问题，空间光学遥感器的图像数据将无法上传卫星平台数传分系统，光学遥感器将处于无效工作状态。因此，有必要对光纤数据上传装置进行设计，以减少任务故障，提高任务可靠性。
发明内容
本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出在空间光学遥感器上采用交叉双主备光纤数据上传装置，此硬件冗余设计实现了数字图像可靠上传卫星平台数传分系统。
本实用新型的技术解决方案是：一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，包括主份光纤数据通道和备份光纤数据通道，主份光纤数据通道包括主份信号处理器和由主通道和备通道组成的主份数传接口；备份光纤数据通道包括备份信号处理器和由主通道和备通道组成的备份数传接口；主份、备份数传接口的每个通道由光发送模块、光纤连接器和光纤组成，光发送模块与光纤之间通过光纤连接器连接；主份信号处理器分成两路，一路连接主份数传接口中的主通道，另一路连接备份数传接口中的备通道；备份信号处理器分成两路，一路连接主份数传接口中的备通道，另一路连接备份数传接口中的主通道。
还包括两个驱动器，分别连接主份信号处理器、备份信号处理器的输出。
所述的主份信号处理器和备份信号处理器采用内嵌SerDes硬核模块FPGA实现，FPGA采用双通道输出。
所述的主份信号处理器和备份信号处理器采用非内嵌SerDes硬核模块FPGA和SerDes收发器实现，SerDes收发器连接在驱动器与主份数传接口、备份数传接口之间。
所述的上传装置中的所有部件采用宇航等级器件。
本实用新型与现有技术相比有益效果为：
(1)增强光纤连接器、光纤、光发送模块正常工作的可靠性。
数据传输通道分出主份数传接口和备份数传接口，这种一分二的传输方法实现了两路接口(主份&备份数传接口)传输数据。这样使光纤连接器、光纤、光发送模块的整体可靠性系数增加了一倍，即2倍于无主备份的光纤数传系统。
同时由于在信号处理器又采用了主备份设计，数据通道形成双主备份形式，并互相交叉分别输出到主份&备份数传接口。这样使光纤连接器、光纤、光发送模块的整体可靠性系数在上述主备份的基础上又增加了一倍，即4倍于无主备份的光纤数传系统。
(2)增强信号处理器正常工作的可靠性。
信号处理器采用了主备份设计，同时存在相同的两套电路。这样使信号处理部分的电路整体可靠性增加了一倍。
(3)主备份冗余设计并没有额外增加空间光学遥感器的电源消耗
由于遥感卫星的能源限制，该双主备份设计采用冷备份，通过控制信号EN启动主备份和交叉双备份指令更换工作；同时通过控制指令，使不需要工作的光发送模块处于待机状态。因此，在某时刻，只有一路通道处于开启状态。这样，和没有主备份光纤数传系统的电能功耗几乎一致。
附图说明
图1和图2是现有技术示意图；
图3和图4是本实用新型两种装置原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明的实现过程。一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，装置采用主备份形式：首先，数据传输通道分出主份数传接口和备份数传接口，这种一分二的传输方法实现了双接口(主份&备份数传接口)传输数据。其次，在信号处理器采用了主备份设计，即在空间光学遥感器中同时存在主份信号处理器和备份信号处理器，两套电路设计完全相同。两套信号处理器各自同样进行了上述的数据传输通道的主备份设计，数据通道形成了双主备份形式。
具体装置结构如图4所示，包括主份光纤数据通道和备份光纤数据通道，主份光纤数据通道包括主份信号处理器和由主通道和备通道组成的主份数传接口；备份光纤数据通道包括备份信号处理器和由主通道和备通道组成的备份数传接口；主份、备份数传接口的每个通道由光发送模块、光纤连接器和光纤组成，光发送模块与光纤之间通过光纤连接器连接；主份信号处理器连接驱动器，驱动器的一路连接主份数传接口中的主通道，另一路连接备份数传接口中的备通道；备份信号处理器连接驱动器二，驱动器二的一路连接主份数传接口中的备通道，另一路连接备份数传接口中的主通道。
本实用新型采用交叉双主备光纤数据传输装置，实现将光学遥感器的CCD高速数字信号高速大容量上传卫星平台的数传分系统。针对信号处理器内FPGA有无内嵌(SerDes)硬核模块的情况，本实用新型设计为相应的两种装置，实现原理方式如图3和图4所示。
