Спутники дистанционного зондирования позволяют получать изображения Земли с орбит, находящихся на высоте сотен километров над землей. Необработанные данные полезной нагрузки нельзя использовать напрямую; вместо этого требуется полный набор оборудования наземной станции для выполнения радиочастотного приема, оцифровки, синхронизации сигналов, демодуляции и декодирования, анализа протоколов и реконструкции изображений, в конечном итоге создавая стандартизированные, пригодные для использования продукты изображения. Среди них .высокоскоростное-устройство обработки данных в основной полосе частот с-архитектурой VPX-, то есть оборудование обработки данных дистанционного зондирования -, которое служит основным узлом наземной приемной системы: оно взаимодействует с цепочкой радиочастотного приема антенны на переднем конце и выводит полные достоверные данные на системы быстрого-просмотра, системы хранения и отраслевые-рабочие станции на заднем конце. В следующем разделе представлено подробное описание стандартизированного рабочего процесса обработки и аппаратной архитектуры устройства на основе фактического канала передачи сигнала со спутника-на-землю.
1. Входной-частотный вход и цепочка цифровой предварительной обработки
Когда спутник проходит над головой, параболическая антенна захватывает радиочастотную несущую нисходящей линии связи спутника. После усиления малошумящим усилителем (LNA) и фильтрации сигнал отправляется на внешний преобразователь с понижением частоты, который преобразует высокочастотный радиочастотный сигнал с понижением-частоты в стандартную промежуточную частоту. Устройство поддерживает два типа входных характеристик:
1) Стандартные входы ПЧ: общие ПЧ 70 МГц и 140 МГц; устройство может быть сконфигурировано с использованием выделенного ПЧ 720 МГц в качестве индивидуального решения;
2) Прямой вход радиочастотного диапазона L-: поддерживает прямой ввод сигналов диапазона L- в диапазоне 950–1500 МГц; Встроенный-модуль вторичного преобразования с понижением частоты преобразует сигнал в стандартную промежуточную частоту устройства.
После того как сигнал промежуточной-частоты подается в оборудование основной полосы, он сначала подвергается автоматической регулировке усиления (АРУ) и фильтрации промежуточной-частоты, а затем дискретизируется с помощью высокоскоростного-аналогово-{3}}--цифрового преобразователя (АЦП), преобразующего аналоговый сигнал промежуточной-частоты в сложный цифровой поток выборок основной полосы частот. Все операции синхронизации, демодуляции и декодирования выполняются на основе цифрового образца сигнала.
Из-за высокой-скорости движения спутника на орбите сигнал нисходящей линии связи несет в себе широкий диапазон доплеровских сдвигов. Устройство включает в себя контур отслеживания несущей внутри своей FPGA, который регулирует частоту и фазу локального генератора с числовым программным управлением (NCO) в реальном времени, чтобы непрерывно компенсировать доплеровские сдвиги и поддерживать стабильную синхронизацию сигнала. Процесс синхронизации следует стандартной инженерной последовательности: сначала синхронизация битов, затем точное отслеживание несущей. Модуль битовой синхронизации извлекает точные тактовые сигналы синхронизации символа из потока дискретизированных данных, обеспечивая унифицированную привязку времени для цикла несущей и принятия решения по символу, тем самым предотвращая смещение выборки символов и потерю синхронизации, вызванные доплеровским сдвигом.
2. Многоформатная демодуляция и декодирование с коррекцией ошибок канала.
После завершения синхронизации и блокировки поток цифровых символов поступает в механизм аппаратной демодуляции FPGA. Устройство включает в себя IP-ядро демодуляции, совместимое с основными спутниковыми системами дистанционного зондирования, поддерживающее такие схемы модуляции, как BPSK, QPSK, SQPSK, 16QAM и GMSK. Его можно адаптировать к различным моделям спутников, просто переключая параметры программного обеспечения, без необходимости замены аппаратных плат.
Процесс пространственной передачи приводит к появлению шума и замираний, которые вызывают битовые ошибки. Встроенный-передатчик применяет многоуровневые коды коррекции ошибок канала-, а оборудование основной полосы частот оснащено соответствующими модулями декодирования: оно поддерживает коды RS, сверточное декодирование Витерби и декодирование с мягким-решением LDPC. Аппаратное параллельное ускорение обеспечивает высокую-пропускную способность, коррекцию ошибок-в реальном времени, максимальное восстановление ошибок передачи и вывод чистого,-потока битовых данных без ошибок.
