FY-3衛(wèi)星DPT延時鏈路高可靠全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

劉 波，張 恒，劉 輝，郭 強，鄭蓮玉

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

FY-3衛(wèi)星DPT延時鏈路高可靠全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)研究

劉 波1，張 恒1，劉 輝1，郭 強2，鄭蓮玉1

(1.上海衛(wèi)星工程研究所,上海 201109； 2.上海航天技術(shù)研究院,上海 201109)

為提高風(fēng)云三號(FY-3)衛(wèi)星星上全球數(shù)據(jù)獲取的可靠性，根據(jù)A，B，C星遙測數(shù)據(jù)采用全球?qū)崟r廣播鏈路和延時鏈路(MPT/DPT)將境內(nèi)外數(shù)據(jù)進行拼接而實現(xiàn)各載荷數(shù)據(jù)全球拼圖的不足，對04星僅用DPT延時鏈路的高可靠全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)進行了研究。采用全新的FLASH存儲器讀寫控制及壞區(qū)管理技術(shù)；用反熔絲FPGA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理，將空間環(huán)境影響降至最低；采用星上設(shè)計兼容境外記錄/境內(nèi)回放和全球記錄/境內(nèi)回放兩種工作模式提高系統(tǒng)的可靠性。介紹了固存讀寫方式、存儲控制模塊、固存數(shù)據(jù)回讀和固存壞區(qū)管理等FLASH存儲器讀寫控制與處理技術(shù)。設(shè)計了新型抗單粒子翻轉(zhuǎn)。給出了兩種模式兼容的程控方案。性能比對和試驗結(jié)果表明：提出的全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)可全方位保證04星數(shù)據(jù)的可靠下傳和處理，大幅簡化了地面應(yīng)用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理，提高了全球載荷數(shù)據(jù)獲取的時效性和可靠性。

極軌氣象衛(wèi)星； 全球拼圖； 延遲圖像傳輸； 同時讀寫； 壞區(qū)管理； 單粒子翻轉(zhuǎn)； 反熔絲FPGA； 自主程控

0 引言

FY-3衛(wèi)星是我國第二代極軌氣象衛(wèi)星，其目標(biāo)是實現(xiàn)全球、全天候、多光譜、三維定量探測。其數(shù)傳分系統(tǒng)主要完成星上載荷數(shù)據(jù)的復(fù)接、格式化、存儲、信道編碼及射頻傳輸?shù)裙δ堋７窒到y(tǒng)應(yīng)用了多載荷高可靠數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)和全球數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，針對我國搭載載荷儀器數(shù)量最多的對地遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理及存取問題，實現(xiàn)了全天候、不間斷、高可靠下傳十多種載荷遙感數(shù)據(jù)和衛(wèi)星工程遙測數(shù)據(jù)的功能[1-3]。

FY-3A，B，C星上各載荷遙感數(shù)據(jù)和衛(wèi)星工程遙測全球數(shù)據(jù)通過HRPT/MPT鏈路(實時廣播鏈路)和DPT鏈路(延時記錄與回放鏈路)下傳。地面站配置為國內(nèi)三站和國外兩站，HRPT/MPT鏈路接收數(shù)據(jù)起始仰角為5°，DPT鏈路接收數(shù)據(jù)起始仰角為7°，地面站采用12 m天線同時接收處理MPT/DPT鏈路數(shù)據(jù)，采用4.2 m天線接收處理HRPT鏈路數(shù)據(jù)[2]。國內(nèi)外地面站將接收到的原始數(shù)據(jù)通過地面光纖專線傳輸至國家衛(wèi)星氣象中心進行數(shù)傳幀解析，依據(jù)各虛擬通道的VCID標(biāo)識分包出各載荷實時和延時通道數(shù)據(jù)，根據(jù)載荷包中的星上時間碼由人工和軟件處理剔除部分重復(fù)數(shù)據(jù)(約20 s)，將HRPT/MPT鏈路與DPT鏈路數(shù)據(jù)進行混拼以獲取各載荷的全球數(shù)據(jù)，每天可獲取各載荷的全球拼圖。但地面數(shù)據(jù)處理流程復(fù)雜繁瑣，空間頻帶利用率低，受限于MPT鏈路頻帶資源，不適于后續(xù)載荷速率的提升。另外，衛(wèi)星在軌實時鏈路出現(xiàn)故障或性能下降時，將不能獲取載荷境內(nèi)數(shù)據(jù)，影響載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖，衛(wèi)星使用效能降低[4]。

