FY-3卫星DPT延时链路高可靠全球数据获取技术研究

刘 波，张 恒，刘 辉，郭 强，郑莲玉

(1.上海卫星工程研究所,上海 201109； 2.上海航天技术研究院,上海 201109)

FY-3卫星DPT延时链路高可靠全球数据获取技术研究

刘 波1，张 恒1，刘 辉1，郭 强2，郑莲玉1

(1.上海卫星工程研究所,上海 201109； 2.上海航天技术研究院,上海 201109)

为提高风云三号(FY-3)卫星星上全球数据获取的可靠性，根据A，B，C星遥测数据采用全球实时广播链路和延时链路(MPT/DPT)将境内外数据进行拼接而实现各载荷数据全球拼图的不足，对04星仅用DPT延时链路的高可靠全球数据获取技术进行了研究。采用全新的FLASH存储器读写控制及坏区管理技术；用反熔丝FPGA实现高速数据处理，将空间环境影响降至最低；采用星上设计兼容境外记录/境内回放和全球记录/境内回放两种工作模式提高系统的可靠性。介绍了固存读写方式、存储控制模块、固存数据回读和固存坏区管理等FLASH存储器读写控制与处理技术。设计了新型抗单粒子翻转。给出了两种模式兼容的程控方案。性能比对和试验结果表明：提出的全球数据获取技术可全方位保证04星数据的可靠下传和处理，大幅简化了地面应用系统的数据处理，提高了全球载荷数据获取的时效性和可靠性。

极轨气象卫星； 全球拼图； 延迟图像传输； 同时读写； 坏区管理； 单粒子翻转； 反熔丝FPGA； 自主程控

0 引言

FY-3卫星是我国第二代极轨气象卫星，其目标是实现全球、全天候、多光谱、三维定量探测。其数传分系统主要完成星上载荷数据的复接、格式化、存储、信道编码及射频传输等功能。分系统应用了多载荷高可靠数据传输技术和全球数据获取技术，针对我国搭载载荷仪器数量最多的对地遥感卫星数据处理及存取问题，实现了全天候、不间断、高可靠下传十多种载荷遥感数据和卫星工程遥测数据的功能[1-3]。

FY-3A，B，C星上各载荷遥感数据和卫星工程遥测全球数据通过HRPT/MPT链路(实时广播链路)和DPT链路(延时记录与回放链路)下传。地面站配置为国内三站和国外两站，HRPT/MPT链路接收数据起始仰角为5°，DPT链路接收数据起始仰角为7°，地面站采用12 m天线同时接收处理MPT/DPT链路数据，采用4.2 m天线接收处理HRPT链路数据[2]。国内外地面站将接收到的原始数据通过地面光纤专线传输至国家卫星气象中心进行数传帧解析，依据各虚拟通道的VCID标识分包出各载荷实时和延时通道数据，根据载荷包中的星上时间码由人工和软件处理剔除部分重复数据(约20 s)，将HRPT/MPT链路与DPT链路数据进行混拼以获取各载荷的全球数据，每天可获取各载荷的全球拼图。但地面数据处理流程复杂繁琐，空间频带利用率低，受限于MPT链路频带资源，不适于后续载荷速率的提升。另外，卫星在轨实时链路出现故障或性能下降时，将不能获取载荷境内数据，影响载荷数据的全球拼图，卫星使用效能降低[4]。

美国NOAA及欧洲METOP极轨气象卫星通过国外的南北极地面站接收延时数据，国内站接收实时数据，每天发布载荷的全球拼图1次，但对国外气象卫星全球数据获取方案未见相关文献报道[5]。FY-3A，B，C星DPT链路仅记录境外数据，境内快速下传境外探测的数据，DPT链路下传的数据缺少境内数据[6-7]。为解决在轨卫星依靠MPT链路与DPT链路数据混拼的问题，简化地面站数据处理和云图拼接的复杂度，FY-3 04星设计了一种仅通过DPT链路高可靠实现全球数据的记录及下传方案，对星上基带信息处理及自主程控设计进行了改进，星上数传综合处理器可在回放数据的同时记录境内探测数据，对卫星DPT链路全球记录/境内回放工作模式重新进行设计验证。该方案可提高星上全球数据获取的可靠性，简化地面站数据处理流程，改善载荷数据的使用效能。

