中继卫星的多类型数据帧均衡调制*

2019-09-03邵永杰

通信技术 2019年8期

邵永杰，陈颖，方科

（中国电子科技集团公司第十研究所，四川成都 610036）

0 引言

跟踪与数据中继卫星系统是为中、低轨道的航天器与航天器之间、航天器与地面站之间提供数据中继、连续跟踪与轨道测控服务的系统，简称中继卫星系统（Tracking and DataRelay Satellite System，TDRSS）。TDRSS以其能较大幅度地覆盖和转发地面站对中、低轨道航天器的跟踪测控信号并对中、低轨道航天器发回地面的数据信息进行实时、连续的中继等优势，逐渐成为发展航天技术越来越重要的项目[1-3]。

在TDRSS的地面站上行调制系统中，调制器采用数据帧的形式，以固定帧周期调制数据帧。为了有效的利用带宽，调制器按先到先调的顺序调制产生自不同的地面分系统多种数据帧。这些数据帧包括语音、图像、邮件、遥控等，具有相同的帧长和帧结构，由各个分系统按照自己的周期产生并通过网络传送到地面站调制器。TDRSS对地面站上行调制器的要求十分严谨，包括发射信号的杂散、符号均衡、调制时延和各种类数据的同步比如音画同步等。其中一个重要要求就是：分系统的数据帧必须均匀间隔的调制并发射至中继卫星，不能因为地面的网络速率波动使得中继星接收机的后端缓冲区上存在数据帧的堆积与读空。这样可以保证中继卫星接正确接收数据并降低了对中继卫星接收机后端缓冲区容量的要求[4]。

本文提出了一种基于时间轮询的数据帧重排算法[5]，在调制器的前端对来自网络的各分系统数据帧进行重新排序，完成了分系统数据帧的均衡调制发送，降低了对星载接收机端数据缓冲区的要求，并减小了数据传输时延。该算法已在工程中得到实际验证，具有灵活、安全、可靠的特点，在卫星通讯领域具有一定的参考价值。

1 TDRSS的调制接收系统

1.1 TDRSS的调制接收系统介绍

TDRSS的调制接收系统如图1所示。不同分系统的数据帧具有相同的帧长L。帧内有固定字段用标识区分数据源。数据帧由分系统以固定的帧频率=FA、FB、FC…产生，通过网络传输进入地面站调制器前端的先进先出（First In First Out，FIFO）数据缓冲区。地面站调制器的调制帧频率是Ft，每经过Tt=1/Ft的时间调制器从FIFO数据缓冲区按照先进先出的顺序读取数据帧，调制成中频信号再经信道发送至中继卫星。卫星接收机解调数据帧后根据数据所属的分系统将数据帧分发到不同的缓冲区A、B、C。缓冲区A、B、C的后续处理模块分别以FA、FB、FC的帧频对缓冲区A、B、C进行数据读取并处理。

图1 TDRSS的调制接收系统

所有分系统的数据帧频之和不大于调制器的调制帧频，在这种条件下调制器可以将所有数据源的数据帧调制出去，而调制器前端FIFO缓冲区不产生数据堆积：FA+FB+FC≤Ft。

1.2 理想条件下的调制间隔

设定地面站调制器的调制速率为6 M帧/秒。各分系统的帧频如表1所示。则分系统A数据帧的产生帧间隔是5个调制帧；分系统B数据帧的产生帧间隔是3个调制帧；分系统C数据帧的产生帧间隔是1个调制帧。

表1 各分系统的帧频

分系统等间隔的产生数据帧后，数据帧通过网络传输到地面调制器前端缓冲区。在理想条件下，网络传输不存在速率波动，则个分体统数据帧仍然等间隔地到达地面调制器前端缓冲区。

地面站调制器按照先进先出的顺序从FIFO数据缓冲区顺序读取数据帧并调制。星载接收机解调数据帧并分发给各个后端缓冲区A、B、C；在没有网络传输波动的情况下，接收机后端缓冲区的写入帧间隔与各分系统的产生帧间隔相同。图2表示的是各分系统产生数据帧的帧间隔数；图3表示的是在没有网络速率波动的情况下中继星接收机后端缓冲区的数据帧写入帧间隔。

