Fernerkundungssatelliten fotografieren die Erde aus Hunderten von Kilometern Höhe über der Erde. Die Rohnutzdaten können nicht direkt verwendet werden; Stattdessen ist ein vollständiger Satz an Bodenstationsgeräten erforderlich, um den Hochfrequenzempfang, die Digitalisierung, die Signalsynchronisierung, die Demodulation und Dekodierung, das Parsen von Protokollen und die Bildrekonstruktion durchzuführen und letztendlich standardisierte, verwendbare Bildprodukte zu erzeugen. Darunter das VPX-Architektur-Hochgeschwindigkeits--Basisband-Datenverarbeitungsgerät -, d. h. dasDatenverarbeitungsgeräte für die Fernerkundung- dient als zentraler Hub des Bodenempfangssystems: Es ist mit der HF-Empfangskette der Antenne am Front-End verbunden und gibt vollständige, gültige Daten an schnelle {{1}Anzeigesysteme, Speichersysteme und branchenspezifische Workstations am Back-End aus. Der folgende Abschnitt bietet eine umfassende Aufschlüsselung des standardisierten Verarbeitungsworkflows und der Hardware-Architektur des Geräts, basierend auf einer tatsächlichen Satelliten-zu-Boden-Signalübertragungsverbindung.
1. Front-End-HF-Eingang und digitale Vorverarbeitungskette
Wenn ein Satellit über ihm hinwegfliegt, erfasst die Parabolantenne den Downlink-HF-Träger des Satelliten. Nachdem das Signal durch einen rauscharmen Verstärker (LNA) verstärkt und gefiltert wurde, wird es an einen Outdoor-Abwärtskonverter gesendet, der das hochfrequente HF-Signal auf eine Standardzwischenfrequenz herunterkonvertiert. Das Gerät unterstützt zwei Arten von Eingangsspezifikationen:
1) Standard-ZF-Eingänge: Gemeinsame 70-MHz- und 140-MHz-ZF; Das Gerät kann als kundenspezifische Lösung mit einer dedizierten 720-MHz-ZF konfiguriert werden.
2) L--Band-HF-Direkteingang: Unterstützt den direkten Eingang von L--Band-Signalen im Bereich 950–1500 MHz; Ein integriertes sekundäres Abwärtskonvertierungsmodul wandelt das Signal in die Standardzwischenfrequenz des Geräts um.
Nachdem das Zwischenfrequenzsignal in die Basisbandausrüstung eingespeist wurde, durchläuft es zunächst eine automatische Verstärkungsregelung (AGC) und eine Zwischenfrequenzfilterung und wird dann von einem Hochgeschwindigkeits-Analog-{3}}zu-Digital-Wandler (ADC) abgetastet, der das analoge Zwischenfrequenzsignal in einen komplexen digitalen Basisband-Abtaststrom umwandelt. Alle Synchronisations-, Demodulations- und Decodierungsvorgänge werden auf Grundlage des digitalen Abtastsignals durchgeführt.
Aufgrund der Hochgeschwindigkeitsbewegung des Satelliten im Orbit trägt das Downlink-Signal eine große Bandbreite an Doppler-Verschiebungen. Das Gerät verfügt über eine Trägerverfolgungsschleife in seinem FPGA, die die Frequenz und Phase des lokalen numerisch gesteuerten Oszillators (NCO) in Echtzeit anpasst, um Doppler-Verschiebungen kontinuierlich zu kompensieren und eine stabile Signalverriegelung aufrechtzuerhalten. Der Synchronisierungsprozess folgt der standardmäßigen technischen Reihenfolge: zuerst die Bitsynchronisierung, gefolgt von einer präzisen Trägerverfolgung. Das Bitsynchronisationsmodul extrahiert einen präzisen Symbol-Timing-Takt aus dem abgetasteten Datenstrom und stellt eine einheitliche Zeitreferenz für die Trägerschleife und die Symbolentscheidung bereit, wodurch ein Symbolabtastversatz und ein durch Doppler-Verschiebung verursachter Sperrverlust verhindert werden.
