深空干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換算法分析

馬宏+李貴新

【摘要】 介紹了我國深空測控站干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器RDEF和MARK5B兩種數(shù)據(jù)格式，分析了由RDEF格式轉(zhuǎn)換為MARK5B格式的算法，給出了算法的仿真結(jié)果，證明了算法的正確性。

【關(guān)鍵詞】 甚長基線干涉測量 數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器 格式轉(zhuǎn)換

Abstract： The paper introduces two kinds of data format of DBBC which is used in interference measurement system of Deep space TT&C station. Then analyzes the algorithm that convert from RDEF format to NARK5B format， and the simulation results of the algorithm are given， which prove the correctness of the algorithm.

Keywords： VLBI； DBBC； Format conversion

一、引言

對于深空探測任務(wù)，航天器的測量與控制是任務(wù)成敗的關(guān)鍵。受距離超遠的影響，傳統(tǒng)的單站距離、速度、角度測量體制無法滿足深空探測器測量精度要求。而甚長基線干涉測量VLBI（Very Long Baseline Interferometry）以其高精度測角的特點在天體物理、大地測量、地球物理、深空探測等方面得到廣泛的應(yīng)用[1]。

VLBI是20世紀(jì)60年代后期發(fā)展起來的射電干涉測量新技術(shù)[2]。經(jīng)過50多年的發(fā)展，VLBI已經(jīng)成為當(dāng)代角分辨率最高、定位精度最好的天文觀測技術(shù)[3]。

深空干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器是VLBI系統(tǒng)的重要組成部分，主要承擔(dān)著寬帶數(shù)據(jù)采集、頻帶選擇、基帶轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)傳輸及存儲等任務(wù)，是后續(xù)信號處理的基礎(chǔ)。

我國深空測控站數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器采用兩種國際上流行的數(shù)據(jù)格式，即MARK5B數(shù)據(jù)格式和RDEF（Delta-DOR Raw Data Exchange Format，Delta DOR原始數(shù)據(jù)交換格式）。MARK5B數(shù)據(jù)格式為國際上大部分?jǐn)?shù)字基帶轉(zhuǎn)換器采用，主要對于單邊帶實信號記錄，廣泛應(yīng)用于射電天文領(lǐng)域，但其記錄通道數(shù)和單通道量化位數(shù)的選擇受到一定限制[4]；RDEF數(shù)據(jù)格式是CCSDS（The consultative committee for space data system，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會）發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)格式，信號形式為復(fù)信號。由于每次觀測的各通道數(shù)據(jù)都會單獨產(chǎn)生一個產(chǎn)品文件，因此RDEF數(shù)據(jù)格式在通道數(shù)及量化位數(shù)的選擇方面十分靈活，主要應(yīng)用于深空探測領(lǐng)域[5]。

國外數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品主要支持MARK5B的數(shù)據(jù)格式，而我國深空站兩種數(shù)據(jù)格式均支持，為了更好的開展國際合作，有必要通過軟件將RDEF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為MARK5B數(shù)據(jù)格式。

二、數(shù)據(jù)格式簡介

2.1 MARK 5B數(shù)據(jù)格式

Mark 5B數(shù)據(jù)在記錄介質(zhì)上被分為等長的數(shù)據(jù)幀。每個數(shù)據(jù)幀以4個32-bit字的幀頭開始，緊接著2500個32-bit字的數(shù)據(jù)序列[6]。在每個整數(shù)秒時刻有一個數(shù)據(jù)幀的分界。

（1）幀頭格式

Mark 5B數(shù)據(jù)幀的編制采取幀頭不代替數(shù)據(jù)字的形式，即幀頭插入連續(xù)的數(shù)據(jù)字序列中，幀頭的格式見圖1。

每個數(shù)據(jù)幀頭包括以下信息：

字0：同步字“ABADDEED”；

字1：比特31～16是用戶定義內(nèi)容（比如，臺站ID號）；比特15是測試向量標(biāo)志（1表示記錄的是測試向量，0表示記錄的是VLBI數(shù)據(jù)）；比特14～0是每一秒鐘內(nèi)的幀序號（當(dāng)整數(shù)秒時刻到來時，新的幀頭序號從零開始）；

字2～3：記錄起始數(shù)據(jù)的BCD時間碼和16比特循環(huán)冗余校驗碼。

（2）數(shù)據(jù)字格式

單通道量化位數(shù)為1，2，4和8位。數(shù)據(jù)段包含2500個32比特字的數(shù)據(jù)序列。幀頭中記錄的時間是每一幀中各有效比特流被第一次采樣的時刻。

2.2 RDEF數(shù)據(jù)格式

RDEF數(shù)據(jù)格式由兩類文件構(gòu)成，即觀測文件和產(chǎn)品文件，后綴分別是.obs和.prd[7]。

觀測文件是多行ASCII文本文件，包含測控站ID、接收設(shè)備ID、射電源ID、航天器標(biāo)識、觀測時間和記錄數(shù)據(jù)長度等信息。

數(shù)據(jù)文件是二進制文件。每一個產(chǎn)品文件代表一個測站、一次掃描、一個通道的觀測數(shù)據(jù)，所以在一次觀測任務(wù)中，將產(chǎn)生多個產(chǎn)品文件。產(chǎn)品文件包含多個記錄（Data Record），每個記錄由兩部分組成，一是幀頭部分（Header Section），一個是數(shù)據(jù)部分（Data Section），其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