美國NOAA及歐洲METOP極軌氣象衛(wèi)星通過國外的南北極地面站接收延時數(shù)據(jù)，國內(nèi)站接收實時數(shù)據(jù)，每天發(fā)布載荷的全球拼圖1次，但對國外氣象衛(wèi)星全球數(shù)據(jù)獲取方案未見相關(guān)文獻報道[5]。FY-3A，B，C星DPT鏈路僅記錄境外數(shù)據(jù)，境內(nèi)快速下傳境外探測的數(shù)據(jù)，DPT鏈路下傳的數(shù)據(jù)缺少境內(nèi)數(shù)據(jù)[6-7]。為解決在軌衛(wèi)星依靠MPT鏈路與DPT鏈路數(shù)據(jù)混拼的問題，簡化地面站數(shù)據(jù)處理和云圖拼接的復(fù)雜度，F(xiàn)Y-3 04星設(shè)計了一種僅通過DPT鏈路高可靠實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的記錄及下傳方案，對星上基帶信息處理及自主程控設(shè)計進行了改進，星上數(shù)傳綜合處理器可在回放數(shù)據(jù)的同時記錄境內(nèi)探測數(shù)據(jù)，對衛(wèi)星DPT鏈路全球記錄/境內(nèi)回放工作模式重新進行設(shè)計驗證。該方案可提高星上全球數(shù)據(jù)獲取的可靠性，簡化地面站數(shù)據(jù)處理流程，改善載荷數(shù)據(jù)的使用效能。

1 技術(shù)原理與方案

通過DPT鏈路實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的獲取，采用全新的FLASH存儲器讀寫控制及壞區(qū)管理技術(shù)；用全反熔絲工藝FPGA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理，將空間環(huán)境影響降為最低；采用星上設(shè)計兼容境外記錄/境內(nèi)回放和全球記錄/境內(nèi)回放兩種工作模式提高系統(tǒng)的可靠性，確保全球數(shù)據(jù)的獲取。針對星上資源受限、單機狀態(tài)早已確定及星上程控設(shè)計復(fù)雜等技術(shù)難題，對以下三個方面進行了研究。

第一，星上需要設(shè)計大容量存儲器，保證全天時記錄衛(wèi)星載荷探測數(shù)據(jù)。FY-3C星已實現(xiàn)了固存的大循環(huán)讀寫、回讀設(shè)計、簡單的壞區(qū)管理，以及固存只寫和只讀操作。FY-3 04星在C星基礎(chǔ)上，需重新對固存存儲控制模塊讀寫FIFO和SRAM進行優(yōu)化設(shè)計，固存主控FPGA軟件進行重新編程，即可實現(xiàn)綜合處理器同時讀寫操作。在C星的基礎(chǔ)上，04星設(shè)計了NAND FLASH固存壞區(qū)管理，增加了壞區(qū)上注、壞區(qū)取消、壞區(qū)表下傳及壞區(qū)檢驗剔除閾值更改等功能。因此，04星FLASH存儲器同時讀寫控制及壞區(qū)管理技術(shù)均有一定的工程實現(xiàn)基礎(chǔ)，且該技術(shù)成熟，在其他衛(wèi)星上有在軌飛行成功經(jīng)歷。