2. Multiformat-Demodulation und Kanalfehlerkorrektur-Dekodierung
Nachdem die Synchronisierung und Sperrung abgeschlossen sind, gelangt der digitale Symbolstrom in die FPGA-Hardware-Demodulations-Engine. Das Gerät verfügt über einen Demodulations-IP-Kern, der mit gängigen Fernerkundungssatellitensystemen kompatibel ist und Modulationsschemata wie BPSK, QPSK, SQPSK, 16QAM und GMSK unterstützt. Es kann einfach durch den Wechsel der Softwareparameter an verschiedene Satellitenmodelle angepasst werden, ohne dass Hardwareplatinen ausgetauscht werden müssen.
Der räumliche Übertragungsprozess führt zu Rauschen und Fading, die Bitfehler verursachen. Der integrierte-Sender wendet mehrstufige Kanalfehler--Korrekturcodes an, und die Basisbandausrüstung ist mit entsprechenden Decodierungsmodulen ausgestattet: Sie unterstützt RS-Codes, Faltungs-Viterbi-Decodierung und LDPC-Soft-Decision-Decodierung. Die Hardware-Parallelbeschleunigung ermöglicht einen hohen{6}Durchsatz, Fehlerkorrektur in Echtzeit, maximiert die Wiederherstellung von Übertragungsfehlern und gibt einen sauberen, fehlerfreien Bitdatenstrom aus.
3. CCSDS-Standard-Deinterleaving, Frame-Synchronisation und Paketanalyse
Alle zivilen und kommerziellen Fernerkundungssatelliten entsprechen einheitlich dem CCSDS Space Data System-Standard und die Ausrüstung implementiert die CCSDS-End-to-Endverarbeitung vollständig: Satelliten-Downlink-Daten werden mithilfe einer Pseudozufallssequenz verschlüsselt, um Trägerlecks zu unterdrücken; Nach der Dekodierung wird zunächst eine Entschlüsselungsoperation durchgeführt, um den ursprünglichen zufälligen Bitstrom wiederherzustellen.
Nach der Entschlüsselung sucht das Modul nach dem konfigurierbaren Frame-Synchronisations-Header und sperrt ihn, um den Anfang jedes Daten-Frames zu lokalisieren. Anschließend analysiert es die Frame-Header-Felder, um die VCID (Virtual Channel Identifier) und die APID (Application Process Identifier) zu extrahieren, wodurch zwischen mehreren Arten von Datenströmen unterschieden wird: optische/infrarote multispektrale Nutzlastbilddatenpakete, Satellitentelemetrie-Hilfsdatenpakete und Bordlage- und Orbit-Hilfsdaten.
Das System kategorisiert und leitet Lastdaten und Hilfsinformationen basierend auf der APID weiter. Hilfsdaten werden separat zwischengespeichert und archiviert, während komprimierte Bilddatenpakete zur unabhängigen Verarbeitung an die Bilddekomprimierungseinheit gesendet werden.
4. Echtzeit-Dekomprimierung und Rekonstruktion komprimierter Bilder an Bord
Um Downlink-Bandbreite zu sparen, sind optische, hyperspektrale und Infrarot-Fernerkundungssatelliten im Allgemeinen mit integrierten Echtzeitkomprimierungsmodulen ausgestattet, die mit drei gängigen Komprimierungsstandards kompatibel sind:
1) Weltraumzerstörungsfreier Teststandard: CCSDS 123 (speziell für multispektrale/hyperspektrale 3D-Bildgebung);
2) Allzweck-verlustfrei: JPEGLS;
3) Verlustbehaftete High--Fidelity-Komprimierung: JPEG 2000.
Das Basisbandgerät verfügt über eine Multi-Core-CPU gepaart mit einer dedizierten Dekomprimierungsbeschleunigungseinheit. Es wählt adaptiv den geeigneten Algorithmus basierend auf den Komprimierungsflags in den Paketheadern aus und passt die Dekomprimierungsparameter dynamisch an, um Verarbeitungslatenz und Bildtreue auszugleichen und Originalbilder mit einer Auflösung von weniger als einem Meter- vollständig wiederherzustellen, um den Anforderungen hochpräziser Anwendungen wie nationaler Landvermessung sowie land- und forstwirtschaftlicher Überwachung gerecht zu werden.
