基于RDEF标准的干涉测量数据编帧实现方法

焦义文, 廉 昕, 马 宏, 史学书

(1.装备学院研究生管理大队,北京101416; 2.装备学院光电装备系,北京101416)

基于RDEF标准的干涉测量数据编帧实现方法

焦义文1, 廉 昕1, 马 宏2, 史学书2

(1.装备学院研究生管理大队,北京101416; 2.装备学院光电装备系,北京101416)

干涉测量数据格式不兼容限制了不同机构间的交互支持能力,难以充分发挥甚长基线干涉测量(very long baseline interferometry,VLBI)的技术潜能。基于RDEF(raw data exchange format)标准研究了干涉测量数据格式的实现方法,给出了数据编帧和数据传输2个关键模块的实现方案。实验结果表明,该方法能够实现干涉测量数据的实时编帧和存储,格式符合RDEF标准。该方法已应用于我国新建深空站中的干涉测量数字终端系统中,提高了我国新建深空站参与国际合作的能力。

甚长基线干涉测量;帧格式编辑;双差分单向测距;深空测控

双差分单向测距(ΔDOR)技术利用已知角位置的射电源作为参考,采用差分技术降低了航天器测量结果中的公共系统误差影响,从而提高了测量精度,成为国际上深空航天器精密测定轨的主要技术手段[1]。ΔDOR技术本质是VLBI技术的扩展应用[2],其测量流程为：首先2个或2个以上异地分布的深空站将观测信号在本地进行基带转换、数据编帧和存储,然后将数据送到远端的数据处理中心,最终得到测量结果[3]。对于VLBI技术,观测站数量越多、基线长度越长,则测量精度越高,因此多个航天机构联合观测已成为发展趋势。但由于不同机构采用的数据格式不兼容,降低了多机构间的交互支持能力,成为迫切需要解决的问题。

针对多机构间ΔDOR的协同观测,空间数据系统咨询委员会(Consultative Committee for Space Data Systems,CCSDS)专门成立了ΔDOR工作组,在制订了数个征求意见的草案版本后,于2013年6月发布了ΔDOR原始数据交换格式(raw data exchange format,RDEF)标准的正式版本[4],用以规范各机构的数据交换格式。我国深空站(黑龙江佳木斯站和新疆喀什站)自建立之初,就考虑到国际合作的重要性,RDEF标准也得到了有关单位和学者的重视。文献[5]对国际上典型的干涉测量数据格式进行了研究和对比,并重点分析了RDEF标准格式,指出其具有科学、简洁和信息丰富等优点,适合作为干涉测量数据的格式标准。文献[6]30对多机构交互支持时所采用的数据交换方法进行了研究,指出NASA (National Aeronautics and Space Administration)、ESA(European Space Agency)和JAXA (Japan Aerospace Exploration Agency)主要采用事后利用软件进行格式转换的方案,其中只有NASA的VLBI科学接收机(VLBI science receiver,VSR)支持实时的RDEF标准格式编辑和存储[7]。鉴于各大航天机构均将遵循RDEF标准,文献[6]31提出我国新建深空站也应支持RDEF标准,以便与国外各机构进行交互支持和验证。目前,未见有文献介绍RDEF标准的详细实现方案,本文将基于深空测控干涉测量数字终端系统平台[8]396,研究基于RDEF标准的干涉测量数据实时帧格式编辑与存储方法。

1 系统平台及RDEF标准简介

1.1 系统平台简介

本文提出的数据编帧方法,以我国自主研发的深空测控干涉测量数字终端系统为平台,其作为深空站内的关键组成部分,主要承担基带转换、帧格式编辑、数据传输和存储等功能。文献[8]397介绍了设备的详细情况,本文简要介绍其数据处理的总体结构,如图1所示。

图1 数据处理的总体结构框图

FPGA1和FPGA2分别对中频1和中频2进行数字基带转换。FPGA3根据系统软件配置,完成基带数据的帧格式编辑,并按照一定时序送给FPGA4。FPGA4负责外设部件互连(peripheral component interconnect,PCI)总线管理,是系统软件与硬件板块间所有命令和数据的传输通道。DDR2 SDRAM(以下简称DDR2)缓存容量为512 MB,用来实现持续数据流与突发传输的PCI总线的速率匹配。经过DDR2缓存后的数据通过PCI总线传输至系统软件申请的内存缓存块中。系统软件将缓存块中的数据进行e-VLBI实时传输或记录到磁盘阵列。FPGA1、FPGA2和FPGA3均可利用FPGA4进行动态配置,实现系统重构,这一特色使得该系统平台可支持多种工作模式和功能,缓解了复杂性与性能之间的矛盾。