图3和图4分别为信号处理器内FPGA无内嵌SerDes硬核和信号处理器内FPGA内嵌SerDes硬核的两种双主备光纤数据单向传输方式，实现空间光学遥感器CCD数字信号高速上传至卫星平台的功能。图中，主-主：表示主份的主通道；主-备：表示主份的备通道；备-主：表示备份的主通道；备-备：表示备份的备通道。
(一)信号处理器内FPGA无内嵌SerDes硬核
含非内嵌SerDes硬核模块FPGA的信号处理器，需要SerDes收发器进行并行数据转换成串行数据，SerDes收发器连接在驱动器与主份数传接口、备份数传接口之间。图3中SerDes收发器1、2(主份)和SerDes收发器1、2(备份)为高速数据收发器件，实现数据的串行/解串即SerDes(Serializer/Deserializer)功能，即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，在接收端高速串行信号被转换成低速的并行信号。
图3主份数据主传输通道：包括信号处理器1(主份)、驱动器1、SerDes收发器1(主份)、光发送模块1、光纤连接器1、光纤1。实现的功能是：信号处理器1(主份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，由驱动器1并行上传至SerDes收发器1(主份)，SerDes收发器1(主份)完成并行数据转换成串行数据形式，交由光发送模块1完成电信号转换成光信号，经光纤连接器1和光纤1将主份数据单向发送至主份数传接口。
图3主份数据备传输通道：包括信号处理器1(主份)、驱动器1、SerDes收发器2(主份)、光发送模块3、光纤连接器3、光纤3。实现的功能是：信号处理器1(主份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，由驱动器1并行上传至SerDes收发器2(主份)，SerDes收发器2(主份)完成并行数据转换成串行数据形式，交由光发送模块3完成电信号转换成光信号，经光纤连接器3和光纤3将主份数据单向发送至备份数传接口。
图3备份数据备传输通道：包括信号处理器2(备份)、驱动器2、SerDes收发器1(备份)、光发送模块2、光纤连接器2、光纤2。实现的功能是：信号处理器2(备份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，由驱动器2并行上传至SerDes收发器1(备份)，SerDes收发器1(备份)完成并行数据转换成串行数据形式，交由光发送模块2完成电信号转换成光信号，经光纤连接器2和光纤2将备份数据单向发送至主份数传接口。
图3备份数据主传输通道：包括信号处理器2(备份)、驱动器2、SerDes收发器2(备份)、光发送模块4、光纤连接器4、光纤4。实现的功能是：信号处理器2(备份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，由驱动器2并行上传至SerDes收发器2(备份)，SerDes收发器2(备份)完成并行数据转换成串行数据形式，交由光发送模块4完成电信号转换成光信号，经光纤连接器4和光纤4将备份数据单向发送至备份数传接口。
图3原理示意图的工作模式由主/备份信号处理器，SerDes收发器的EN使能信号，光发送模块(表中简称光模块)的发送使能信号等三部分决定，为节省遥感卫星的电能，一般只启动一路通道传输数据，其余通道处于低功耗待机模式。表1为各个工作模式的状态列表。
表1图3原理示意图工作模式状态列表
| 信号处理器(主/备) | EN(1/2/3/4)的状态 | 光发送模块(1/2/3/4)的状态 | 开启的通道 |
| 主份上电，备份下电 | EN1高电平，其余低电平 | 光模块1发送使能，其余关闭发射 | 光纤1通道有数据 |
| 主份上电，备份下电 | EN3高电平，其余低电平 | 光模块3发送使能，其余关闭发射 | 光纤3通道有数据 |
| 主份下电，备份上电 | EN2高电平，其余低电平 | 光模块2发送使能，其余关闭发射 | 光纤2通道有数据 |
| 主份下电，备份上电 | EN4高电平，其余低电平 | 光模块4发送使能，其余关闭发射 | 光纤4通道有数据 |