5. VPX Heterogene Echtzeit-Computing-Architektur (FPGA + Multi-Core-CPU)
Die Fernerkundungsdatenverarbeitungsausrüstung nutzt ein robustes Standard-VPX-Gehäuse und nutzt eine heterogene parallele Architektur, die FPGA-Hardwarebeschleunigung mit Mehrzweck--Core-CPU-Allzweck-Computing kombiniert. Im Gegensatz zu rein softwarebasierten Multi-Core-Lösungen unterstützt es einen maximalen Echtzeit-Durchsatz von 800 Mbit/s pro Kanal:
1) FPGA-Logikschicht: Bewältigt Hoch-Echtzeit-Aufgaben der physikalischen Schicht-Trägerverfolgung, Bitsynchronisierung, Demodulation, LDPC/Viterbi-Dekodierung, Rahmensynchronisierung und CCSDS-De-Verschlüsselung und De-Framing-unter Verwendung einer Million-Ebenen-Parallelpipeline, um Hochgeschwindigkeitsdatenströme ohne Latenz zu verarbeiten;
2) Echtzeit-Softwareschicht für Multi-{2}-Core-CPUs: Verantwortlich für die Bilddekomprimierung, die schnelle Generierung-Ansichten, die Aufgabenplanung, die Statusüberwachung, die Datenweiterleitung und -verteilung sowie die Remote-Betriebs- und Wartungsinteraktion;
3) Modulare Zerlegung am Fließband: Trägersynchronisation, Demodulation und Dekodierung, Protokollanalyse, Dekomprimierung und Schnellvorschau sowie Datenverteilung werden in unabhängige Aufgabeneinheiten unterteilt und parallel über CPU-Kerne und FPGA-Kanäle hinweg geplant.
Das System unterstützt die softwaredefinierte Task-Topologie-Rekonfiguration: Beim Umschalten zwischen Satelliten mit unterschiedlichen Parametern kann das Betriebs- und Wartungspersonal die Backend-Software verwenden, um Moduldatenströme, Coderaten, Modulations- und Codierungsparameter sowie Frame-Synchronisationswörter neu zu konfigurieren. In den allermeisten Szenarien sind keine Hardware-Änderungen erforderlich. Nur in Szenarien mit HF-Bandbreite oder spezifischen Frequenzbandanforderungen ist es notwendig, das Front-End-HF-Filtermodul auszutauschen.
6. Hochgeschwindigkeits-Datenaustausch und skalierbare Speicherlösungen
Das Gerät ist mit mehreren Arten von Hochgeschwindigkeits-Dienstschnittstellen ausgestattet, um den End-zu-Datenaustausch zwischen dem Front-End und dem Back-End zu unterstützen:
Front-{0}}Eingänge: 10-optische Gigabit-Ports und Hochgeschwindigkeits-LVDS-Differentialschnittstellen, die RF-digitalisierte Datenströme vom Front-End empfangen;
Backend-Ausgabe: Gigabit-Ethernet, 10-Gigabit-Ethernet, wird zur Verteilung dekomprimierter Video- und QuickView-Daten verwendet;
Cluster Interconnect: IB-Hochgeschwindigkeitsbus, der hauptsächlich für die Verbindung von Clustern mit mehreren{1}Geräten und Back-End-Speicherpools mit hoher{2}Kapazität verwendet wird; Wird nicht für den Front-{3}End-HF-Signalzugriff verwendet.
Die Standardverarbeitungsrate für einen einzelnen Kanal reicht von 10 Mbit/s bis 800 Mbit/s; Beim Betrieb im Dual--Kanal-Parallelmodus verdoppelt sich der Durchsatz. Der Speicher wird über ein externes Festplatten-Array erweitert, wobei die Speicherkapazität linear mit der Anzahl der Festplatten im Array und der Backplane-Bandbreite skaliert. Aufgrund von Einschränkungen durch Hardware-Steckplätze und E/A-Bandbreite kann die Kapazität jedoch nicht unbegrenzt erweitert werden; Es reicht aus, um die Anforderungen für die tägliche Speicherung riesiger Mengen an Fernerkundungsdaten zu erfüllen.