1 技术原理与方案

通过DPT链路实现全球数据的获取，采用全新的FLASH存储器读写控制及坏区管理技术；用全反熔丝工艺FPGA实现高速数据处理，将空间环境影响降为最低；采用星上设计兼容境外记录/境内回放和全球记录/境内回放两种工作模式提高系统的可靠性，确保全球数据的获取。针对星上资源受限、单机状态早已确定及星上程控设计复杂等技术难题，对以下三个方面进行了研究。

第一，星上需要设计大容量存储器，保证全天时记录卫星载荷探测数据。FY-3C星已实现了固存的大循环读写、回读设计、简单的坏区管理，以及固存只写和只读操作。FY-3 04星在C星基础上，需重新对固存存储控制模块读写FIFO和SRAM进行优化设计，固存主控FPGA软件进行重新编程，即可实现综合处理器同时读写操作。在C星的基础上，04星设计了NAND FLASH固存坏区管理，增加了坏区上注、坏区取消、坏区表下传及坏区检验剔除阈值更改等功能。因此，04星FLASH存储器同时读写控制及坏区管理技术均有一定的工程实现基础，且该技术成熟，在其他卫星上有在轨飞行成功经历。

第二，FY-3A，B，C星使用的FPGA频繁受空间环境影响，丢失载荷数据，偶尔出现无法获取全球数据和实现载荷数据的全球拼图。04星采用基于全反熔丝工艺FPGA抗单粒子翻转处理技术，通过两块200万门反熔丝FPGA实现高速数据的缓存控制、AOS组帧、编码及存取。该技术具抗单粒子翻转效果明显、工艺成熟、可满足后续气象卫星基带处理需求等优点。反熔丝工艺FPGA对空间环境不敏感，根据在轨经验，基本不会出现单粒子翻转事件，且200万门反熔丝FPGA已用于卫星中，有在轨飞行成功经历。

第三，鉴于FY-3卫星在轨数传为星上全自主程序控制设计，仅通过DPT链路实现全球数据的获取，必须更改数传的在轨程序控制模式。04星DPT链路新增全球记录/境内回放工作模式，且兼容C星的境外记录/境内回放工作模式，通过采用星上两种工作模式，地面可注数修改参数实现两种工作模式的切换，有效解决了两种工作模式兼容的难点，提高了系统的灵活性和可靠性。新增的工作模式是在C星的基础上进行优化设计，仅固存的读写指令控制不同，并在地面进行了仿真验证。

2 FLASH存储器读写控制与处理技术

DPT链路高可靠获取全球遥感数据和平台数据，因全球数据需全天时记录和快速下传，采用设计固存的基本操作实现容量的重复利用，由存储控制模块的辅控FPGA缓存满足固存的同时读写操作需求，固存的回读保证两轨数据的无缝衔接，固存坏区管理实现FLASH存储芯片读写、擦除状态下坏区的检测和剔除，从而保证全球数据下传的完整性。

2.1固存读写方式

图1 读写方式设计Fig.1 Reading and writing design

为有效利用固存容量，采用大循环控制方式，固存读写方式包括固存读、固存写、固存处理复位、固存停和固存读停等操作，如图1所示[8]。通过设计独立的读/写指针，并将读写指针位置存储在寄存器中，固存的读写方式基于读写指针控制实现，固存读写指针采用16位地址显示，读/写指针位置地址为0000至FFFF。固存写是指将组帧后的数据写入存储器，并实时更新写指针位置，当写指针遇到读指针时，显示为写溢出状态，自动触发写停操作；固存读是指将存储器记录的数据回放至发射机实现对地下传，当读指针遇到写指针时，显示为读溢出状态，自动触发读停操作；固存同时读写是指存储器在记录数据的同时回放之前记录的数据；固存大循环控制是指读/写指针更新至存储器末尾FFFF处，指针位置从首端0000开始操作，可重复利用固存容量。固存处理复位可恢复存储器上电初始态，读/写指针位置归至零位。