3. Стандартное устранение перемежения CCSDS, синхронизация кадров и анализ пакетов.
Все гражданские и коммерческие спутники дистанционного зондирования единообразно соответствуют стандарту системы космических данных CCSDS, а оборудование полностью реализует сквозную--обработку CCSDS: данные спутниковой нисходящей линии связи шифруются с использованием псевдослучайной последовательности для подавления утечки несущей; после декодирования сначала выполняется операция де-скремблирования для восстановления исходного рандомизированного потока битов.
После дескремблирования модуль ищет и фиксирует настраиваемый заголовок синхронизации кадров, чтобы определить начало каждого кадра данных; затем он анализирует поля заголовка кадра для извлечения VCID (идентификатор виртуального канала) и APID (идентификатор прикладного процесса), тем самым различая несколько типов потоков данных: пакеты данных оптического/инфракрасного мультиспектрального изображения полезной нагрузки, пакеты вспомогательных данных спутниковой телеметрии и бортовые вспомогательные данные об ориентации и орбите.
Система классифицирует и маршрутизирует данные о загрузке и вспомогательную информацию на основе APID; вспомогательные данные кэшируются и архивируются отдельно, а пакеты данных сжатого изображения отправляются в блок декомпрессии изображения для независимой обработки.
4. Декомпрессия-в реальном времени и реконструкция сжатых изображений на плате.
Для экономии пропускной способности нисходящей линии связи оптические, гиперспектральные и инфракрасные спутники дистанционного зондирования обычно оснащаются встроенными-модулями сжатия в реальном времени-, совместимыми с тремя основными стандартами сжатия:
1) Стандарт космического не-разрушающего контроля: CCSDS 123 (специально для мультиспектральных/гиперспектральных 3D-изображений);
2) общего-без потерь качества: JPEGLS;
3) Высокоточное сжатие с потерями-: JPEG 2000.
Устройство базовой полосы оснащено многоядерным-ЦП в сочетании со специальным блоком ускорения распаковки. Он адаптивно выбирает соответствующий алгоритм на основе флагов сжатия в заголовках пакетов и динамически настраивает параметры декомпрессии, чтобы сбалансировать задержку обработки и точность изображения, полностью восстанавливая исходные изображения с разрешением менее-метра-для удовлетворения требований высокоточных-приложений, таких как национальная геодезия и мониторинг сельского и лесного хозяйства.
5. Архитектура гетерогенных вычислений VPX в реальном времени-(FPGA + многоядерный-ЦП)
В оборудовании обработки данных дистанционного зондирования используется стандартное шасси повышенной прочности VPX и гетерогенная параллельная архитектура, сочетающая аппаратное ускорение FPGA с многоядерными процессорами общего-вычисления. В отличие от чисто программных-многоядерных-решений, оно поддерживает максимальную пропускную способность-в реальном времени 800 Мбит/с на канал:
1) Логический уровень FPGA: выполняет задачи физического уровня-в реальном-времени-отслеживания несущей, синхронизации битов, демодуляции, декодирования LDPC/Витерби, синхронизации кадров, а также де-скремблирования и декадрирования CCSDS-с использованием параллельного конвейера миллиона-уровней для обработки высокоскоростных-потоков данных с нулевой задержкой;
2) Уровень-программного обеспечения реального времени для многоядерных-ЦП: отвечает за распаковку изображений, быстрое-генерирование представлений, планирование задач, мониторинг состояния, маршрутизацию и распределение данных, а также удаленное управление операциями и взаимодействие по обслуживанию;
3) Декомпозиция модульной сборочной линии: синхронизация несущей, демодуляция и декодирование, анализ протоколов, декомпрессия и быстрый предварительный просмотр, а также распределение данных разделены на независимые блоки задач и планируются параллельно между ядрами ЦП и каналами FPGA.
Система поддерживает программную реконфигурацию топологии-определяемых задач: при переключении между спутниками с различными параметрами персонал эксплуатации и технического обслуживания может использовать серверное программное обеспечение для реконфигурации потоков данных модуля, скорости кодирования, параметров модуляции и кодирования, а также слов кадровой синхронизации; в подавляющем большинстве сценариев никаких модификаций оборудования не требуется. Только в сценариях, связанных с полосой пропускания РЧ или особыми требованиями к полосе частот, необходимо заменять внешний-модуль РЧ-фильтра.