7. Vollständige-Verknüpfung von Echtzeit-Qualitätsüberwachung und hoch-zuverlässiger Betriebsunterstützung
Das System setzt hierarchische Zustandsüberwachungsknoten in der gesamten Signalverarbeitungskette ein, um Betriebsmetriken kontinuierlich aufzuzeichnen:
1) Physikalische Schicht: Demodulation Eb/N0, Echtzeit-Bitfehlerrate, Träger-/Bit-Synchronisationsstatus, Doppler-Verschiebung;
2) Datenverbindungsschicht: Anzahl der Frame-Synchronisierungssperren-, Paketprüfsummenergebnisse und APID-Paketintegritätsstatistiken;
3) Business-Schicht: Dekomprimierungs-Framerate, QuickView-Ausgabelatenz und Schnittstellen-Durchsatzlast.
Alle Alarmprotokolle und Betriebskennzahlen werden lokal in Echtzeit angezeigt und automatisch archiviert und gespeichert. Das System unterstützt sowohl den lokalen Konsolen- als auch den webbasierten Remote--Zugriff für Betrieb und Wartung. Das Gerät nutzt robuste Platinen nach Militärstandard und ein Netzteil für einen weiten Temperaturbereich mit einer mittleren Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) von mindestens 25.000 Stunden und erfüllt damit die Anforderungen für einen langfristigen, kontinuierlichen Betrieb rund um die Uhr an Bodenstationen.
8. Projektumsetzung und Branchenanwendungen
Diese Reihe von Fernerkundungsdatenverarbeitungsgeräten wurde in großen Mengen auf mehreren inländischen zivilen Fernerkundungssatelliten eingesetzt, die sich derzeit im Orbit befinden. Sie deckt alle Arten von Nutzlasten ab, -einschließlich sichtbarem Licht, multispektral, hyperspektral und infrarot-und produziert kontinuierlich Standardbildprodukte mit einer Auflösung von weniger als einem Meter-. Es wird häufig in zivilen Bereichen eingesetzt, beispielsweise bei der Erhebung von Ressourcen in der Land- und Forstwirtschaft, bei der Überwachung des Wasserschutzes und des Hochwasserschutzes, bei der Kartierung natürlicher Ressourcen und bei der Planung intelligenter Städte. Gleichzeitig hat es mehrere Runden internationaler kooperativer Satelliten-zu-Bodenverbindungstests erfolgreich abgeschlossen und ist mit CCSDS-Standard-Fernerkundungsmissionen aus mehreren Ländern kompatibel und weist selbst unter komplexen Doppler- und niedrigen Signal{8}}zu{9}}-Rausch-Verhältnisbedingungen eine stabile und zuverlässige Verarbeitungsleistung auf.
9. Beschreibung kundenspezifischer Lösungen
Wenn eine Bodenstation ein völlig neues Satellitenempfangssystem einrichten muss, dann ist dies dasDatenverarbeitungsgeräte für die Fernerkundungbietet eine umfassende-Tiefenanpassung: Die Mittenfrequenz der Zwischenfrequenz (ZF), Modulations-/Kodierungsschemata, CCSDS-Rahmenparameter, Hochgeschwindigkeitsschnittstellentypen, die Anzahl der Kanäle und die Speicherkapazität können alle nach Bedarf konfiguriert werden. Es bietet eine Komplettlösung, die vom HF-Empfang über Echtzeit-Basisbandverarbeitung und Live-Anzeige bis hin zur Back-End-Speicherung und -Verteilung reicht.
Um einen maßgeschneiderten Konfigurationsplan für Ihr Projekt oder ein Whitepaper mit detaillierten technischen Spezifikationen zu erhalten, wenden Sie sich bitte an unser technisches Team:info@satgroundapplication.com
