一种基于AOS的星载数据处理系统.pdf

本发明提供一种基于AOS的星载数据处理系统，该系统可实现对星载数据的动态处理，使其可适应星上数据源的动态变化。该系统包括1553B总线接口、1394A总线接口、数据源低压差分信号（Low-Voltage？Differential？Signaling，LVDS）接口、固存LVDS接口、CPU控制模块、FPGA、时钟单元及高速串行模块；所述FPGA包括四个数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、里德-索洛门（Reed-Solomon，RS）信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块。本发明在虚拟信道动态调度模块上事先存储有各类数据的优先级和紧迫度，根据优先级和紧迫度对接收的数据进行动态调度，使得本发明数据处理系统能适应星上数据源动态变化的需要。

权利要求书一种基于AOS的星载数据处理系统，其特征在于，包括1553B总线接口、1394A总线接口、数据源LVDS接口、固存LVDS接口、CPU控制模块、FPGA、时钟单元及高速串行模块；所述FPGA包括四个数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、RS信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块；
上述各器件之间的连接关系为：1553B总线接口和1394A总线接口分别与CPU控制模块相连；CPU控制模块、1394A总线接口、数据源LVDS接口以及固存LVDS接口分别一对一连接FPGA内四个数据缓存器中的一个；FPGA内数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、RS信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块顺次连接，且帧同步模块进一步与高速串行模块相连；所述时钟单元分别与CPU控制模块和FPGA相连；其中，
时钟单元为CPU控制模块和FPGA上的各功能模块提供工作时钟；
CPU控制模块用于控制1553B总线接口和1394A总线接口的初始化、工作模式的切换及参数采集；
1553B总线接口在CPU控制模块的控制下，接收由1553B总线传输过来的第一类数据，并通过CPU控制模块传输给FPGA上的第一数据缓存器；
1394A总线接口在CPU控制模块的控制下，接收由1394A总线传输过来的第二类数据，并传输给FPGA上的第二数据缓存器；
数据源LVDS接口接收外部传输过来的第三类数据，并传输给FPGA上的第三数据缓存器；
固存LVDS接口接收外部传输过来的第四类数据，并传输给FPGA上的第四数据缓存器；
数据缓存器将接收的数据传输给组帧及格式化模块；
组帧及格式化模块对4路数据缓存器传输过来的数据进行组帧，并将组好的帧数据传输给虚拟信道动态调度模块；
虚拟信道动态调度模块上事先存储有各类数据的优先级和紧迫度，其判断组帧及格式化模块传输过来数据的类型，根据各类型数据对应的紧迫度和优先级的高低对接收的数据进行调度排序，生成一路数据流传输给RS信道编码模块；其中，在生成的数据流上，紧迫度高的数据位于数据流的前端，紧迫度低的数据位于数据流后端，当紧迫度相同时，则优先级高的数据位于数据流的前端，优先级低的数据位于数据流后端；
RS信道编码模块用于对接收的数据流进行信道编码，将编码后的数据流传输给伪随机化模块；
伪随机化模块对接收的数据流进行伪随机化操作，同时将伪随机化后的数据流传输给帧同步模块；
帧同步模块把伪随机化后的数据流加上同步头后形成等间隔连续的数据流输出给高速串行模块；
高速串行模块用于实现并行输入数据的串行输出。
根据权利要求1所述基于AOS的星载数据处理系统，其特征在于，所述虚拟信道动态调度模块内包括多个缓存区、多个虚拟信道、判断模块、数据调度子模块及数据流生成模块；其中缓存区与虚拟信道一对一连接，判断模块与多个缓存区及数据调度子模块分别相连，数据调度子模块与数据流生成模块相连；
多个虚拟信道中的每一个所接收外部输入数据的类型为事先设定；
多个缓存区中的每一个对应一个虚拟信道，初始时将每一缓存区的传送紧迫度设置为0；同时根据虚拟信道接收数据的重要性和实时性要求，为其对应的缓存区定义一个优先级，且各缓存区所定义的优先级各不相同；