6. Высокоскоростной-обмен данными и масштабируемые решения для хранения данных
Устройство оснащено несколькими типами высокоскоростных-сервисных интерфейсов для поддержки сквозного--обмена данными между внешним и внутренним устройствами:
Входы-внешней части: 10-гигабитных оптических портов и высокоскоростные-дифференциальные интерфейсы LVDS, которые принимают потоки оцифрованных радиочастотных данных от внешней части;
Внутренний выход: Gigabit Ethernet, 10-Gigabit Ethernet, используемый для распространения распакованного видео и данных QuickView;
Cluster Interconnect: высокоскоростная-шина IB, в основном используемая для соединения кластеров с несколькими-устройствами и серверных пулов хранения данных большой-емкости; не используется для внешнего-доступа к радиочастотному сигналу.
Стандартная скорость обработки для одного канала составляет от 10 Мбит/с до 800 Мбит/с; при работе в двух-параллельном режиме пропускная способность удваивается. Хранилище расширяется за счет внешнего дискового массива, при этом емкость хранилища линейно масштабируется в зависимости от количества жестких дисков в массиве и пропускной способности объединительной платы. Однако из-за ограничений, налагаемых аппаратными слотами и пропускной способностью ввода-вывода, емкость не может расширяться бесконечно; этого достаточно для удовлетворения потребностей в ежедневном хранении огромных объемов данных дистанционного зондирования.
7. Полная-связь в реальном времени-мониторинг качества и высокая-эксплуатационная поддержка
Система развертывает иерархические узлы мониторинга состояния по всей цепочке обработки сигналов для непрерывной записи операционных показателей:
1) Физический уровень: демодуляция Eb/N0, частота ошибок по битам в реальном-времени, состояние синхронизации несущей/бит, доплеровский сдвиг;
2) Уровень канала передачи данных: количество блокировок кадровой синхронизации-, результаты контрольной суммы пакетов и статистика целостности пакетов APID;
3) Бизнес-уровень: частота кадров декомпрессии, задержка вывода QuickView и пропускная способность интерфейса.
Все журналы сигналов тревоги и операционные показатели отображаются локально в режиме реального времени, автоматически архивируются и сохраняются. Система поддерживает как локальную консоль, так и удаленный веб-доступ-для эксплуатации и обслуживания. В устройстве используются платы повышенной прочности военного-класса и источник питания с широким-температурным диапазоном, среднее время наработки на отказ (MTBF) которого превышает или равно 25 000 часов, что соответствует требованиям длительной-непрерывной круглосуточной работы на наземных станциях.
8. Реализация проекта и отраслевое применение
Эта серия оборудования для обработки данных дистанционного зондирования была развернута в больших количествах на нескольких отечественных гражданских спутниках дистанционного зондирования, находящихся в настоящее время на орбите, охватывая все типы полезной нагрузки,-включая видимый свет, мультиспектральную, гиперспектральную и инфракрасную-и постоянно производя стандартные изображения с суб-высоким-разрешением. Он широко применяется в гражданских областях, таких как обследование сельскохозяйственных и лесных ресурсов, мониторинг водного хозяйства и борьбы с наводнениями, картирование природных ресурсов и планирование умного города; В то же время он успешно завершил несколько раундов международных совместных испытаний спутниковой---наземной линии связи и совместим со стандартными миссиями дистанционного зондирования CCSDS-из разных стран, демонстрируя стабильную и надежную производительность обработки даже в сложных доплеровских условиях и в условиях низкого отношения сигнала-к-шуму.
9. Описание индивидуальных решений
Если наземной станции необходимо настроить-новую систему спутникового приема, это оборудование для обработки данных дистанционного зондирования предлагает комплексную, глубокую-индивидуальную настройку: центральную частоту промежуточной частоты (ПЧ), схемы модуляции/кодирования, параметры кадра CCSDS, типы высокоскоростных-интерфейсов, количество каналов и емкость хранилища можно настроить по мере необходимости. Оно обеспечивает комплексное-решение по цепочке, начиная от радиочастотного приема,-обработки основной полосы частот в реальном времени и отображения в реальном времени до-хранения и распределения на внутреннем сервере.
Чтобы получить индивидуальный план конфигурации для вашего проекта или официальный документ с подробным описанием технических характеристик, свяжитесь с нашей технической командой:info@satgroundapplication.com