幀頭部分?jǐn)?shù)據(jù)長度為176字節(jié)，包含測站配置參數(shù)和描述記錄數(shù)據(jù)的信息，主要包括采樣時間、采樣速率、信號帶寬、中心頻率、量化位數(shù)等。

數(shù)據(jù)部分（Data Section）由一個測站、一次掃描、一個通道在一秒鐘內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)組成，其數(shù)據(jù)長度與記錄速率有關(guān)。數(shù)據(jù)部分的數(shù)據(jù)為復(fù)數(shù)形式，即同相位（In-phase，I路）和正交相位（Quadrature-phase，Q路）。I路和Q路的量化位數(shù)應(yīng)為1，2，4，8或16-bit，I路和Q路數(shù)據(jù)必須緊鄰組成32位字。

三、格式轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)處理算法

RDEF數(shù)據(jù)格式為復(fù)信號，設(shè)其帶寬為B，采樣速率為fs，則fs=B。將該信號轉(zhuǎn)換為MARK5B格式后，變?yōu)閷嵭盘?，其信號帶寬仍然為B，采樣速率fs=2fs。轉(zhuǎn)換前后信號頻譜如圖3所示。

由圖3可知，復(fù)信號（RDEF格式）頻率不具有對稱性，可分析帶寬為-fs /2～fs /2。實信號（MARK5B格式）頻譜具有對稱性，可分析帶寬0～fs。這里采樣頻率fs為轉(zhuǎn)換前復(fù)信號采樣頻率。

根據(jù)上述頻譜變換方式，可設(shè)計信號處理原理框圖如圖4。

RDEF數(shù)據(jù)從A點送入2倍內(nèi)插模塊，采樣頻率變?yōu)閒s=2fs，得到B點數(shù)據(jù)。經(jīng)過低通濾波，濾除鏡頻信號，獲得C點復(fù)信號I+jQ。C點信號通過頻譜搬移，向正半軸方向頻譜平移B/2，得到D點數(shù)據(jù)。由于頻譜搬移為新的采樣速率的0.25倍，因此D點復(fù)信號實部和虛部序列如圖4所示。D數(shù)據(jù)的實部和虛部之和形成E點數(shù)據(jù)，即MARK5B格式數(shù)據(jù)輸出。

圖4中，2倍內(nèi)插是在2個采樣點之間補1個零，其后續(xù)運算采樣速率為fs=2fs；FIR濾波器為低通濾波器，歸一化通帶為0.24，歸一化阻帶為0.26，帶外抑制50dB，系數(shù)個數(shù)114；乘法器為復(fù)數(shù)相乘，數(shù)字本振的輸出為復(fù)信號，其實部和需部的輸出取值為0，-1，1。通過仿真分析，圖4中各關(guān)鍵信號處理步驟的頻譜如圖5～圖8所示。

圖4所示的2倍內(nèi)插和FIR低通濾波可采用多相濾波結(jié)構(gòu)，而后續(xù)的頻譜搬移和相加器也可以根據(jù)信號特點進行簡化處理，其最終實現(xiàn)框圖如圖9所示。

采用多相濾波結(jié)構(gòu)，可以將濾波器提前至內(nèi)插器前，減少了運算量。圖4中的FIR濾波器分為圖5中FIR1和FIR2，內(nèi)插至于濾波器之后。圖4中的頻譜搬移和后續(xù)的加法器由圖5中的延遲器、加法器和選擇器代替。

四、結(jié)束語

通過上述分析可以看出，采用合適的數(shù)字信號處理算法，可以將深空干涉測量基帶轉(zhuǎn)換器的RDEF數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為MARK5B數(shù)據(jù)格式。該算法包括內(nèi)插、FIR濾波、頻譜搬移等運算。通過多相濾波的結(jié)構(gòu)，可以大大減少運算量。通過仿真分析，證明了該算法的正確性。

參 考 文 獻

[1]楊文軍，郝龍飛. VLBI終端系統(tǒng)的發(fā)展歷史和未來展望.[J]. 天文研究與技術(shù)， 2012，9，（4）：374-380.

[2]張彥芬， 蘇利娜， 王力. VLBI技術(shù)的發(fā)展與展望[J]. 北京測繪， 2010（4）：23-25.

[3]羅近濤等. VLBI數(shù)字基帶轉(zhuǎn)換器測試進展[J]. 天文研究與技術(shù)， 2010 7（3）：214-221.

[4] Gino Tuccari， Alan Whitney， Hans Hinteregger， et al. IVS-WG3 Report on the Backend System[R]. IVS Memorandum 2006-003v01， 2004.

[5] Bill Petrachenko. VLBI2010 Digital Back End （DBE） Requirements[R].IVS Memorandum 2008-014v01， 2008.

[6] Alan R. Whitney. The Mark 5 VLBI Data System[R].IVS VLBI2010 working meeting， 2007.4.

[7]馬高峰. VLBI2010與GNSS聯(lián)合數(shù)據(jù)分析理論及方法研究[D]. 解放軍信息工程大學(xué)博士學(xué)位論文，2011.