第二，F(xiàn)Y-3A，B，C星使用的FPGA頻繁受空間環(huán)境影響，丟失載荷數(shù)據(jù)，偶爾出現(xiàn)無法獲取全球數(shù)據(jù)和實現(xiàn)載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖。04星采用基于全反熔絲工藝FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)處理技術(shù)，通過兩塊200萬門反熔絲FPGA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)的緩存控制、AOS組幀、編碼及存取。該技術(shù)具抗單粒子翻轉(zhuǎn)效果明顯、工藝成熟、可滿足后續(xù)氣象衛(wèi)星基帶處理需求等優(yōu)點。反熔絲工藝FPGA對空間環(huán)境不敏感，根據(jù)在軌經(jīng)驗，基本不會出現(xiàn)單粒子翻轉(zhuǎn)事件，且200萬門反熔絲FPGA已用于衛(wèi)星中，有在軌飛行成功經(jīng)歷。

第三，鑒于FY-3衛(wèi)星在軌數(shù)傳為星上全自主程序控制設(shè)計，僅通過DPT鏈路實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的獲取，必須更改數(shù)傳的在軌程序控制模式。04星DPT鏈路新增全球記錄/境內(nèi)回放工作模式，且兼容C星的境外記錄/境內(nèi)回放工作模式，通過采用星上兩種工作模式，地面可注數(shù)修改參數(shù)實現(xiàn)兩種工作模式的切換，有效解決了兩種工作模式兼容的難點，提高了系統(tǒng)的靈活性和可靠性。新增的工作模式是在C星的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化設(shè)計，僅固存的讀寫指令控制不同，并在地面進行了仿真驗證。

2 FLASH存儲器讀寫控制與處理技術(shù)

DPT鏈路高可靠獲取全球遙感數(shù)據(jù)和平臺數(shù)據(jù)，因全球數(shù)據(jù)需全天時記錄和快速下傳，采用設(shè)計固存的基本操作實現(xiàn)容量的重復(fù)利用，由存儲控制模塊的輔控FPGA緩存滿足固存的同時讀寫操作需求，固存的回讀保證兩軌數(shù)據(jù)的無縫銜接，固存壞區(qū)管理實現(xiàn)FLASH存儲芯片讀寫、擦除狀態(tài)下壞區(qū)的檢測和剔除，從而保證全球數(shù)據(jù)下傳的完整性。

2.1固存讀寫方式

圖1 讀寫方式設(shè)計Fig.1 Reading and writing design

為有效利用固存容量，采用大循環(huán)控制方式，固存讀寫方式包括固存讀、固存寫、固存處理復(fù)位、固存停和固存讀停等操作，如圖1所示[8]。通過設(shè)計獨立的讀/寫指針，并將讀寫指針位置存儲在寄存器中，固存的讀寫方式基于讀寫指針控制實現(xiàn)，固存讀寫指針采用16位地址顯示，讀/寫指針位置地址為0000至FFFF。固存寫是指將組幀后的數(shù)據(jù)寫入存儲器，并實時更新寫指針位置，當(dāng)寫指針遇到讀指針時，顯示為寫溢出狀態(tài)，自動觸發(fā)寫停操作；固存讀是指將存儲器記錄的數(shù)據(jù)回放至發(fā)射機實現(xiàn)對地下傳，當(dāng)讀指針遇到寫指針時，顯示為讀溢出狀態(tài)，自動觸發(fā)讀停操作；固存同時讀寫是指存儲器在記錄數(shù)據(jù)的同時回放之前記錄的數(shù)據(jù)；固存大循環(huán)控制是指讀/寫指針更新至存儲器末尾FFFF處，指針位置從首端0000開始操作，可重復(fù)利用固存容量。固存處理復(fù)位可恢復(fù)存儲器上電初始態(tài)，讀/寫指針位置歸至零位。

2.2存儲控制模塊

需實現(xiàn)固存數(shù)據(jù)的慢寫快放，并在固存回放數(shù)據(jù)的同時記錄實時探測的數(shù)據(jù)，固存緩存控制是關(guān)鍵。