图2 各个分系统产生数据帧的帧间隔

图3 中继星接收机后端各缓冲区数据帧写入帧间隔

在图3中缓冲区A的写入帧间隔固定为5，缓冲区B的写入帧间隔固定为2，缓冲区C的写入帧间隔为0、1、2帧相互交替，平均帧间隔为1。卫星接收机解调数据帧后根据数据所属的分系统将数据帧分发到不同的缓冲区A、B、C。缓冲区A、B、C的后续处理模块分别以FA、FB、FC的帧频对缓冲区A、B、C进行数据读取并处理。经实验验证：在满足表2中对各个缓冲区的容量要求时，各缓冲区不会发生溢出现象。

表2 接收机后端缓冲区不发生溢出的最小深度要求

1.3 网络传输波动对系统造成的影响

在实际情况下，分系统与地面站调制器之间的网络传输会受到路由器等外界因素影响而使得数据帧到达调制器发生快慢的波动。当数据帧在网络中被阻塞时，传输帧频率低于数据源产生频率；当阻塞后网络又恢复通畅时，传输帧频率高于数据源产生频率。这些波动的数据帧经过调制解调系统后同样会以波动的频率进入接收机后端数据缓冲区，当波动幅度很大时甚至可以造成缓冲区的溢出，产生丢失数据的现象。

本文采用传输时间正玄波叠加的方式模拟数据帧的网络传输波动。数据帧C的产生频率是每秒3K帧，帧周期为0.333 ms每帧。在网络传输波动的影响下到达调制器前端的帧间隔是最高0.6 ms、最低0.7 ms、均值为0.333 ms。图4所示是数据帧C的网络传输波动间隔。

图4 模拟数据帧C的网络传输波动

假设分系统A、B网络传输没有波动，分系统C的网络波动如图4所示。则中继星接收机后端缓冲区的数据帧写入帧间隔如图5所示。

图5 中继星接收机后端各缓冲区的数据帧写入帧间隔

由图5可以看出，当分系统C的网络传输出现波动时，中继星接收机的后端缓冲区A、B、C的数据帧写入间隔均受到了影响：数据帧间密集和稀疏的区域。当数据帧在短时间内大量写入接收机后端缓冲区时，会造成缓冲区的溢出。经实验验证：在满足表3中对各个缓冲区容量要求时，本实验中各缓冲区不会发生溢出现象。

表3 接收机后端缓冲区不发生溢出的最小深度要求

通过以上分析可以看出：多数据源的调制信息在数据源传输网络发生抖动的时候数据帧调制顺序混乱。最终导致各个帧在接收机端的解调数据不均匀，出现同一类型数据帧溢出和断续的情况。

2 时间轮询数据帧重排

2.1 时间轮询数据帧重排算法原理

为了解决多多分系统数据网络传输波动造成的中继星数据帧的丢失与断档的问题，本文提出了基于时间轮询的数据帧数据重排算法。改进后的地面站调制系统如图6所示：将一个地面站调制器前端的FIFO数据缓冲区改为多个FIFO数据缓冲区，并在缓冲区与调制器之间加入数据帧重拍算法。数据帧重拍算法由DSP或者其他处理器完成。当各个分系统的数据经过网络到达FIFO缓冲区后由处理器以时间轮询的方式对数据进行重新编排，送到调制器进行调制，发送给中继卫星。

图6 改进后的地面站调制系统

以时间轮询的数据帧编排算法如图7所示（以三个分系统为例）。

在时间轮询数据帧编排算法中，为各分系统分别设定一个全局变量TimerA、TimerB、TimerC，作为每一路分系统数据帧的调制间隔计时器。TA=1/FA是分系统A的数据帧产生时间间隔，TB=1/FB是分系统B的数据帧产生时间间隔，TC=1/FC是分系统C的数据帧产生时间间隔。Tt=1/Ft是地面站调制器调制一帧数据需要的时间。

时间轮询数据帧编排算法实现的目标是：只有当数据帧调制间隔大于或等于数据帧的产生周期时，该路数据帧才会被数据帧编排处理器送到调制器进项调制

时间轮询数据帧编排算法以调制周期Tt为运行周期，重排算法处理器对全局变量TimerA、TimerB、TimerC和各分系统FIFO缓冲器进行检查与判断。时间轮询数据帧编排算法的流程描述如下：

第一步：数传任务开始，将TimerA、TimerB、TimerC复位清零。

第二步：以数据帧调制周期Tt为调用周期，调用以下处理函数语句：

如果TimerA≥TA，并且FIFO A中存在分系统A的数据帧则：

（1）取一帧FIFO A中的数据帧送至调制器

（2）TimerA=TimerA+Tt-TA；

（3）TimerB=TimerB+Tt；