2.2存储控制模块

需实现固存数据的慢写快放，并在固存回放数据的同时记录实时探测的数据，固存缓存控制是关键。

NAND FLASH存储芯片读写均为突发模式并以页为单位(每页容量2 kB)。数据写入需经过数据加载和编程两个步骤：数据加载包括写入指令字、地址字，加载1页数据，再写入指令字，在时钟频率20 MHz下需约200 μs；数据编程将载入的页数据写入对应的页地址，耗时300～700 μs，在此期间芯片数据端处于高阻状态。数据读出无需编程，只需要加载，加载时间约235 μs。FLASH固存读、写过程均需要数据缓存。FLASH芯片的擦除以块为单位，1块为64页。缓存的大小和控制方式直接影响单机的工作模式。固存存储控制以块为最小单元，固存最小颗粒度1 MB。

存储控制模块原理如图2所示。辅控FPGA芯片AX2000-CQ352实现用于记录数据的SRAM写缓存控制，以及用于回放数据的SRAM读缓存控制，实现与AOS板与存储板的数据接口；主控FPGA芯片A54SX72A接收AOS板发送的指令进行解析，采集存储板及辅控的状态遥测，打包送至AOS板，产生存储板需要的指令字序列、区块地址，辅控电路的数据发送和接收，控制EEPROM(非易失性、反复可擦除存储介质)的读写操作，根据存储板的遥测信息确定区块的好坏并及时更新坏区表。EEPROM用于存储FLASH存储板的最新坏区表。读、写缓存分别由AX2000内部FIFO和外部SRAM实现。

图2 存储控制模块原理Fig.2 Principle of storage control module

在写状态下，接收AOS板发送的数据，进行串并转换后存入FIFO写缓存，待FIFO半满后，将数据写入SRAM写缓存。待SRAM写缓存数据达到8 Mb容量时，便将数据快速写入FLASH存储板。由于FLASH存储板进行页写操作(每页为128 kb)，每次页写还需等待时间700 μs，在此期间将FIFO写缓存内的数据写入SRAM。因此，数据的写入操作是在SRAM写缓存的快速写入和快速读出时实现。

在读状态下，接收存储板读出的页数据，写入SRAM读缓存，待SRAM存满8 Mb数据后，便将数据输出至FIFO读缓存。FIFO读缓存根据AOS板发送的时钟读取其中的数据，连续输出至AOS组帧板，实现单机的高速数据连续输出。因SRAM缓存和FIFO缓存均为帧长(1 kB)的整数倍，由此实现了数据整帧记录和回放。

在同时读写状态下，写缓存的FIFO根据载荷速率断续写入，读缓存的FIFO连续输出数据。单端口的读、写缓存SRAM根据主控发来的读、写指令分时从存储板中读数或往存储板中写数。

2.3固存数据回读

图3 FLASH固存回读设计Fig.3 Design of FLASH storage medium back read

由于星地间链路建立需要时间，每次数据下传初始阶段会丢失1～2 s的数据，影响全球数据的完整获取。考虑到星地间的同步时间，为保证连续两轨数据无缝衔接，FY-3A，B星采用下传引导码方式，下传引导码格式为“1ACFFC1D+1234”，引导码帧长1 024 B，该方案由于填充固定数据，不利于星地间同步的建立。04星固存回放时采用回读5 s以上重叠数据，且数据为整帧形式输出，如图3所示。该重叠数据为加扰后的星上载荷真实数据，具较优的随机性，减少了星地间的同步时间。该设计是基于读指针的地址控制实现的，固存每次回放时读指针地址回卷区块144个，每个区块容量8 Mb，回放速率225 Mb/s(回读时间5.12 s)，满足回读大于5 s的要求，实现了本次开始回放的数据即为上次回放数据的末尾，保证两轨数据的无缝衔接。