NAND FLASH存儲芯片讀寫均為突發(fā)模式并以頁為單位(每頁容量2 kB)。數(shù)據(jù)寫入需經(jīng)過數(shù)據(jù)加載和編程兩個步驟：數(shù)據(jù)加載包括寫入指令字、地址字，加載1頁數(shù)據(jù)，再寫入指令字，在時鐘頻率20 MHz下需約200 μs；數(shù)據(jù)編程將載入的頁數(shù)據(jù)寫入對應(yīng)的頁地址，耗時300～700 μs，在此期間芯片數(shù)據(jù)端處于高阻狀態(tài)。數(shù)據(jù)讀出無需編程，只需要加載，加載時間約235 μs。FLASH固存讀、寫過程均需要數(shù)據(jù)緩存。FLASH芯片的擦除以塊為單位，1塊為64頁。緩存的大小和控制方式直接影響單機的工作模式。固存存儲控制以塊為最小單元，固存最小顆粒度1 MB。

存儲控制模塊原理如圖2所示。輔控FPGA芯片AX2000-CQ352實現(xiàn)用于記錄數(shù)據(jù)的SRAM寫緩存控制，以及用于回放數(shù)據(jù)的SRAM讀緩存控制，實現(xiàn)與AOS板與存儲板的數(shù)據(jù)接口；主控FPGA芯片A54SX72A接收AOS板發(fā)送的指令進行解析，采集存儲板及輔控的狀態(tài)遙測，打包送至AOS板，產(chǎn)生存儲板需要的指令字序列、區(qū)塊地址，輔控電路的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，控制EEPROM(非易失性、反復(fù)可擦除存儲介質(zhì))的讀寫操作，根據(jù)存儲板的遙測信息確定區(qū)塊的好壞并及時更新壞區(qū)表。EEPROM用于存儲FLASH存儲板的最新壞區(qū)表。讀、寫緩存分別由AX2000內(nèi)部FIFO和外部SRAM實現(xiàn)。

圖2 存儲控制模塊原理Fig.2 Principle of storage control module

在寫狀態(tài)下，接收AOS板發(fā)送的數(shù)據(jù)，進行串并轉(zhuǎn)換后存入FIFO寫緩存，待FIFO半滿后，將數(shù)據(jù)寫入SRAM寫緩存。待SRAM寫緩存數(shù)據(jù)達到8 Mb容量時，便將數(shù)據(jù)快速寫入FLASH存儲板。由于FLASH存儲板進行頁寫操作(每頁為128 kb)，每次頁寫還需等待時間700 μs，在此期間將FIFO寫緩存內(nèi)的數(shù)據(jù)寫入SRAM。因此，數(shù)據(jù)的寫入操作是在SRAM寫緩存的快速寫入和快速讀出時實現(xiàn)。

在讀狀態(tài)下，接收存儲板讀出的頁數(shù)據(jù)，寫入SRAM讀緩存，待SRAM存滿8 Mb數(shù)據(jù)后，便將數(shù)據(jù)輸出至FIFO讀緩存。FIFO讀緩存根據(jù)AOS板發(fā)送的時鐘讀取其中的數(shù)據(jù)，連續(xù)輸出至AOS組幀板，實現(xiàn)單機的高速數(shù)據(jù)連續(xù)輸出。因SRAM緩存和FIFO緩存均為幀長(1 kB)的整數(shù)倍，由此實現(xiàn)了數(shù)據(jù)整幀記錄和回放。

在同時讀寫狀態(tài)下，寫緩存的FIFO根據(jù)載荷速率斷續(xù)寫入，讀緩存的FIFO連續(xù)輸出數(shù)據(jù)。單端口的讀、寫緩存SRAM根據(jù)主控發(fā)來的讀、寫指令分時從存儲板中讀數(shù)或往存儲板中寫數(shù)。

