อุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลการสำรวจระยะไกลทำงานอย่างไร

ดาวเทียมสำรวจระยะไกลจะถ่ายภาพโลกจากวงโคจรที่อยู่เหนือพื้นดินหลายร้อยกิโลเมตร ข้อมูลเพย์โหลดดิบไม่สามารถนำมาใช้โดยตรง ในทางกลับกัน จำเป็นต้องใช้อุปกรณ์สถานีภาคพื้นดินครบชุดเพื่อทำการรับความถี่วิทยุ การแปลงข้อมูลเป็นดิจิทัล การซิงโครไนซ์สัญญาณ ดีโมดูเลชั่นและการถอดรหัส การแยกวิเคราะห์โปรโตคอล และการสร้างภาพใหม่ ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะได้ผลิตภัณฑ์ภาพที่ได้มาตรฐานและใช้งานได้จริง ในจำนวนนี้ .the VPX-สถาปัตยกรรมสูง-อุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลเบสแบนด์ความเร็วสูง - กล่าวคืออุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลการสำรวจระยะไกล- ทำหน้าที่เป็นศูนย์กลางหลักของระบบรับสัญญาณภาคพื้นดิน โดยเชื่อมต่อกับสายรับ RF ของเสาอากาศที่ส่วนหน้า และส่งข้อมูลที่ถูกต้องและสมบูรณ์ไปยัง-ระบบการรับชม ระบบจัดเก็บข้อมูล และ-เวิร์กสเตชันเฉพาะของอุตสาหกรรมที่ด้านหลังอย่างรวดเร็ว ส่วนต่อไปนี้จะให้รายละเอียดที่ครอบคลุมของขั้นตอนการประมวลผลมาตรฐานและสถาปัตยกรรมฮาร์ดแวร์ของอุปกรณ์ โดยอิงตามลิงก์การส่งสัญญาณจากดาวเทียม-ไปยัง-ภาคพื้นดินจริง

1. อินพุต RF ด้านหน้า-และห่วงโซ่การประมวลผลล่วงหน้าแบบดิจิทัล

เมื่อดาวเทียมผ่านเหนือศีรษะ เสาอากาศพาราโบลาจะจับคลื่นพาหะ RF ดาวน์ลิงก์ของดาวเทียม หลังจากขยายด้วยเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) - และกรองแล้ว สัญญาณจะถูกส่งไปยังดาวน์คอนเวอร์เตอร์ภายนอก ซึ่งจะแปลงสัญญาณ RF ความถี่สูง-เป็นความถี่กลางมาตรฐาน อุปกรณ์รองรับข้อกำหนดอินพุตสองประเภท:

1) อินพุต IF มาตรฐาน: IF ทั่วไป 70 MHz และ 140 MHz; อุปกรณ์สามารถกำหนดค่าด้วย 720 MHz IF เฉพาะเป็นโซลูชันแบบกำหนดเอง

2) L-Band RF Direct Input: รองรับอินพุตโดยตรงของสัญญาณ L- ในช่วง 950–1500 MHz; โมดูลการแปลงดาวน์ทุติยภูมิในตัว-จะแปลงสัญญาณเป็นความถี่กลางมาตรฐานของอุปกรณ์

หลังจากที่สัญญาณความถี่กลาง-ถูกป้อนเข้าไปในอุปกรณ์เบสแบนด์ ขั้นแรกสัญญาณนั้นจะผ่านการควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) และการกรองความถี่กลาง- จากนั้นจึงสุ่มตัวอย่างโดยตัวแปลง-แอนะล็อกความเร็วสูง-เป็น-ดิจิทัล (ADC) ซึ่งจะแปลงสัญญาณความถี่กลางแอนะล็อก-ไปเป็นสตรีมตัวอย่างเบสแบนด์ดิจิทัลที่ซับซ้อน การซิงโครไนซ์ ดีโมดูเลชั่น และการถอดรหัสทั้งหมดจะดำเนินการตามสัญญาณตัวอย่างดิจิทัล