2.4固存坏区管理

NAND FLASH存储介质可实现大容量数据存储，但FLASH芯片的工艺结构决定了在使用中会产生新的坏区和单比特错误，影响全球数据的完整性[9-10]。04星采取了一种星载NAND FLASH固存坏区管理设计方法，可实现低轨气象卫星数传大容量数据存取，有效剔除FLASH存储芯片产生的新坏区，最高效率管理FLASH固存坏区，保证卫星探测数据存取的正确性及完整性，提高卫星的使用效能。固存坏区管理原理如图4所示。首先读取存储板出厂坏区信息表并存储在EEPROM中，用于异常状态下的静态工作表修复。静态工作表存储在EEPROM中，其初始态即为坏区出厂表。上电时，静态工作表导入片上SRAM，成为动态工作表的初始态。工作过程中，FLASH阵列管理单元查询动态工作表，并在擦除和编程结束时根据芯片的状态反馈，在读操作时根据数据校验结果检测使用坏块并更新动态工作表，空闲时将更新的内容写入静态工作表[11-12]。

擦除状态处理模块用于根据FLASH存储芯片擦除状态反馈信息判断该区块的好坏。擦除成功该区块即为好块，擦除失败将该区块标记为坏区，并更新EEPROM中固存坏区表；写状态处理模块用于根据FLASH存储芯片写入AOS组帧编码后数据反馈的电平信息，判断该区块的好坏。芯片状态反馈为成功信号，该区块即为好块，芯片状态反馈为失败信号，将该区块标记为坏区，并更新EEPROM中固存坏区表，将写的数据加载至下一个好区块。

图4 FLASH固存坏区管理流程Fig.4 Flowchart of FLASH storage medium’s bad block management

FLASH存储芯片读取数据时，采用(72，64)汉明译码，可纠正64 b中的单比特误码。当64 b中出现多比特误码时，将汉明校验失败信号反馈至存储控制FPGA的计数器，计数器并加1。写入FLASH固存中的数据已进行了RS(255，223)交织编码，考虑节省芯片资源及地面试验验证结果，严格坏区判断条件，将阈值初步设置为8次(卫星在轨时地面可注数修改阈值)。FLASH固存一个区块容量8 Mb，读完一个区块会有校验反馈信息131 072个。计数电路在读时对汉明校验反馈信息进行判断，判断为多比特误码则计数1次。当区块读结束时，先判断计数器结果是否超过规定阈值N。若计数结果超出阈值，则判断该区块为坏区，立即更新EEPROM中固存坏区表，到下一循环写时便跳过此区块。若计数结果未超出阈值，则判断该区块为好区。

3 新型抗单粒子翻转设计及影响分析

FY-3A，B，C星信息处理器在轨为常加电工作状态，30万门FPGA在轨易受空间环境影响，致使遥感数据部分丢失，不能实现各载荷数据的全球拼图，给用户后期数据应用造成不便[13-14]。

FY-3B星的FPGA抗单粒子翻转设计采用定期加载和纠错编码方式结合实现。在南极上空(南纬80°)每轨进行定期复位操作，即定期对FPGA配置文件重新加载。纠错编码方式采用奇偶校验法确保FPGA信息处理的正确性。但该奇偶校验法存在不足，如配置文件同时翻转偶数位，校验值不发生变化，就无法对FPGA进行自主加载，造成FPGA功能错误，从而导致星上信息处理错乱，最多会影响卫星1轨遥感数据。

针对奇偶校验法自身的设计缺陷，FY-3C星对FPGA抗单粒子翻转方法进行了优化改进，采用定期刷新结合配置文件回读方法。在南极上空(南纬80°)每轨进行定期复位操作，即定期对FPGA配置文件重新加载。配置文件回读方法实时将FPGA的配置文件与固化在PROM中的原始配置文件一一比对，一旦发现比对错误，将PROM中的原始配置文件重新加载到FPGA中，保证FPGA信息处理的正确性。

若FPGA配置文件发生变化，即认为FPGA受空间环境影响发生单粒子翻转，对配置文件重新加载，相应地自主加载计数遥测加1。对全球遥测进行事后处理分析，统计一段时间内FPGA自主加载计数遥测值，通过星下点纬度遥测筛选出除南纬80°外定期复位计数加1的情况，即为该段时间内FPGA自主检查出的单粒子翻转次数，进而可比对FY-3B，C星单粒子翻转措施的有效性。在轨统计结果见表1。