(二)信号处理器内FPGA内嵌SerDes硬核
所述图4中的信号处理器1(主份)和信号处理器2(备份)中FPGA内嵌串并收发器(SerDes)硬核模块(如Stratix IV GT系列的EP4S100G2F40I1N)，用以实现高速串行总线。采取内嵌硬核方式的FPGA具有高稳定性、低功耗、不占用通用逻辑单元、低成本、易于调试等优势。
图4主份数据主传输通道：包括信号处理器1(主份)、驱动器1、光发送模块1、光纤连接器1、光纤1。实现的功能是：信号处理器1(主份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，同时由内嵌SerDes硬核的FPGA将并行数据转换成高速串行数据由驱动器1，交由光发送模块1完成电信号转换成光信号，经光纤连接器1和光纤1将主份数据单向发送至主份数传接口。
其中，图4主份数据备传输通道：包括信号处理器1(主份)、驱动器1、光发送模块3、光纤连接器3、光纤3。实现的功能是：信号处理器1(主份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，同时由内嵌SerDes硬核的FPGA将并行数据转换成高速串行数据由驱动器1，交由光发送模块3完成电信号转换成光信号，经光纤连接器3和光纤3将主份数据单向发送至备份数传接口。
其中，图4备份数据备传输通道：包括信号处理器2(备份)、驱动器2、光发送模块2、光纤连接器2、光纤2。实现的功能是：信号处理器2(备份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，同时由内嵌SerDes硬核的FPGA将并行数据转换成高速串行数据由驱动器2，交由光发送模块2完成电信号转换成光信号，经光纤连接器2和光纤2将备份数据单向发送至主份数传接口。
其中，图4备份数据主传输通道：包括信号处理器2(备份)、驱动器2、光发送模块4、光纤连接器4、光纤4。实现的功能是：信号处理器2(备份)将信号处理和数据合成的CCD数字图像信号，同时由内嵌SerDes硬核的FPGA将并行数据转换成高速串行数据由驱动器2，交由光发送模块4完成电信号转换成光信号，经光纤连接器4和光纤4将备份数据单向发送至备份数传接口。
图4原理示意图的工作模式由信号处理器主/备工作模块，FPGA通道选择和光发送模块的发送使能信号等三部分决定，为节省遥感卫星的电能，一般只启动一路通道传输数据，其余通道处于低功耗待机模式。表2为各个工作模式的状态列表。
需要具体说明的是：为满足高可靠性高速数据传输系统中点对点的LVDS/CML的设计规范，内嵌(SerDes)硬核模块的FPGA需要双通道输出途径，然后双通道数据分别经过电光转换，分别传输至主份数传接口和备份数传接口。
表2图4原理示意图工作模式状态列表
| 信号处理器(主/备) | FPGA通道状态 | 光发送模块(1/2/3/4)的状态 | 开启的通道 |
| 主份上电，备份下电 | FPGA1通道1开启 | 光模块1发送使能，其余关闭发射 | 光纤1通道有数据 |
| 主份上电，备份下电 | FPGA1通道2开启 | 光模块3发送使能，其余关闭发射 | 光纤3通道有数据 |
| 主份下电，备份上电 | FPGA2通道1开启 | 光模块2发送使能，其余关闭发射 | 光纤2通道有数据 |
| 主份下电，备份上电 | FPGA2通道2开启 | 光模块4发送使能，其余关闭发射 | 光纤4通道有数据 |
上述器件需采用宇航等级器件，具有抗空间辐射，发射振动和瞬间冲击等要求。
实施例
上述图3和图4中的上传卫星数传分系统的数据通道总共为4个高速光纤传输通道。除图3中需要SerDes收发器，每个传输通道均采用相同的组成结构，包括：光发送模块，光纤连接器，光纤组成。
(1)光发送模块
本实用新型中的光发送模块采用VTT SPFI 002-6G。光发送模块主要作用是将电信号和光信号进行相应的转换，实现将电信号转换光信号发送。
特点：850nm的工作波长，多模光纤；单通道发送，传输速率可高达6.25Gbps的；采用小尺寸48引脚QFN封装，尺寸仅为17×17×5mm3；宽工作温度范围：-40～85℃；功耗低，最大功耗小于230mW；随机振动可达25grms，机械冲击可达3000g；抗gamma辐射高达100krad。