เนื่องจากดาวเทียมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูง-ในวงโคจร สัญญาณดาวน์ลิงก์จึงมีการเปลี่ยนดอปเปลอร์ที่หลากหลาย อุปกรณ์ดังกล่าวรวมลูปการติดตามพาหะภายใน FPGA ซึ่งจะปรับความถี่และเฟสของออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยตัวเลข (NCO) ในพื้นที่แบบเรียลไทม์เพื่อชดเชยการเปลี่ยนแปลงของ Doppler อย่างต่อเนื่องและรักษาการล็อคสัญญาณที่เสถียร กระบวนการซิงโครไนซ์เป็นไปตามลำดับทางวิศวกรรมมาตรฐาน: การซิงโครไนซ์บิตก่อน ตามด้วยการติดตามพาหะที่แม่นยำ โมดูลการซิงโครไนซ์บิตจะแยกนาฬิกาจับเวลาสัญลักษณ์ที่แม่นยำออกจากสตรีมข้อมูลตัวอย่าง ทำให้มีการอ้างอิงเวลาแบบรวมสำหรับการตัดสินใจลูปพาหะและสัญลักษณ์ จึงป้องกันการชดเชยการสุ่มตัวอย่างสัญลักษณ์และการสูญเสียการล็อคที่เกิดจากการเลื่อนดอปเปลอร์

2. การถอดรหัสการแก้ไขข้อผิดพลาดของช่องสัญญาณหลายรูปแบบ-

หลังจากการซิงโครไนซ์และการล็อคเสร็จสมบูรณ์ สตรีมสัญลักษณ์ดิจิทัลจะเข้าสู่กลไกการสาธิตฮาร์ดแวร์ FPGA อุปกรณ์ดังกล่าวรวมเอาแกน IP ดีโมดูเลชั่นที่เข้ากันได้กับระบบดาวเทียมสำรวจระยะไกลกระแสหลัก ซึ่งรองรับแผนการมอดูเลต เช่น BPSK, QPSK, SQPSK, 16QAM และ GMSK สามารถปรับให้เข้ากับดาวเทียมรุ่นต่างๆ ได้ง่ายๆ โดยการสลับพารามิเตอร์ซอฟต์แวร์ โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนบอร์ดฮาร์ดแวร์

กระบวนการส่งผ่านอวกาศทำให้เกิดสัญญาณรบกวนและการซีดจาง ซึ่งทำให้เกิดข้อผิดพลาดบิต เครื่องส่งบน-เครื่องส่งใช้รหัสแก้ไขข้อผิดพลาดช่องสัญญาณหลาย-ระดับ- และอุปกรณ์เบสแบนด์มีโมดูลถอดรหัสที่เกี่ยวข้อง: รองรับรหัส RS, การถอดรหัส Viterbi แบบบิดเกลียว และการถอดรหัสการตัดสินใจแบบซอฟต์-ของ LDPC การเร่งความเร็วแบบขนานด้วยฮาร์ดแวร์ช่วยให้สามารถ-รับส่งข้อมูลสูง แก้ไขข้อผิดพลาดแบบเรียลไทม์- เพิ่มการกู้คืนข้อผิดพลาดในการส่งข้อมูลได้สูงสุด และส่งออกสตรีมข้อมูลบิตที่ปราศจากข้อผิดพลาด-

3. CCSDS Standard Deinterleaving, Frame Synchronization และ Packet Parsing

ดาวเทียมสำรวจระยะไกลทั้งพลเรือนและเชิงพาณิชย์ปฏิบัติตามมาตรฐานระบบข้อมูลอวกาศ CCSDS อย่างสม่ำเสมอ และอุปกรณ์ดังกล่าวใช้การประมวลผล CCSDS ตั้งแต่ต้นทาง-ถึง- อย่างสมบูรณ์: ข้อมูลดาวน์ลิงก์ของดาวเทียมจะถูกรบกวนโดยใช้ลำดับเทียมเทียมเพื่อระงับการรั่วไหลของพาหะ หลังจากการถอดรหัส จะมีการดำเนินการดี-เพื่อเรียกคืนบิตสตรีมแบบสุ่มดั้งเดิม

หลังจากถอดรหัสแล้ว โมดูลจะค้นหาและล็อคเข้ากับส่วนหัวการซิงโครไนซ์เฟรมที่กำหนดค่าได้ เพื่อค้นหาจุดเริ่มต้นของแต่ละเฟรมของข้อมูล จากนั้นจะแยกวิเคราะห์ฟิลด์ส่วนหัวของเฟรมเพื่อแยก VCID (Virtual Channel Identifier) ​​และ APID (Application Process Identifier) ​​ดังนั้นจึงแยกความแตกต่างระหว่างสตรีมข้อมูลหลายประเภท: แพ็กเก็ตข้อมูลรูปภาพน้ำหนักบรรทุกหลายสเปกตรัมแบบออพติคัล/อินฟราเรด แพ็กเก็ตข้อมูลเสริมการวัดระยะไกลผ่านดาวเทียม และ-ทัศนคติบนบอร์ดและข้อมูลเสริมเกี่ยวกับวงโคจร