因基于反熔丝工艺的FPGA日渐成熟，04星数传综合处理器采用全反熔丝FPGA设计，AOS组帧和固存辅控使用200万门的反熔丝FPGA，资源占用率低。该款FPGA受空间环境影响概率极低[15]。04星保留C星MPT/DPT链路复位指令，对存储辅控FPGA新增固存缓存复位指令。

04星在轨测试阶段，先不启用每轨对200万门反熔丝FPGA定期复位功能，根据在轨测试期间数据接收情况，决定是否启用定期复位功能。DPT链路复位后各载荷的缓存清零，每个虚拟信道的帧计数归零，每路载荷数据最多丢失2 kB。固存缓存复位是对辅控200万门反熔丝FPGA进行初始化，由于固存主控与辅控FPGA间存在交互信号，致使发送该指令后，固存处于读停和写停状态，且读写指针遥测显示在0000位置。假设在固存写的状态下发送固存缓存复位，会向固存最多写入8 Mb的全1(数据最多丢失8 Mb)。因发送DPT链路复位和固存缓存复位指令是在仰角6°，而MPT链路数据开始接收时仰角5°，故该部分丢失的延时数据可在MPT链路站内数据中查找到，定期复位不会影响载荷数据的全球拼图。

表1 信息处理器HRPT/MPT链路单粒子翻转

4 卫星自主程控设计

DPT链路仅在与地面站可见范围内工作，且DPT发射机功耗较大，故在卫星与地面站可见前开始此次数据回放的准备，发射机开关机时序指令为间接指令，均可受数管计算机控制。FY-3卫星在轨运行星上采用全自主程控设计，数管计算机实时计算卫星与地面站间仰角，当仰角满足一定条件时提前执行DPT链路开关机时序，如图5所示。在卫星进入地面站接收区前558 s星上自主发送DPT功放级开机，功放级开机8 s后发送开低压指令，间隔5 min发送开高压指令，DPT前级在进入接收区前228 s发开前级指令，在仰角6°时，星上自主发送固存停或读停(取决于工作模式)指令，在仰角7°时，星上自主发送固存读指令，开始下传星上存储器记录的全球数据。

04星DPT链路需具备境外记录/境内回放(C星工作模式)和全球记录/境内回放工作模式，两种工作模式程控时序的区别是卫星进出站时固存的控制。全球记录/境内回放工作模式时，固存程控设计为：卫星进站，仰角7°发送固存读指令；卫星出站，仰角7°发送固存读停指令。为兼容C星程控逻辑设计方案，卫星进出站需依次发：读停(固存无响应)→读→……→读停→写(固存无响应)。

图5 DPT链路自主程控Fig.5 Delay link transmission program control

FY-3C和04星DPT链路两种工作模式程控方案如图6所示。在全球记录/境内回放工作模式下，进站前发送固存读停指令，出站发送固存读停指令；在境外记录/境内回放工作模式下，进站前发送固存停指令，出站发送固存停指令。该方案逻辑上满足两种工作模式，数管只需注数修改固存停/读停指令即可完成两种工作模式的切换。

图6 FY-3C，04星两种模式兼容程控方案Fig.6 Two modes of compatibility program in FY-3C and 04 satellites

5 性能比对及试验验证

因FY-3A，B星使用的SDRAM叠装存储芯片供应和无法解决大容量数据存储问题，且考虑后续气象卫星固存存储容量需求为约1 Tb，FY-3C星使用NAND FLASH存储芯片，该芯片具有集成度高，指标满足应用需求，有在轨飞行经历等特点。针对固存数据回读和坏区管理技术已在C星得到在轨应用，星地间同步良好，坏区检测技术有效，保证了C星全球数据的完整性。04星在坏区管理中增加的上注坏区、取消坏区、上注坏区剔除阈值、上注坏区百分比、下传坏区表及读写指针精细化管理等功能，已在各阶段整星试验中得到充分测试验证。

