遙感衛(wèi)星圖像原始數(shù)據(jù)誤碼率檢測方法

王小燕 邵俊 鐘慧敏 原征 呂爭

(中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京 100094)

我國遙感衛(wèi)星技術(shù)迅速發(fā)展,資源、海洋、減災(zāi)等衛(wèi)星相繼發(fā)射,遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,對地面系統(tǒng)獲取的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)質(zhì)量提出了更高的要求。星地信號傳輸系統(tǒng)鏈路中的大氣干擾、軌道跟蹤狀態(tài),以及信道和記錄設(shè)備等因素,都直接影響遙感衛(wèi)星獲取的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量。遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)質(zhì)量反應(yīng)了星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路指標(biāo)設(shè)計(jì)是否匹配、地面站數(shù)據(jù)接收記錄是否正常,其質(zhì)量問題主要包括:整軌誤碼或局部誤碼、丟幀、整軌無有效數(shù)據(jù)、滑位、雙通道數(shù)據(jù)量大小不一致、缺某虛擬信道數(shù)據(jù)、壓縮碼流格式有誤等。存在丟幀、誤碼、壓縮碼流格式問題的原始數(shù)據(jù)會影響標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品質(zhì)量,例如圖像目視出現(xiàn)黑塊或花塊現(xiàn)象;誤碼率過大(例如整軌誤碼)、數(shù)據(jù)無效、滑位、通道數(shù)據(jù)缺失可能造成地面預(yù)處理失敗,影響地面系統(tǒng)的有效運(yùn)行。因此,遙感衛(wèi)星在軌測試階段通常要進(jìn)行原始數(shù)據(jù)誤碼率測試,驗(yàn)證星地?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求,地面接收系統(tǒng)是否滿足指標(biāo)要求;在交付使用后業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段,當(dāng)某一軌數(shù)據(jù)處理不正常時(shí),也需要分析原始數(shù)據(jù)質(zhì)量,以便定位是原始數(shù)據(jù)問題,還是地面處理系統(tǒng)問題。目前,一般通過誤碼率檢測分析遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)質(zhì)量,針對國內(nèi)外多顆在軌遙感衛(wèi)星,原始數(shù)據(jù)誤碼率分析通常分為定性和定量兩種方法,前者是通過移動窗顯示人工觀察,如通過通用軟件查看;后者是通過專用設(shè)備檢測分析數(shù)據(jù)流中誤碼情況,即誤碼率測試。

傳統(tǒng)在軌遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼率測試,都是通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)中所有幀同步字部分的錯(cuò)誤率來代表整個(gè)數(shù)據(jù)的誤碼率[1]。這種方法的一個(gè)缺陷是衛(wèi)星一幀數(shù)據(jù)的長度通常在1000byte以上,而同步字長度是4～8byte,占比較小。以原始數(shù)據(jù)幀長2048byte、同步字長度8byte計(jì)算,幀同步字部分占數(shù)據(jù)總量的比重為0.39%,不具有很好的代表性。這種方法面臨的另一個(gè)缺陷是適用性問題,即為提高星地鏈路增益,目前越來越多的遙感衛(wèi)星下傳數(shù)據(jù)采用低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)編碼方式,地面站在接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)時(shí)通過解調(diào)器對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步和LDPC譯碼,傳到地面處理系統(tǒng)的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)是幀同步后且同步字全正確的數(shù)據(jù)(同步字失鎖的數(shù)據(jù)均被過濾),不能再通過幀同步字來發(fā)現(xiàn)和統(tǒng)計(jì)誤碼。文獻(xiàn)[2]在一種數(shù)據(jù)差錯(cuò)率檢測方法及實(shí)現(xiàn)中提出了基于偽隨機(jī)(PN)碼的數(shù)據(jù)差錯(cuò)率檢測方法,偽隨機(jī)序列在測試領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛,但大多數(shù)是用硬件實(shí)現(xiàn)的,而軟件實(shí)現(xiàn)具有低成本、研發(fā)周期短、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn);文獻(xiàn)[3]在遙感衛(wèi)星數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)誤碼率測試技術(shù)研究中用軟件編程實(shí)現(xiàn)了基于PN碼的誤碼率測試技術(shù),但該方法作為衛(wèi)星發(fā)射后在軌測試及常規(guī)業(yè)務(wù)誤碼率測試的前提條件是衛(wèi)星安裝有PN碼發(fā)生器且保證PN碼發(fā)生器處于開啟狀態(tài);文獻(xiàn)[4]在遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)質(zhì)量檢查方法與實(shí)現(xiàn)中對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了分段抽樣統(tǒng)計(jì)誤碼率并按段范圍輸出測試結(jié)果,但沒有明確誤碼發(fā)生的具體位置。