ระบบจัดหมวดหมู่และกำหนดเส้นทางข้อมูลโหลดและข้อมูลเสริมตาม APID ข้อมูลเสริมจะถูกแคชและเก็บถาวรแยกกัน ในขณะที่แพ็กเก็ตข้อมูลภาพที่บีบอัดจะถูกส่งไปยังหน่วยบีบอัดรูปภาพเพื่อการประมวลผลที่เป็นอิสระ

4. การบีบอัดตามเวลาจริง-และการสร้างภาพที่บีบอัดขึ้นมาใหม่บนเครื่อง

เพื่อรักษาแบนด์วิธดาวน์ลิงก์ โดยทั่วไปดาวเทียมสำรวจระยะไกลแบบออปติคอล ไฮเปอร์สเปกตรัม และอินฟราเรดจะติดตั้งโมดูลการบีบอัดแบบเรียลไทม์-บนบอร์ด- ซึ่งเข้ากันได้กับมาตรฐานการบีบอัดกระแสหลักสามมาตรฐาน:

1) มาตรฐานการทดสอบแบบไม่ทำลายอวกาศ-: CCSDS 123 (โดยเฉพาะสำหรับการถ่ายภาพ 3 มิติแบบหลายสเปกตรัม/ไฮเปอร์สเปกตรัม)

2) วัตถุประสงค์ทั่วไป- ไม่สูญเสียข้อมูล: JPEGLS;

3) การบีบอัดความเที่ยงตรงสูง-แบบสูญเสีย: JPEG 2000

อุปกรณ์เบสแบนด์มี CPU แบบหลาย-ที่จับคู่กับหน่วยเร่งความเร็วในการบีบอัดโดยเฉพาะ โดยจะปรับเปลี่ยนการเลือกอัลกอริธึมที่เหมาะสมตามแฟล็กการบีบอัดในส่วนหัวของแพ็กเก็ต และปรับพารามิเตอร์การบีบอัดแบบไดนามิกเพื่อสร้างสมดุลระหว่างเวลาแฝงในการประมวลผลและความเที่ยงตรงของภาพ คืนค่าภาพต้นฉบับที่มีความละเอียดต่ำกว่า-เมตร-อย่างเต็มที่ เพื่อตอบสนองความต้องการของการใช้งานที่มีความแม่นยำสูง- เช่น การสำรวจที่ดินระดับชาติ การตรวจสอบการเกษตรและป่าไม้

5. VPX Heterogeneous Real-สถาปัตยกรรมการประมวลผลเวลา (FPGA + CPU แบบมัลติ-)

อุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลการสำรวจระยะไกลใช้แชสซีที่ทนทานมาตรฐาน VPX และใช้สถาปัตยกรรมแบบขนานที่แตกต่างกันซึ่งรวมการเร่งความเร็วด้วยฮาร์ดแวร์ FPGA เข้ากับการประมวลผลตามวัตถุประสงค์ทั่วไปของ CPU แบบหลาย-CPU{1}} ต่างจากโซลูชันแบบมัลติคอร์-ที่ใช้ซอฟต์แวร์เพียงอย่างเดียว โดยสนับสนุนปริมาณงานแบบเรียลไทม์สูงสุด-ที่ 800 Mbps ต่อช่องสัญญาณ:

1) เลเยอร์ลอจิก FPGA: จัดการงานเลเยอร์ทางกายภาพแบบเรียลไทม์-แบบเรียลไทม์-สูง-การติดตามผู้ให้บริการ การซิงโครไนซ์บิต การถอดรหัส การถอดรหัส LDPC/Viterbi การซิงโครไนซ์เฟรม และ-การแย่งชิงและการลด-การกำหนดเฟรม-ของ CCSDS โดยใช้ไปป์ไลน์แบบขนานระดับล้าน- เพื่อประมวลผล-สตรีมข้อมูลความเร็วสูงด้วยศูนย์ เวลาแฝง;

2) เลเยอร์ซอฟต์แวร์แบบเรียลไทม์-สำหรับ CPU หลาย- คอร์: รับผิดชอบในการขยายขนาดรูปภาพ การสร้างมุมมองด่วน- การจัดกำหนดการงาน การตรวจสอบสถานะ การกำหนดเส้นทางและการกระจายข้อมูล และการดำเนินการระยะไกลและการโต้ตอบการบำรุงรักษา