2.3固存數(shù)據(jù)回讀

圖3 FLASH固存回讀設(shè)計Fig.3 Design of FLASH storage medium back read

由于星地間鏈路建立需要時間，每次數(shù)據(jù)下傳初始階段會丟失1～2 s的數(shù)據(jù)，影響全球數(shù)據(jù)的完整獲取?？紤]到星地間的同步時間，為保證連續(xù)兩軌數(shù)據(jù)無縫銜接，F(xiàn)Y-3A，B星采用下傳引導(dǎo)碼方式，下傳引導(dǎo)碼格式為“1ACFFC1D+1234”，引導(dǎo)碼幀長1 024 B，該方案由于填充固定數(shù)據(jù)，不利于星地間同步的建立。04星固存回放時采用回讀5 s以上重疊數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)為整幀形式輸出，如圖3所示。該重疊數(shù)據(jù)為加擾后的星上載荷真實數(shù)據(jù)，具較優(yōu)的隨機性，減少了星地間的同步時間。該設(shè)計是基于讀指針的地址控制實現(xiàn)的，固存每次回放時讀指針地址回卷區(qū)塊144個，每個區(qū)塊容量8 Mb，回放速率225 Mb/s(回讀時間5.12 s)，滿足回讀大于5 s的要求，實現(xiàn)了本次開始回放的數(shù)據(jù)即為上次回放數(shù)據(jù)的末尾，保證兩軌數(shù)據(jù)的無縫銜接。

2.4固存壞區(qū)管理

NAND FLASH存儲介質(zhì)可實現(xiàn)大容量數(shù)據(jù)存儲，但FLASH芯片的工藝結(jié)構(gòu)決定了在使用中會產(chǎn)生新的壞區(qū)和單比特錯誤，影響全球數(shù)據(jù)的完整性[9-10]。04星采取了一種星載NAND FLASH固存壞區(qū)管理設(shè)計方法，可實現(xiàn)低軌氣象衛(wèi)星數(shù)傳大容量數(shù)據(jù)存取，有效剔除FLASH存儲芯片產(chǎn)生的新壞區(qū)，最高效率管理FLASH固存壞區(qū)，保證衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)存取的正確性及完整性，提高衛(wèi)星的使用效能。固存壞區(qū)管理原理如圖4所示。首先讀取存儲板出廠壞區(qū)信息表并存儲在EEPROM中，用于異常狀態(tài)下的靜態(tài)工作表修復(fù)。靜態(tài)工作表存儲在EEPROM中，其初始態(tài)即為壞區(qū)出廠表。上電時，靜態(tài)工作表導(dǎo)入片上SRAM，成為動態(tài)工作表的初始態(tài)。工作過程中，F(xiàn)LASH陣列管理單元查詢動態(tài)工作表，并在擦除和編程結(jié)束時根據(jù)芯片的狀態(tài)反饋，在讀操作時根據(jù)數(shù)據(jù)校驗結(jié)果檢測使用壞塊并更新動態(tài)工作表，空閑時將更新的內(nèi)容寫入靜態(tài)工作表[11-12]。

擦除狀態(tài)處理模塊用于根據(jù)FLASH存儲芯片擦除狀態(tài)反饋信息判斷該區(qū)塊的好壞。擦除成功該區(qū)塊即為好塊，擦除失敗將該區(qū)塊標(biāo)記為壞區(qū)，并更新EEPROM中固存壞區(qū)表；寫狀態(tài)處理模塊用于根據(jù)FLASH存儲芯片寫入AOS組幀編碼后數(shù)據(jù)反饋的電平信息，判斷該區(qū)塊的好壞。芯片狀態(tài)反饋為成功信號，該區(qū)塊即為好塊，芯片狀態(tài)反饋為失敗信號，將該區(qū)塊標(biāo)記為壞區(qū)，并更新EEPROM中固存壞區(qū)表，將寫的數(shù)據(jù)加載至下一個好區(qū)塊。

圖4 FLASH固存壞區(qū)管理流程Fig.4 Flowchart of FLASH storage medium’s bad block management