1.2 RDEF标准简介

根据RDEF标准,各观测站在每次任务后,将产生1个观测文件和多个产品文件。前者由ASCII字符组成,包含丰富的描述信息,可由系统软件根据任务计划产生,这里不再赘述;对于后者,每个观测站在每次观测时,将为每个子通道单独生成1个产品文件,最多生成16个。每个产品文件包含多个二进制数据帧,每个数据帧由帧头段和数据段组阵。帧头段大小固定为176 Byte,包含该帧数据进行相关处理时所需要的信息,例如子通道采样率、量化位数、数据帧第1个采样点对应时间、子通道累积相位、射频和中频下变频频率等。数据段由1 s产生的采样点组成,每个采样点为复数形式,按照I路在低位,Q路在高位顺序排列。采样点之间按照采样时间顺序排列,首先排列组合成32 bit字,然后32 bit字再顺序排列成整个数据段。因此,数据段必然包含整数个32 bit字,其大小由子通道采样速率和量化位数决定。由以上特点可知,RDEF格式描述信息丰富,结构科学,将测量数据按照子通道和整秒时间进行分离,非常适用于软件相关处理机[9]进行处理,符合未来的发展趋势。

2 关键模块设计

如何按照RDEF标准进行实时数据编帧和存储是需要解决的难点问题,主要体现在：① 数据编帧时,要能够根据子通道采样速率和量化位宽调整每一帧的数据段大小,并加入对应的帧头;②数据传输时,要能够实现多个子通道数据的实时传输和多个文件的同时存储。下面将围绕这2个难点问题,介绍数据编帧和数据传输这2个关键模块的实现方法。

2.1 数据编帧模块

数据编帧模块由图1中的FPGA3实现,其总体实现框图如图2所示。图2的上半部分为数据段产生通道,下半部分为帧头段产生通道,最右边的编帧控制模块将帧头段与数据段组合,并且按照一定时序传输给FPGA4,其实现方法如下。

图2 RDEF帧格式编辑总体实现框图

在数据段产生通道中,FPGA1和FPGA2各产生8个子通道基带数据,每个子通道数据为复数形式,分I路和Q路,带宽为1 k Hz～16 MHz可选,量化位宽为1、2、4、8、16 bit可选。基带数据接收和同步模块按照基带数据传输时序进行接收,并使接收的16个子通道数据同步,速率由数据有效信号决定。有效位宽排列模块根据有效位宽选择控制字,截取每个子通道的I路和Q路数据的高有效位,并统一排列成32 bit字输出。数据先入先出(first in first out,FIFO)管理模块包含16个异步FIFO,用于实现128 MHz到80 MHz的时钟域变换,图2中的虚线表示其两边的时钟域不一致。有效通道循环选择模块根据有效子通道选择控制字,按照有效子通道由低至高的顺序,循环读取有效子通道的定量数据,并写入1个异步FIFO,从而实现了有效子通道的选择,且将各子通道的并行数据流转换成串行数据流,图2中的A、B…X即为有效子通道的串行数据流,数目可以为1～16个。

在帧头段产生通道中,整秒时刻启动与停止命令控制模块在预启动命令发出后的第1个秒脉冲将start_stop信号置为高,开始对有效基带数据进行编帧和传输;在预停止命令发出后的第1个秒脉冲将start_stop信号置为低,停止编帧和传输。帧头信息管理模块首先在系统软件配置下,利用帧头信息寄存器组中的内容进行初始化,然后在start_stop为高后,每秒更新1次帧头信息(如时间信息),并且每秒产生1个秒脉冲信号(dot_1pps),用于系统监视。有效通道帧头产生管理模块根据有效子通道选择控制字,在dot_ 1pps的触发下,每秒产生1组有效子通道的帧头,并将其按照与数据段子通道一致的排列顺序,写入帧头FIFO中,写完后产生1个时钟周期的header_ready脉冲信号。帧头FIFO管理模块包含1个异步FIFO,缓存有效子通道的帧头字,并实现128 MHz到40 MHz的时钟域变换。

编帧控制模块在start_stop信号为高并且接收到header_ready有效脉冲后,开始读取帧头FIFO中的帧头,并输出给FPGA4。当所有帧头段数据传输完毕后,开始读取数据段数据。当data_ready信号为高,读取数据FIFO中的数据; data_ready信号为低时,停止读取,直至1 s的所有数据段都传输完毕后,继续检测header_ready信号,如此循环下去,将编帧数据传输给FPGA4。

2.2 数据传输模块

数据传输模块由图1中的FPGA4实现,其接收数据编帧模块的串行子通道数据流,然后将子通道数据拼凑成系统软件申请的缓存块大小,最后按照子通道由低至高的顺序发送到申请缓存块中,这一功能利用DDR2来实现,其总体实现框图如图3所示。