3) การสลายตัวของสายการประกอบแบบโมดูลาร์: การซิงโครไนซ์ของผู้ให้บริการ การสาธิตและการถอดรหัส การแยกวิเคราะห์โปรโตคอล การบีบอัดและการดูตัวอย่างอย่างรวดเร็ว และการกระจายข้อมูลจะแบ่งออกเป็นหน่วยงานที่เป็นอิสระ และกำหนดเวลาในแบบคู่ขนานระหว่างคอร์ CPU และช่อง FPGA

ระบบรองรับซอฟต์แวร์-การกำหนดค่าโทโพโลยีงานที่กำหนดใหม่: เมื่อสลับระหว่างดาวเทียมด้วยพารามิเตอร์ที่แตกต่างกัน เจ้าหน้าที่ปฏิบัติการและบำรุงรักษาสามารถใช้ซอฟต์แวร์แบ็กเอนด์เพื่อกำหนดค่าสตรีมข้อมูลโมดูล อัตรารหัส พารามิเตอร์การมอดูเลตและการเข้ารหัส และคำในการซิงโครไนซ์เฟรมใหม่ ในสถานการณ์ส่วนใหญ่ ไม่จำเป็นต้องมีการดัดแปลงฮาร์ดแวร์ เฉพาะในสถานการณ์ที่เกี่ยวข้องกับแบนด์วิดท์ RF หรือข้อกำหนดคลื่นความถี่เฉพาะเท่านั้นที่จำเป็นต้องเปลี่ยนโมดูลตัวกรอง RF ส่วนหน้า-

6. การแลกเปลี่ยนข้อมูลความเร็วสูง-และโซลูชันการจัดเก็บข้อมูลที่ปรับขนาดได้

อุปกรณ์ดังกล่าวมีอินเทอร์เฟซบริการความเร็วสูง-หลายประเภทเพื่อรองรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลตั้งแต่ต้นทางถึง- ระหว่างส่วนหน้าและส่วนหลัง:

อินพุตส่วนหน้า-: พอร์ตออปติคัลกิกะบิต 10- พอร์ตและอินเทอร์เฟซดิฟเฟอเรนเชียล LVDS ความเร็วสูง- ซึ่งรับสตรีมข้อมูลดิจิทัล RF จากส่วนหน้า

เอาท์พุตแบ็กเอนด์: Gigabit Ethernet, 10-Gigabit Ethernet ใช้เพื่อกระจายวิดีโอที่คลายการบีบอัดและข้อมูล QuickView;

การเชื่อมต่อระหว่างคลัสเตอร์: บัสความเร็วสูง IB- ใช้สำหรับการเชื่อมต่อคลัสเตอร์อุปกรณ์หลาย- และพูลพื้นที่เก็บข้อมูลแบ็กเอนด์ที่มีความจุสูง-เป็นหลัก ไม่ใช้สำหรับการเข้าถึงสัญญาณ RF ส่วนหน้า-

อัตราการประมวลผลมาตรฐานสำหรับช่องสัญญาณเดียวอยู่ในช่วงตั้งแต่ 10 Mbps ถึง 800 Mbps; เมื่อทำงานในโหมดคู่ขนาน-ช่องสัญญาณ ปริมาณงานจะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า พื้นที่จัดเก็บข้อมูลจะถูกขยายผ่านดิสก์อาเรย์ภายนอก โดยมีการปรับขนาดความจุเป็นเส้นตรงกับจำนวนฮาร์ดไดรฟ์ในอาเรย์และแบนด์วิธของแบ็กเพลน อย่างไรก็ตาม เนื่องจากข้อจำกัดที่กำหนดโดยสล็อตฮาร์ดแวร์และแบนด์วิธ I/O ความจุจึงไม่สามารถขยายได้อย่างไม่มีกำหนด ก็เพียงพอแล้วที่จะตอบสนองความต้องการในการจัดเก็บข้อมูลการสำรวจระยะไกลจำนวนมหาศาลในแต่ละวัน

7. การตรวจสอบคุณภาพเวลา-การเชื่อมโยงจริง-เต็มรูปแบบและการสนับสนุนการปฏิบัติงานที่มีความน่าเชื่อถือสูง-

ระบบปรับใช้โหนดการตรวจสอบสภาพแบบลำดับชั้นตลอดทั้งห่วงโซ่การประมวลผลสัญญาณเพื่อบันทึกตัวชี้วัดการทำงานอย่างต่อเนื่อง:

1) ฟิสิคัลเลเยอร์: Demodulation Eb/N0, อัตราข้อผิดพลาดบิตแบบเรียลไทม์-, สถานะการซิงโครไนซ์พาหะ/บิต, ดอปเปลอร์ชิฟต์

2) Data Link Layer: จำนวนการล็อคการซิงโครไนซ์เฟรม-อัพ ผลลัพธ์การตรวจสอบแพ็กเก็ต และสถิติความสมบูรณ์ของแพ็กเก็ต APID

3) ชั้นธุรกิจ: อัตราเฟรมของการบีบอัด, เวลาแฝงเอาต์พุต QuickView และโหลดปริมาณงานของอินเทอร์เฟซ

บันทึกการแจ้งเตือนและตัวชี้วัดการปฏิบัติงานทั้งหมดจะแสดงแบบเรียลไทม์ภายในเครื่อง และจัดเก็บและจัดเก็บโดยอัตโนมัติ ระบบสนับสนุนทั้งคอนโซลภายในเครื่องและการเข้าถึงเว็บระยะไกล-สำหรับการดำเนินงานและการบำรุงรักษา อุปกรณ์นี้ใช้บอร์ดที่ทนทานเกรดทหาร-และแหล่งจ่ายไฟที่มีอุณหภูมิ-กว้าง โดยมี Mean Time Between Failures (MTBF) มากกว่าหรือเท่ากับ 25,000 ชั่วโมง ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดในระยะยาว-การทำงานต่อเนื่องทุกวันตลอด 24 ชั่วโมงที่สถานีภาคพื้นดิน

8. การดำเนินโครงการและการประยุกต์ในอุตสาหกรรม

ชุดอุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลการสำรวจระยะไกลนี้ได้รับการติดตั้งในปริมาณมากบนดาวเทียมสำรวจระยะไกลพลเรือนภายในประเทศหลายดวงที่อยู่ในวงโคจรในปัจจุบัน ครอบคลุมน้ำหนักบรรทุกทุกประเภท-รวมถึงแสงที่มองเห็นได้ หลายสเปกตรัม ไฮเปอร์สเปกตรัม และอินฟราเรด-และผลิตผลิตภัณฑ์ภาพมาตรฐานที่มีความละเอียดสูงน้อยกว่า-เมตร{3}}อย่างต่อเนื่อง มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านพลเรือน เช่น การสำรวจทรัพยากรการเกษตรและป่าไม้ การอนุรักษ์น้ำและการควบคุมน้ำท่วม การทำแผนที่ทรัพยากรธรรมชาติ และการวางแผนเมืองอัจฉริยะ ในเวลาเดียวกัน ก็ประสบความสำเร็จในการทดสอบการเชื่อมต่อดาวเทียมระหว่างประเทศ-ถึง-กราวด์ลิงก์หลายรอบ และเข้ากันได้กับภารกิจการสำรวจระยะไกลมาตรฐาน CCSDS- จากหลายประเทศ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพการประมวลผลที่เสถียรและเชื่อถือได้แม้ภายใต้ดอปเปลอร์ที่ซับซ้อนและสภาวะอัตราส่วนสัญญาณ-ต่อ-สัญญาณรบกวนต่ำ

9. คำอธิบายของโซลูชันที่ปรับแต่งเอง

หากสถานีภาคพื้นดินจำเป็นต้องติดตั้ง-ระบบรับสัญญาณดาวเทียมใหม่ จะต้องดำเนินการนี้อุปกรณ์ประมวลผลข้อมูลการสำรวจระยะไกลให้การปรับแต่งในเชิงลึก-ที่ครอบคลุม: ความถี่กลาง (IF) ความถี่กลาง, รูปแบบการมอดูเลต/การเข้ารหัส, พารามิเตอร์เฟรม CCSDS, ประเภทอินเทอร์เฟซความเร็วสูง- จำนวนช่องสัญญาณ และความจุในการจัดเก็บข้อมูลสามารถกำหนดค่าได้ตามต้องการ ให้บริการโซลูชันลูกโซ่เต็มรูปแบบ-ตั้งแต่การรับ RF การประมวลผลเบสแบนด์แบบเรียลไทม์- และการแสดงผลสดไปจนถึงพื้นที่จัดเก็บและการแจกจ่ายแบ็คเอนด์-

หากต้องการขอรับแผนการกำหนดค่าที่กำหนดเองสำหรับโครงการของคุณหรือเอกสารรายละเอียดข้อกำหนดทางเทคนิค โปรดติดต่อทีมเทคนิคของเรา:info@satgroundapplication.com