判断模块对各缓存区进行判断，当判定至少存在一个缓存区存有数据需要参与调度，则进一步判断各缓存区对应的紧迫度，若存在唯一一个最高紧迫度时，则将该最高紧迫度对应的缓存区定义为优先缓存区，若存在的最高紧迫度为多个时，则将该多个最高紧迫度对应的缓存区定义为优先缓存区；然后对数据调度子模块提出调度申请；
当只存在一个最高紧迫度的优先缓存区时，数据调度子模块调度优先缓存区中的数据，当调度完毕后将该优先缓存区对应的紧迫度设置为0；当存在多个最高紧迫度的优先缓存区时，则数据调度子模块判断多个优先缓存区所对应的优先级，数据调度子模块调度优先级最高的优先缓存区中存储的数据，当调度完毕后将该被调度数据的缓存区对应的紧迫度设置为0；同时数据调度子模块对提出调度申请，但是得不到调度，且得不到调度的时间达到数据调度模块调度1帧数据的时间时，则将该缓存区对应的紧迫度加1；数据调度子模块将调度出的数据存储到数据流生成模块上；
数据流生成模块按照调度的先后将调度出的数据进行排序，生成一路数据流传输给RS信道编码模块。

说明书一种基于AOS的星载数据处理系统 
技术领域
本发明涉及一种数据处理系统，具体涉及一种基于高级在轨系统（AOS）的星载数据处理系统，属于星载数据处理技术领域。 
背景技术
为了适应空间技术的发展，空间数据系统国际咨询委员会(CCSDS)针对复杂航天任务的数据传输需求，提出了一种具有高灵活性的数据处理系统—高级在轨系统(AOS)。AOS把有效载荷数据与航天器平台数据合成统一的数据流，服务于天‑天或天‑地测控通信以及数据管理系统。AOS可同时处理不同需求的许多用户的访问。系统可以将话音、电视图像、静止图像、实验数据、遥测、遥控等各种不同信息，通过虚拟信道的方式建立统一数据流在空间物理信道上进行数据传输。高级在轨系统数据链路建议中包含了灵活的复接机制、全面的纠检错措施，从而保证了信道的高效率、高质量以及系统的高可靠性。 
目前，我国航天器中高速数据的传输需要单独占用一个射频信道，而AOS按虚拟信道调度策略将所有数据合路在一个数据流中，采用一个射频信道，简化了设备设计。当前，虚拟信道调度策略采用静态周期轮转的策略，各虚拟信道的传输帧输出具有等时性，不能适应星上数据源的动态变化。基于此，设计一种基于AOS的星载数据处理系统并采用虚拟信道动态调度方法，具有重要的意义。 
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于AOS的星载数据处理系统，该系统可实 现对星载数据的动态处理，使其可适应星上数据源的动态变化。 
本发明的目的是通过以下技术方案实现的： 
一种基于AOS的星载数据处理系统，包括1553B总线接口、1394A总线接口、数据源低压差分信号（Low‑Voltage Differential Signaling，LVDS）接口、固存LVDS接口、CPU控制模块、FPGA、时钟单元及高速串行模块；所述FPGA包括四个数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、里德‑索洛门（Reed‑Solomon，RS）信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块； 
上述各器件之间的连接关系为：1553B总线接口和1394A总线接口分别与CPU控制模块相连；CPU控制模块、1394A总线接口、数据源LVDS接口以及固存LVDS接口分别一对一连接FPGA内四个数据缓存器中的一个；FPGA内数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、RS信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块顺次连接，且帧同步模块进一步与高速串行模块相连；所述时钟单元分别与CPU控制模块和FPGA相连；其中， 
时钟单元为CPU控制模块和FPGA上的各功能模块提供工作时钟； 
CPU控制模块用于控制1553B总线接口和1394A总线接口的初始化、工作模式的切换及参数采集； 
1553B总线接口在CPU控制模块的控制下，接收由1553B总线传输过来的第一类数据，并通过CPU控制模块传输给FPGA上的第一数据缓存器； 
1394A总线接口在CPU控制模块的控制下，接收由1394A总线传输过来的第二类数据，并传输给FPGA上的第二数据缓存器； 
数据源LVDS接口接收外部传输过来的第三类数据，并传输给FPGA上的第三数据缓存器； 
固存LVDS接口接收外部传输过来的第四类数据，并传输给FPGA上的第 四数据缓存器； 
数据缓存器将接收的数据传输给组帧及格式化模块； 