图3 数据传输模块实现框图

图3 中,WR_FIFO接收来自数据编帧模块的串行子通道数据流,写入端时钟为40 MHz,数据位宽为32 bit,读出端时钟为200 MHz,数据位宽为64 bit。A、B…X为有效子通道的串行数据流。读写DDR2调度状态机负责调度写DDR2操作和读DDR2操作,采用优先级调度策略[10],以WR_FIFO是否达到几乎满状态作为判据。当WR_FIFO达到几乎满状态并且DDR2可写时,开始写DDR2操作,直到WR_FIFO达到几乎空状态。之后,判断是否可以开始读DDR2操作,当数据读出FIFO(RD_FIFO)未满且DDR2中数据可读时,开始读DDR2操作。优先级调度策略保证了写DDR2操作的实时性,在DDR2可写的情况下,WR_FIFO不会出现溢出错误。RD_ FIFO接收来自DDR2的数据流,并将其传输给PCI总线,其写入端时钟为200 MHz,数据位宽为64 bit,读出端时钟为66 MHz,数据位宽为64 bit。

在进行数据传输时,首先,写DDR2操作必须将所有子通道对应的缓存块数据写入DDR2中。假设有效子通道个数为N,系统软件申请的缓存块大小为M,则写DDR2操作必须先将N× M大小的数据写入到DDR2中。然后,开始进行读DDR2操作。由于子通道数据块大小和顺序已知,读DDR2操作以“抽取”的形式,首先抽取通道A的所有数据,将其写入RD_FIFO,当抽取完M大小的数据,则子通道A的数据即拼凑完。然后开始抽取通道B的所有数据。如此循环,直至所有子通道数据都抽取完毕。最后,当所有子通道数据传输完毕,读写DDR2状态机将这个N×M的缓存区置为可写状态,然后判断下一个N×M缓存块是否可读。

3 实验验证

利用深空测控干涉测量数字终端系统平台,对设计方案进行实验验证。基带转换的中心频率设为fs=300 MHz,对f=300.8 MHz的点频输入信号(由信号源产生)进行数字基带转换、帧格式编辑,最后记录在磁盘阵列中。记录完成后,利用Win Hex软件查看二进制数据文件,如图4所示。

图4 RDEF格式数据文件

从图4可以看到帧头字(前176 Byte)和一段数据字。再利用系统软件进行解帧,并计算数据的频谱,如图5所示。输入信号经过基带转换后变为f=0.8 MHz的点频信号,说明记录数据正确。由实验结果可知,本文提出的实现方法正确,符合RDEF标准要求。

图5 回放信号功率谱

4 结束语

基于CCSDS建议的RDEF标准,以深空测控干涉测量数字终端为系统平台,研究了干涉测量数据的实时编帧和存储方法,并给出了数据编帧和数据传输2个关键模块的实现方案。实验结果表明,该方法能够实现实时数据编帧、传输和存储,数据格式符合RDEF标准。目前,深空测控干涉测量数字终端系统已经部署到我国新建深空站,支持Mark 5B和RDEF 2种数据格式,成功参与了ESA的“金星快车”和我国的“嫦娥三号”联合观测任务。通过与国内外各机构的交互支持和验证,推动了我国新建深空站的快速发展。

References)

[1]唐歌实.深空测控无线电测量技术[M].北京：国防工业出版社,2012：94-96.

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[3]丁溯泉,李海涛.相对差分单向测距(△DOR)技术在探月工程中的应用研究[J].空间科学学报,2011,31(6)：789-793.

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[5]刘友永,王鹏毅,郭肃丽.基于CCSDS建议的干涉测量数据格式设计[J].飞行器测控学报,2011,30(增刊)：55-59.

[6]黄磊,郝万宏,李海涛,等.符合CCSDS标准的干涉测量系统接口设计[J].飞行器测控学报,2012,31(增刊)：29-33.

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[9]郑为民,舒逢春,张冬.应用于深空跟踪测量的VLBI软件相关处理技术[J].宇航学报,2008,29(1)：18-23.

[10]焦义文,王元钦,马宏,等.基于优先级调度的高速大容量FIFO缓存设计[J].装备指挥技术学院学报,2011,22(2)：108-112.

(编辑：孙陆青)

Realization Method of Interferometry Data Formatting Based on RDEF Standard

JIAO Yiwen1, LIAN Xin1, MA Hong2, SHI Xueshu2

(1.Department of Graduate Management,Equipment Academy,Beijing 101416,China;
2.Department of Optical and Electronic Equipment,Equipment Academy,Beijing 101416,China)

The incompatibility of interferometry data format limits the cross-support ability between different organizations,and the potential of very long baseline interferometry(VLBI)technique is hard to exert.Based on RDEF standard,the realization method of interferometry data formatting is studied,the design of the two key modules of data frame editing and transferring are introduced.The result shows that the real-time interferometry data formatting and recording can be realized by using this method,and the data format meets the RDEF standard.The method has been applied to the interferometry digital terminal system in our new deep space station,and it can strengthen the international cooperation ability of the new deep space stations of our country.

very long baseline interferometry(VLBI);frame format editing;delta differential one-way range(△DOR);deep space TT&C

P 228.6

2095-3828(2014)04-0089-05

ADOI10.3783/j.issn.2095-3828.2014.04.020

2014-02-28

国家自然科学基金资助项目(61271265)

焦义文(1985-),男,博士研究生.主要研究方向：航天测控.