FY-3C星固存数据记录与回放处于互斥设计，不支持同时读写操作。为适于仅用DPT链路获取全球数据，04星设计新增了固存同时读写，优化了存储控制，在单机试验阶段及整星环模试验得到充分验证，04星固存配置1 Tb容量，进行了约80次的固存大循环读写操作，固存同时读写数据未出现误码和产生新的坏区。

FY-3B星对配置文件进行奇偶校验，C星对配置文件进行回读比对，实时检测FPGA的配置文件是否发生变化。该抗单粒子翻转方案受限于FPGA对空间环境敏感，根据在轨经验，偶尔会出现数据丢失情况。04星采用反熔丝工艺FPGA，对空间环境不敏感，可将空间环境影响降至最低，单机已完成环模试验并随整星进行了测试，有待长期在轨考核验证。

针对程控方案优化设计已成功用于04星，经过整星程控模飞及热真空试验，验证了两种工作模式的兼容性和正确性。整星热真空试验中，DPT链路按设计的程序进行时序加断电，在境内固存读操作的同时处于固存写状态，试验验证了DPT链路全球记录/境内回放工作模式。在与地面站可见前，发送了固存停指令，在仰角7°发送固存读指令，在境内固存仅处于读状态，验证了DPT链路境外记录/境内回放工作模式。

6 结束语

针对在轨的FY-3卫星MPT实时链路与DPT延时链路数据混拼获取全球数据，存在空间频带利用率低、可靠性相对低及地面处理复杂等问题。FY-3 04星采用仅通过DPT链路实现全球数据的获取方法。采用全新的FLASH存储器读写控制及坏区管理技术，用全反熔丝工艺FPGA实现高速数据处理将空间环境影响降为最低；星上设计兼容境外记录/境内回放和全球记录/境内回放两种工作模式提高系统的可靠性。试验结果表明：设计的全球数据获取方案合理可行，固存数据控制及处理可满足数据记录回放的完整性，抗单粒子翻转设计方案将空间环境影响降至最低，卫星自主程控设计可兼容卫星在轨两种工作模式。该方案已用于FY-3 04星数传分系统，有效简化了地面数据处理流程，节省地面人力和物力成本，提高了系统的可靠性和数据获取的时效性，每天可快速实现各载荷的全球拼图。目前，该方案有待在轨长期考核验证。后续将提升固存同时读写处理速度，以满足FY-3 03批极轨气象卫星载荷速率的大幅提升和每轨固存数据清空的需求。

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ResearchonHighReliableGlobalDataAcquisitionTechnologyofDPTDelayLinkTransmissionforFY-3Satellites

LIU Bo1， ZHANG Heng1， LIU Hui1， GUO Qiang2， ZHENG Lian-yu1

(1. Shanghai Institute of Satellite Engineering, Shanghai 201109, China;2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

To improve the reliability of global payload data of FY-3 meteorological satellite, the acquisition technology of high reliable global payload data using only delay picture transmit (DPT) delay link for the forth FY-3 satellite was studied when the disadvantage of FY-3A, B, C satellites is relying on the global real-time radio link and delay link to splice the data in and out of the China. The reading and writing control and bad block management are applied based on FLASH memory. The antifuse FPGA is used for realizing the treatment for high speed data, which can reduce the space environment effect to the least. The two compatible modes onboard of recording in abroad/replaying in domestic and global recording/replaying in domestic are adopted to improve the system reliability. The management and treatment of reading and writing FLASH memory were introduced which were reading and writing way of solid state memory (STM), storage management module, back read of STM and bad block management of STM. The new anti-single particle flip was designed. The program control scheme with the two compatible modes was given. The performance comparison and test result showed that the payload data for FY-3 04 satellite could download and treat reliably using the technology proposed. It can simplify the data treatment of the ground segment system and improve the efficiency and reliability of global payload data acquisition.

polar meteorological satellites; global puzzle; delay picture transmit; reading and writing; bad block management; single particle flip; antifuse FPGA; program control

1006-1630(2017)04-0096-08

2017-05-18；

：2017-06-30

刘 波(1981—)，男，高级工程师，主要研究方向为卫星数据传输技术。

P414.4； V423.42

：ADOI:10.19328/j.cnki.1006-1630.2017.04.012