卫星数据传输高效调度方法及实现①

张 毅，周 诠，贺一峰，李渝昕，王永塔

(中国空间技术研究院西安分院，西安 710000)

0 引言

20世纪90年代卫星通信的应用范围不断扩大，高级在轨系统(Advanced Orbiting System, AOS)可满足星地、地星、星星之间多种数据类型、不同速率数据传输的要求，为高分辨率图像数据、动态视频数据等的传输提供了可能[1,2]。近年来，卫星数据传输带宽由最初的几比特/秒提升至几百兆比特/秒，甚至可达千兆比特/秒量级，传统数据传输方法已无法适应在轨数据量大幅提升的发展趋势，需要研究更加高效的卫星数据处理和传输调度方法。新的数据处理算法[3～6]、高效传输技术[7～9]不断应用到卫星在轨数据处理和传输中，提高了卫星载荷存储和处理数据的速率，提升了卫星数据传输的效率。

卫星数据传输常用的工作模式有实时传输模式、回放模式和边记边放模式。实时传输模式可保证当次任务数据时效性，但传输通道利用率受传输数据影响波动性较大；回放模式提高了通道的利用率，但信息被延时传输从而降低了信息的价值；边记边放模式可进一步提高通道利用率，由于当次任务信息与回放信息同时传输，实时数据的时效性受到回放数据的影响。

本文对卫星数据传输常用方法进行分析，针对应用中通道资源利用率与传输数据时效性存在制约的情况，提出了一种数据传输高效调度方案。在本方案中实时数据被优先传输，在实时数据传输间隙插入回放数据提高通道利用率，该方案既可保证实时传输数据的时效性，又能充分利用数据传输通道。通过硬件实测表明，使用本方法进行数据传输时通道中有效数据比率优于99.99%，为提高卫星数据传输通道利用率提供了一种可行方法。

1 当前数据传输面临的问题

卫星数据传输通道将星上采集的地面目标信息处理后实时传输至地面接收站。数据传输通道中数据量的大小既取决于观测目标的多寡，也根据卫星数据处理设备选用的处理方案不同而发生变化。另外为防止载荷数据在下传过程中出现溢出，通道容量按可能出现的最大数据量设计，同时为适应突发状况通道会预留有3%～10%的余量备用。

当目标信息量大或压缩比率较小时，数传通道需要下传的数据量较大，通道设计的容量可全部用于有用数据传输。反之当目标信息量很小或压缩比率较大时，通道需下传有效数据急剧减少，星上处理设备产生无效数据填满通道空闲区域以保证通道下传速率的稳定，这时数传通道利用率大幅下降。

星上数据传输采用记录、回放传输方法配合使用时，实时数据暂存于星上存储设备，根据地面指令将数据回放至地面。随着无效数据剔除技术的引入，回放传输方法数传通道利用率逐渐提高，但数据的时效性无法得到保证。

实时传输加回放传输方法既能在当次任务进行实时数据的传输，又能减少无效的数据传输，提高了通道利用率，但存在实时数据与回放数据未区分优先级的问题。

如何进一步完善卫星数据传输方法，从而兼顾传输数据的时效性和传输通道的利用率具有重要意义。

2 卫星数传通道高效调度方法

卫星数据下传过程中存在的实时传输浪费通道资源，回放方法降低数据时效性以及实传加回放方法未考虑优先级的种种问题。本文通过对几种数据传输方法进行分析，提出了一种既考虑实时数据优先性，又能充分利用下传通道的高效调度方法，卫星高效调度方法系统原理图如图1所示。

图1 高效调度方法系统原理框图

卫星使用高效调度方法下传时，合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)或光学相机数据经数据处理设备的组帧模块进行AOS组帧和格式编排，AOS帧格式如图2所示，组帧模块根据数据的有效性在AOS格式中的虚拟通道标识符(Virtual Channel Identity Document, VCID)处标记有效/无效帧标识。当无载荷数据输入时，组帧模块生成无效帧用于平衡传输速率。

图2 AOS帧格式示意图

AOS帧输入高效调度模块时，实时数据处理模块对AOS帧的VCID进行判断，当识别到无效帧标识后触发回放请求；存储设备回放数据，回放数据处理模块剔除回放无效帧后将有效帧缓存在回放数据缓存模块中；当实时数据处理模块再次识别到无效帧时回放数据缓存模块中的有效帧填充到该无效帧位置。通过上述数据调度，高效调度模块输出的数据除最开始的一帧无效数据外其余均为有效数据，通道预留的3%～10%余量也被填充回放有效数据。

图3 高效调度模块原理框图

数据处理设备输出的有效帧数据流经编码、调制、放大等处理后形成射频信号，经星上天线发射至地面接收站，地面接收设备根据用户需求进行接收数据的分类和后续应用。

卫星数据经过高效调度处理后，仅第一帧无效帧被下传，通道利用率RCH为：

(1)

其中：

Rdata：卫星数据下传速率；

Lframe：AOS帧格式长度；

T：卫星数据下传时间。

当T趋近无穷大时，RCH为1即通道利用率为100%。

(2)

卫星数据下传时间受限于地面接收站的分布位置，一般情况下卫星数据传输时间约为15min左右，按照通道速率150Mbps，AOS帧长为1024B计算，RCH优于99.99%。

3 高效调度方法实现

3.1 软件实现过程

高效调度方案软件运行流程如图4所示，高效调度模块对实时数据帧有效性进行判读。当数据帧无效时，数据处理设备向存储设备请求数据，回放数据输出有效帧至回放存储区，判读程序继续判读下一帧实时数据帧。当遇到再次无效帧时，缓存的回放数据帧经有效帧输出模块输出。

图4 高效调度机制软件运行流程

高效调度方法的FPGA仿真验证时序图如图5所示。通过仿真可以看出，实时传输数据流中出现无效帧时，回放有效帧可将其替换，最终输出的数据帧均为有效帧。仿真结果与方案原理分析结果相同。

图5 软件仿真示意图

3.2 硬件实现过程

卫星通道高效传输调度方法通过利用星上设备及地面测试设备得到系统级测试验证，测试验证框图如图6所示，地面接收设备接收星上输出的数据，并进行通道利用率的计算。

图6 硬件测试验证框图

SAR/相机模拟源根据星上SAR/相机数据输出接口特性输出模拟数据，模拟数据按照满载状态和有效数据占比为50%两种状态输出，星上数据传输通道预留5%余量。测试设备分别工作在实时传输模式、回放模式、实传加回放模式、高效调度模式，通过软件计算下传速率为150Mbps时，接收15min数据的有效帧占比，10次测试结果对比情况见图7所示。

(a) 模拟源有效数据占比为50%时测试结果 (b) 模拟源满载工作时测试结果

在两种信源有效数据占比情况下，高效调度方法输出数据有效帧占比均优于99.99%，优于实传模式、回放模式、实传加回放模式输出数据有效帧占比，实现了高效利用卫星数传通道。

4 结论

本文提出了一种利用AOS帧标识位并结合卫星数据传输模式提高卫星数据传输通道利用率的高效调度方法。该方法能充分利用数据传输通道，通过理论分析和硬件测试，通道下传数据有效帧占比优于99.99%。同时该方法可优先下传实时传输数据，兼顾数据的时效性。高效调度方法具有理论简单，易于FPGA实现的特点，该方法已在多颗卫星中应用。