針對上述問題,本文提出基于空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼率的方法,該方法利用原始數(shù)據(jù)中空幀數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤量進(jìn)行誤碼率計(jì)算,輸出并顯示誤碼出現(xiàn)的位置及誤碼位數(shù),得到整軌原始數(shù)據(jù)誤碼分布情況輸出報(bào)告。通過實(shí)時(shí)過程輸出,以及事后追溯日志,均可以直觀得到數(shù)據(jù)誤碼發(fā)生的位置和誤碼分布情況,便于查找及定位原始數(shù)據(jù)問題。

1 基于空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)原始數(shù)據(jù)誤碼率分析

1.1 空幀數(shù)據(jù)分析

當(dāng)前衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸格式基本采用空間數(shù)據(jù)咨詢委員會(CCSDS)格式,多個(gè)載荷數(shù)據(jù)混合編排在1個(gè)或2個(gè)數(shù)據(jù)傳輸通道中,載荷數(shù)據(jù)多有可變壓縮比模式。為滿足數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)下傳的要求,在載荷數(shù)據(jù)采用最小壓縮比的情況下,數(shù)據(jù)傳輸通道速率需要大于衛(wèi)星的有效數(shù)據(jù)率。當(dāng)載荷數(shù)據(jù)壓縮比變大時(shí),衛(wèi)星有效數(shù)據(jù)率更小于數(shù)據(jù)傳輸通道速率。為使載荷各種工作模式下數(shù)據(jù)傳輸通道均保持1個(gè)穩(wěn)定的速度,需要在原始數(shù)據(jù)中不斷地填充空幀數(shù)據(jù)。空幀數(shù)據(jù)占整個(gè)數(shù)據(jù)的比重可以達(dá)到10%～85%,如高分一號衛(wèi)星空幀數(shù)據(jù)占原始數(shù)據(jù)比重通常在30%以上,高分四號衛(wèi)星數(shù)據(jù)在300Mbyte/s實(shí)傳時(shí),空幀數(shù)據(jù)占原始數(shù)據(jù)比重甚至超過80%?？諑瑪?shù)據(jù)是1個(gè)已知序列的數(shù)據(jù),利用空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在軌衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼的方法,可以極大地提高統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的代表性和統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可信度。同時(shí),該方法對于低密度奇偶校驗(yàn)碼(LDPC)譯碼后的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)同樣適用。

1.2 誤碼率產(chǎn)生原因

經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析,衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)誤碼(含丟幀)易出現(xiàn)在整軌數(shù)據(jù)的首尾兩端,主要原因?yàn)榻㈡溌愤^程中鎖定不穩(wěn)定,建議可通過匹配接收站跟蹤時(shí)間優(yōu)化。此外,原始數(shù)據(jù)的質(zhì)量與接收信噪比相關(guān),且誤碼出現(xiàn)位置隨機(jī),出現(xiàn)誤碼的原因可能包括:①星地天線始終對準(zhǔn)才能獲得盡可能大的信號強(qiáng)度,一旦偏離超差會使信號失鎖、誤碼增大,甚至接收中斷;②極化隔離度較差,當(dāng)一個(gè)極化信號泄露至另一個(gè)極化信號的通道,而泄漏過去的信號對另一個(gè)信號而言則是干擾信號,從而產(chǎn)生誤碼;③若地面接收站信號衰減設(shè)置不匹配、天線跟蹤性能不足、極化對消功能不具備或未發(fā)揮作用等也都可能造成原始數(shù)據(jù)質(zhì)量差;④天線仰角較低、受到大氣干擾、遮擋等因素導(dǎo)致的接收信號差。