FLASH存儲芯片讀取數(shù)據(jù)時，采用(72，64)漢明譯碼，可糾正64 b中的單比特誤碼。當(dāng)64 b中出現(xiàn)多比特誤碼時，將漢明校驗失敗信號反饋至存儲控制FPGA的計數(shù)器，計數(shù)器并加1。寫入FLASH固存中的數(shù)據(jù)已進行了RS(255，223)交織編碼，考慮節(jié)省芯片資源及地面試驗驗證結(jié)果，嚴(yán)格壞區(qū)判斷條件，將閾值初步設(shè)置為8次(衛(wèi)星在軌時地面可注數(shù)修改閾值)。FLASH固存一個區(qū)塊容量8 Mb，讀完一個區(qū)塊會有校驗反饋信息131 072個。計數(shù)電路在讀時對漢明校驗反饋信息進行判斷，判斷為多比特誤碼則計數(shù)1次。當(dāng)區(qū)塊讀結(jié)束時，先判斷計數(shù)器結(jié)果是否超過規(guī)定閾值N。若計數(shù)結(jié)果超出閾值，則判斷該區(qū)塊為壞區(qū)，立即更新EEPROM中固存壞區(qū)表，到下一循環(huán)寫時便跳過此區(qū)塊。若計數(shù)結(jié)果未超出閾值，則判斷該區(qū)塊為好區(qū)。

3 新型抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計及影響分析

FY-3A，B，C星信息處理器在軌為常加電工作狀態(tài)，30萬門FPGA在軌易受空間環(huán)境影響，致使遙感數(shù)據(jù)部分丟失，不能實現(xiàn)各載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖，給用戶后期數(shù)據(jù)應(yīng)用造成不便[13-14]。

FY-3B星的FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計采用定期加載和糾錯編碼方式結(jié)合實現(xiàn)。在南極上空(南緯80°)每軌進行定期復(fù)位操作，即定期對FPGA配置文件重新加載。糾錯編碼方式采用奇偶校驗法確保FPGA信息處理的正確性。但該奇偶校驗法存在不足，如配置文件同時翻轉(zhuǎn)偶數(shù)位，校驗值不發(fā)生變化，就無法對FPGA進行自主加載，造成FPGA功能錯誤，從而導(dǎo)致星上信息處理錯亂，最多會影響衛(wèi)星1軌遙感數(shù)據(jù)。

針對奇偶校驗法自身的設(shè)計缺陷，F(xiàn)Y-3C星對FPGA抗單粒子翻轉(zhuǎn)方法進行了優(yōu)化改進，采用定期刷新結(jié)合配置文件回讀方法。在南極上空(南緯80°)每軌進行定期復(fù)位操作，即定期對FPGA配置文件重新加載。配置文件回讀方法實時將FPGA的配置文件與固化在PROM中的原始配置文件一一比對，一旦發(fā)現(xiàn)比對錯誤，將PROM中的原始配置文件重新加載到FPGA中，保證FPGA信息處理的正確性。

若FPGA配置文件發(fā)生變化，即認(rèn)為FPGA受空間環(huán)境影響發(fā)生單粒子翻轉(zhuǎn)，對配置文件重新加載，相應(yīng)地自主加載計數(shù)遙測加1。對全球遙測進行事后處理分析，統(tǒng)計一段時間內(nèi)FPGA自主加載計數(shù)遙測值，通過星下點緯度遙測篩選出除南緯80°外定期復(fù)位計數(shù)加1的情況，即為該段時間內(nèi)FPGA自主檢查出的單粒子翻轉(zhuǎn)次數(shù)，進而可比對FY-3B，C星單粒子翻轉(zhuǎn)措施的有效性。在軌統(tǒng)計結(jié)果見表1。

因基于反熔絲工藝的FPGA日漸成熟，04星數(shù)傳綜合處理器采用全反熔絲FPGA設(shè)計，AOS組幀和固存輔控使用200萬門的反熔絲FPGA，資源占用率低。該款FPGA受空間環(huán)境影響概率極低[15]。04星保留C星MPT/DPT鏈路復(fù)位指令，對存儲輔控FPGA新增固存緩存復(fù)位指令。