(2)光纤连接器
本实用新型中的光纤连接器采用ELIO系列的光纤连接器：8D5E09TF01N插头、8D0E09TF02N插座。
特点：材料为钛壳体镀镍，材质较轻符合航天环境；由MIL-DTL-38999K系列III派生的产品；经过ARINC 801，EN4531，BS1379等标准认证；采用标准的38999壳体和特殊绝缘安装板；采用卡口是保持系统，安装和拆卸均很方便；连接设计可靠，抗强烈振动。
(3)光纤
光纤作用是形成光信号传输通道，实现信号处理器的数字图像信号使用光信号传输的方式进行高速数据传输。本实用新型中的光纤采用抗辐射特种多模光纤GR 50/125-23-HTA。和传统的多模光纤相比，抗辐射特种多模光纤能够承受极为恶劣的环境，能够在大幅度，快速变化的温度环境中有稳定的性能。
特点：具有抗辐射特性，工作在低地球轨道，近太空和远太空领域的辐射环境中；涂覆层材料选用抗高温的双层高温丙烯酸聚酯(Acrylate)；出色的光纤一致性和更小纤芯/包层同心度偏差，这样可以降低光纤本身导致的信号干扰；温度范围宽：-55至+125度；
(4)SerDes收发器
SerDes收发器采用TLK2711，作为高速传输链路中核心器件，实现数据的串行/解串SerDes(Serializer/Deserializer)功能，即在发送端多路低速并行信号被转换成高速串行信号，在接收端高速串行信号被转换成低速的并行信号。在本实用新型中，处于发送端，只将并行信号转换成高速串行信号。
特点：支持1.6Gbps到2.7Gbps的串行数据率(工业级)，提供超过2.16Gbps的信号带宽；64引脚的VQFP封装；2.5v的电压供电；8B/10B编码；抗辐射总剂量达100Krad。低功耗，满载功耗小于390mW。
本实用新型未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (5)
1.一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，其特征在于：包括主份光纤数据通道和备份光纤数据通道，主份光纤数据通道包括主份信号处理器和由主通道和备通道组成的主份数传接口；备份光纤数据通道包括备份信号处理器和由主通道和备通道组成的备份数传接口；主份、备份数传接口的每个通道由光发送模块、光纤连接器和光纤组成，光发送模块与光纤之间通过光纤连接器连接；主份信号处理器分成两路，一路连接主份数传接口中的主通道，另一路连接备份数传接口中的备通道；备份信号处理器分成两路，一路连接主份数传接口中的备通道，另一路连接备份数传接口中的主通道。
2.根据权利要求1所述的一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，其特征在于：还包括两个驱动器，分别连接主份信号处理器、备份信号处理器的输出。
3.根据权利要求1或2所述的一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，其特征在于：所述的主份信号处理器和备份信号处理器采用内嵌SerDes硬核模块FPGA实现，FPGA采用双通道输出。
4.根据权利要求1或2所述的一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，其特征在于：所述的主份信号处理器和备份信号处理器采用非内嵌SerDes硬核模块FPGA和SerDes收发器实现，SerDes收发器连接在驱动器与主份数传接口、备份数传接口之间。
5.根据权利要求1或2所述的一种空间光学遥感器的交叉双主备光纤数据上传装置，其特征在于：所述的上传装置中的所有部件采用宇航等级器件。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN105374200A (zh) * | 2015-10-16 | 2016-03-02 | 北京精密机电控制设备研究所 | 一种高速可靠的远程数据采集存储系统 |
| CN110380916A (zh) * | 2019-08-26 | 2019-10-25 | 上海航天测控通信研究所 | 自适应切换的以太网交叉冗余备份系统和方法 |
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