2 檢測方法與步驟

利用空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在軌衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼率的檢測方法是根據(jù)衛(wèi)星數(shù)傳格式定義,逐幀對解擾后的衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)虛擬信道標(biāo)識進(jìn)行判斷,如果標(biāo)識是空幀數(shù)據(jù),則把該幀數(shù)據(jù)逐位與標(biāo)稱空幀數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,與標(biāo)稱空幀數(shù)據(jù)區(qū)比對的不相同位即為誤碼,統(tǒng)計(jì)所有空幀累加的空幀數(shù)據(jù)區(qū)中的誤碼位數(shù)占空幀總位數(shù)的比率。包括以下檢測步驟(見圖1)。

(1)原始數(shù)據(jù)幀同步:是對遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)進(jìn)行幀同步字識別與字節(jié)對齊,恢復(fù)原始數(shù)據(jù)幀格式的過程。傳統(tǒng)利用幀同步字統(tǒng)計(jì)誤碼,是在該步驟的幀同步字識別時(shí),設(shè)計(jì)有容錯(cuò)位數(shù)。如果當(dāng)前位置相應(yīng)字節(jié)與標(biāo)稱幀同步字比較的不相同位數(shù)小于容錯(cuò)位數(shù),則認(rèn)為當(dāng)前位置相應(yīng)字節(jié)為幀同步字字節(jié),與標(biāo)稱幀同步字比較的不相同位即為誤碼。統(tǒng)計(jì)搜索到幀同步字輸出的幀數(shù)(num_frames)及所有幀同步字部分的誤碼數(shù)(allbitsoff),用于后面誤碼率的計(jì)算。

(2)原始數(shù)據(jù)解擾[5]:是針對星上對下傳數(shù)據(jù)做加擾處理的逆處理,恢復(fù)衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)的過程,即根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸格式定義,生成與衛(wèi)星相同的擾碼序列,對幀同步后數(shù)據(jù)中除同步字以外的數(shù)據(jù)與擾碼序列逐位異或。

(3)空幀判斷及誤碼統(tǒng)計(jì):根據(jù)衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸格式定義,逐幀對解擾后的原始數(shù)據(jù)虛擬信道標(biāo)識進(jìn)行判斷,如果標(biāo)識是空幀數(shù)據(jù),則把該幀數(shù)據(jù)區(qū)序列與標(biāo)稱空幀數(shù)據(jù)區(qū)序列逐位進(jìn)行比對,不相同位即為誤碼。輸出出現(xiàn)的誤碼位置及誤碼位數(shù)到屏幕及輸出報(bào)告。CCSDS數(shù)據(jù)傳輸格式是多遙感器數(shù)據(jù)合成的編碼方式,支持多路虛擬信道數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)傳輸合路,通過虛擬信道標(biāo)識區(qū)分各路數(shù)據(jù)[6]?？諑瑪?shù)據(jù)是其中的一路虛擬信道數(shù)據(jù)。

不同衛(wèi)星的空幀數(shù)據(jù)區(qū)序列有所不同,需要根據(jù)具體衛(wèi)星的數(shù)據(jù)傳輸格式定義,得到標(biāo)稱空幀數(shù)據(jù)區(qū)序列。以某衛(wèi)星為例,空幀數(shù)據(jù)區(qū)序列為00～FF(16進(jìn)制)的循環(huán),共894個(gè)字節(jié),如下:

000102……FEFF0001……

把從原始數(shù)據(jù)中提取的空幀數(shù)據(jù)區(qū)數(shù)據(jù)與標(biāo)稱空幀數(shù)據(jù)序列逐位異或,得到誤碼數(shù)。統(tǒng)計(jì)提取到的空幀幀數(shù)(fill_frames)及所有空幀累加的空幀數(shù)據(jù)區(qū)中的誤碼位數(shù)(fill_allbitsoff),用于后面誤碼率的計(jì)算。

(4)誤碼率計(jì)算:誤碼率為參與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)的誤碼數(shù)與參與統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的比值。利用空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在軌衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼的方法為步驟(1)～(4),誤碼率計(jì)算的分母為搜索到的空幀幀數(shù)(fill_frames)乘以空幀數(shù)據(jù)區(qū)長度(data_length)再乘以8(1個(gè)字節(jié)為8位),分子為所有空幀累加的空幀數(shù)據(jù)區(qū)中的誤碼位數(shù)(fill_allbitsoff)。應(yīng)用程序計(jì)算過程:BER=fill_allbitsoff/(fill_frames*data_length*8)。

(5)輸出統(tǒng)計(jì)參數(shù)、統(tǒng)計(jì)結(jié)果到屏幕及輸出報(bào)告。輸出的檢測報(bào)告包含了所捕獲的第一幀和最后一幀的位置信息、捕獲總幀數(shù)、丟幀數(shù)、一軌數(shù)據(jù)的誤碼率和誤碼出現(xiàn)的位置信息。

(6)重復(fù)以上步驟,統(tǒng)計(jì)所有待測原始數(shù)據(jù)的誤碼率情況,并逐條記錄各個(gè)原始數(shù)據(jù)的誤碼率測試結(jié)果。

(7)針對原始數(shù)據(jù)偶爾出現(xiàn)誤碼及其他問題的情況,采用特殊問題特殊處理的方法,建立健全容錯(cuò)機(jī)制,確保每軌、每段正常數(shù)據(jù)都成功處理,提高原始數(shù)據(jù)的利用率。

綜上,利用空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在軌衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)誤碼的方法,可以極大提高統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的代表性和統(tǒng)計(jì)結(jié)果的可信度。

3 工程應(yīng)用

本文方法已應(yīng)用到某些衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量控制過程,收到良好的效果。通過對幾顆衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)大量檢測和統(tǒng)計(jì),可以看到:大多衛(wèi)星數(shù)據(jù)在開始和結(jié)束的時(shí)間數(shù)據(jù)誤碼率較高,由于天線仰角較低時(shí),受到大氣干擾、遮擋或者跟蹤捕捉信號差的緣故而造成誤碼率集中出現(xiàn)。分析原始數(shù)據(jù)質(zhì)量,采用本文方法測試后定位數(shù)據(jù)丟行原因?yàn)樵紨?shù)據(jù)有誤碼。支撐接收站設(shè)計(jì)最優(yōu)數(shù)據(jù)接收方案,該星原始數(shù)據(jù)正常率提高到90%;修改地面處理軟件后,丟行現(xiàn)象由80%減少到千分之一(見圖2),大大提高了原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)可用性,從而提升地面處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。

4 結(jié)束語

本文采用基于空幀數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)誤碼率的方法實(shí)時(shí)分析檢測遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)質(zhì)量,簡單實(shí)用,不僅精確地統(tǒng)計(jì)出原始數(shù)據(jù)的誤碼率,而且還可以記錄誤碼出現(xiàn)的具體位置和錯(cuò)誤情況,實(shí)踐證明該方法可為遙感衛(wèi)星在軌測試及日常原始數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測提供更加有效、高速和快捷的定量檢測手段,支撐接收站設(shè)計(jì)最優(yōu)數(shù)據(jù)接收方案,提高遙感衛(wèi)星原始數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)可用性,從而提升地面處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和容錯(cuò)性。