04星在軌測試階段，先不啟用每軌對200萬門反熔絲FPGA定期復(fù)位功能，根據(jù)在軌測試期間數(shù)據(jù)接收情況，決定是否啟用定期復(fù)位功能。DPT鏈路復(fù)位后各載荷的緩存清零，每個虛擬信道的幀計數(shù)歸零，每路載荷數(shù)據(jù)最多丟失2 kB。固存緩存復(fù)位是對輔控200萬門反熔絲FPGA進行初始化，由于固存主控與輔控FPGA間存在交互信號，致使發(fā)送該指令后，固存處于讀停和寫停狀態(tài)，且讀寫指針遙測顯示在0000位置。假設(shè)在固存寫的狀態(tài)下發(fā)送固存緩存復(fù)位，會向固存最多寫入8 Mb的全1(數(shù)據(jù)最多丟失8 Mb)。因發(fā)送DPT鏈路復(fù)位和固存緩存復(fù)位指令是在仰角6°，而MPT鏈路數(shù)據(jù)開始接收時仰角5°，故該部分丟失的延時數(shù)據(jù)可在MPT鏈路站內(nèi)數(shù)據(jù)中查找到，定期復(fù)位不會影響載荷數(shù)據(jù)的全球拼圖。

表1 信息處理器HRPT/MPT鏈路單粒子翻轉(zhuǎn)

4 衛(wèi)星自主程控設(shè)計

DPT鏈路僅在與地面站可見范圍內(nèi)工作，且DPT發(fā)射機功耗較大，故在衛(wèi)星與地面站可見前開始此次數(shù)據(jù)回放的準(zhǔn)備，發(fā)射機開關(guān)機時序指令為間接指令，均可受數(shù)管計算機控制。FY-3衛(wèi)星在軌運行星上采用全自主程控設(shè)計，數(shù)管計算機實時計算衛(wèi)星與地面站間仰角，當(dāng)仰角滿足一定條件時提前執(zhí)行DPT鏈路開關(guān)機時序，如圖5所示。在衛(wèi)星進入地面站接收區(qū)前558 s星上自主發(fā)送DPT功放級開機，功放級開機8 s后發(fā)送開低壓指令，間隔5 min發(fā)送開高壓指令，DPT前級在進入接收區(qū)前228 s發(fā)開前級指令，在仰角6°時，星上自主發(fā)送固存?；蜃x停(取決于工作模式)指令，在仰角7°時，星上自主發(fā)送固存讀指令，開始下傳星上存儲器記錄的全球數(shù)據(jù)。

04星DPT鏈路需具備境外記錄/境內(nèi)回放(C星工作模式)和全球記錄/境內(nèi)回放工作模式，兩種工作模式程控時序的區(qū)別是衛(wèi)星進出站時固存的控制。全球記錄/境內(nèi)回放工作模式時，固存程控設(shè)計為：衛(wèi)星進站，仰角7°發(fā)送固存讀指令；衛(wèi)星出站，仰角7°發(fā)送固存讀停指令。為兼容C星程控邏輯設(shè)計方案，衛(wèi)星進出站需依次發(fā)：讀停(固存無響應(yīng))→讀→……→讀?！鷮?固存無響應(yīng))。

圖5 DPT鏈路自主程控Fig.5 Delay link transmission program control

FY-3C和04星DPT鏈路兩種工作模式程控方案如圖6所示。在全球記錄/境內(nèi)回放工作模式下，進站前發(fā)送固存讀停指令，出站發(fā)送固存讀停指令；在境外記錄/境內(nèi)回放工作模式下，進站前發(fā)送固存停指令，出站發(fā)送固存停指令。該方案邏輯上滿足兩種工作模式，數(shù)管只需注數(shù)修改固存停/讀停指令即可完成兩種工作模式的切換。

圖6 FY-3C，04星兩種模式兼容程控方案Fig.6 Two modes of compatibility program in FY-3C and 04 satellites

5 性能比對及試驗驗證

因FY-3A，B星使用的SDRAM疊裝存儲芯片供應(yīng)和無法解決大容量數(shù)據(jù)存儲問題，且考慮后續(xù)氣象衛(wèi)星固存存儲容量需求為約1 Tb，F(xiàn)Y-3C星使用NAND FLASH存儲芯片，該芯片具有集成度高，指標(biāo)滿足應(yīng)用需求，有在軌飛行經(jīng)歷等特點。針對固存數(shù)據(jù)回讀和壞區(qū)管理技術(shù)已在C星得到在軌應(yīng)用，星地間同步良好，壞區(qū)檢測技術(shù)有效，保證了C星全球數(shù)據(jù)的完整性。04星在壞區(qū)管理中增加的上注壞區(qū)、取消壞區(qū)、上注壞區(qū)剔除閾值、上注壞區(qū)百分比、下傳壞區(qū)表及讀寫指針精細化管理等功能，已在各階段整星試驗中得到充分測試驗證。

FY-3C星固存數(shù)據(jù)記錄與回放處于互斥設(shè)計，不支持同時讀寫操作。為適于僅用DPT鏈路獲取全球數(shù)據(jù)，04星設(shè)計新增了固存同時讀寫，優(yōu)化了存儲控制，在單機試驗階段及整星環(huán)模試驗得到充分驗證，04星固存配置1 Tb容量，進行了約80次的固存大循環(huán)讀寫操作，固存同時讀寫數(shù)據(jù)未出現(xiàn)誤碼和產(chǎn)生新的壞區(qū)。

FY-3B星對配置文件進行奇偶校驗，C星對配置文件進行回讀比對，實時檢測FPGA的配置文件是否發(fā)生變化。該抗單粒子翻轉(zhuǎn)方案受限于FPGA對空間環(huán)境敏感，根據(jù)在軌經(jīng)驗，偶爾會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失情況。04星采用反熔絲工藝FPGA，對空間環(huán)境不敏感，可將空間環(huán)境影響降至最低，單機已完成環(huán)模試驗并隨整星進行了測試，有待長期在軌考核驗證。

針對程控方案優(yōu)化設(shè)計已成功用于04星，經(jīng)過整星程控模飛及熱真空試驗，驗證了兩種工作模式的兼容性和正確性。整星熱真空試驗中，DPT鏈路按設(shè)計的程序進行時序加斷電，在境內(nèi)固存讀操作的同時處于固存寫狀態(tài)，試驗驗證了DPT鏈路全球記錄/境內(nèi)回放工作模式。在與地面站可見前，發(fā)送了固存停指令，在仰角7°發(fā)送固存讀指令，在境內(nèi)固存僅處于讀狀態(tài)，驗證了DPT鏈路境外記錄/境內(nèi)回放工作模式。

6 結(jié)束語

針對在軌的FY-3衛(wèi)星MPT實時鏈路與DPT延時鏈路數(shù)據(jù)混拼獲取全球數(shù)據(jù)，存在空間頻帶利用率低、可靠性相對低及地面處理復(fù)雜等問題。FY-3 04星采用僅通過DPT鏈路實現(xiàn)全球數(shù)據(jù)的獲取方法。采用全新的FLASH存儲器讀寫控制及壞區(qū)管理技術(shù)，用全反熔絲工藝FPGA實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理將空間環(huán)境影響降為最低；星上設(shè)計兼容境外記錄/境內(nèi)回放和全球記錄/境內(nèi)回放兩種工作模式提高系統(tǒng)的可靠性。試驗結(jié)果表明：設(shè)計的全球數(shù)據(jù)獲取方案合理可行，固存數(shù)據(jù)控制及處理可滿足數(shù)據(jù)記錄回放的完整性，抗單粒子翻轉(zhuǎn)設(shè)計方案將空間環(huán)境影響降至最低，衛(wèi)星自主程控設(shè)計可兼容衛(wèi)星在軌兩種工作模式。該方案已用于FY-3 04星數(shù)傳分系統(tǒng)，有效簡化了地面數(shù)據(jù)處理流程，節(jié)省地面人力和物力成本，提高了系統(tǒng)的可靠性和數(shù)據(jù)獲取的時效性，每天可快速實現(xiàn)各載荷的全球拼圖。目前，該方案有待在軌長期考核驗證。后續(xù)將提升固存同時讀寫處理速度，以滿足FY-3 03批極軌氣象衛(wèi)星載荷速率的大幅提升和每軌固存數(shù)據(jù)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

劉 波(1981—)，男，高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

P414.4； V423.42

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