组帧及格式化模块对4路数据缓存器传输过来的数据进行组帧，并将组好的帧数据传输给虚拟信道动态调度模块； 
虚拟信道动态调度模块上事先存储有各类数据的优先级和紧迫度，其判断组帧及格式化模块传输过来数据的类型，根据各类型数据对应的紧迫度和优先级的高低对接收的数据进行调度排序，生成一路数据流传输给RS信道编码模块；其中，在生成的数据流上，紧迫度高的数据位于数据流的前端，紧迫度低的数据位于数据流后端，当紧迫度相同时，则优先级高的数据位于数据流的前端，优先级低的数据位于数据流后端； 
RS信道编码模块用于对接收的数据流进行信道编码，将编码后的数据流传输给伪随机化模块； 
伪随机化模块对接收的数据流进行伪随机化操作，同时将伪随机化后的数据流传输给帧同步模块； 
帧同步模块把伪随机化后的数据流加上同步头后形成等间隔连续的数据流，输出给高速串行模块； 
高速串行模块用于实现并行输入数据的串行输出。 
进一步地，本发明所述所述虚拟信道动态调度模块内包括多个缓存区、多个虚拟信道、判断模块、数据调度子模块及数据流生成模块；其中缓存区与虚拟信道一对一连接，判断模块与多个缓存区及数据调度子模块分别相连，数据调度子模块与数据流生成模块相连； 
多个虚拟信道中的每一个所接收外部输入数据的类型为事先设定； 
多个缓存区中的每一个对应一个虚拟信道，初始时将每一缓存区的传送紧 迫度设置为0；同时根据虚拟信道接收数据的重要性和实时性要求，为其对应的缓存区定义一个优先级，且各缓存区所定义的优先级各不相同； 
判断模块对各缓存区进行判断，当判定至少存在一个缓存区存有数据需要参与调度，则进一步判断各缓存区对应的紧迫度，若存在唯一一个最高紧迫度时，则将该最高紧迫度对应的缓存区定义为优先缓存区，若存在的最高紧迫度为多个时，则将该多个最高紧迫度对应的缓存区定义为优先缓存区；然后对数据调度子模块提出调度申请； 
当只存在一个最高紧迫度的优先缓存区时，数据调度子模块调度优先缓存区中的数据，当调度完毕后将该优先缓存区对应的紧迫度设置为0；当存在多个最高紧迫度的优先缓存区时，则数据调度子模块判断多个优先缓存区所对应的优先级，数据调度子模块调度优先级最高的优先缓存区中存储的数据，当调度完毕后将该被调度数据的缓存区对应的紧迫度设置为0；同时数据调度子模块对提出调度申请，但是得不到调度，且得不到调度的时间达到数据调度模块调度1帧数据的时间时，则将该缓存区对应的紧迫度加1；数据调度子模块将调度出的数据存储到数据流生成模块上； 
数据流生成模块按照调度的先后将调度出的数据进行排序，生成一路数据流传输给RS信道编码模块。 
有益效果 
本发明在虚拟信道动态调度模块上事先存储有各类数据的优先级和紧迫度，根据优先级和紧迫度对接收的数据进行动态调度，使得本发明数据处理系统能适应星上数据源动态变化的需要。 
附图说明
图1为基于AOS的星载数据处理系统的示意图。 
图2为虚拟信道动态调度模块上的工作过程的流程图。 
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。 
如图1所示，本发明基于AOS的星载数据处理系统，该处理系统包括1553B总线接口、1394A总线接口、数据源LVDS接口、固存LVDS接口、CPU控制模块、FPGA、时钟单元及高速串行模块；所述FPGA包括四个数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、RS信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块。固存LVDS接口为一固态存储器，其对外输出接口是LVDS接口。 
上述各器件之间的连接关系为：1553B总线接口和1394A总线接口分别与CPU控制模块相连；CPU控制模块、1394A总线接口、数据源LVDS接口以及固存LVDS接口分别连接FPGA内四个数据缓存器中的一个；FPGA内数据缓存器、组帧及格式化模块、虚拟信道动态调度模块、RS信道编码模块、伪随机化模块以及帧同步模块顺次连接，且帧同步模块进一步与高速串行模块相连；所述时钟单元分别与CPU控制模块和FPGA相连。其中该系统还需要供电电路为其提供电源，同时FPGA中的各模块采用VHDL语言编程实现，通过在FPGA外围设置配置电路，该配置电路可以用于存储用于实现FPGA上各功能模块的代码。 
时钟单元为CPU控制模块和FPGA上的各功能模块提供工作时钟。 
CPU控制模块主要功能是用于接收CTU的数据，实现对1553B总线接口和1394A总线接口的初始化，并确定其工作模式，例如配置其位数8位还是16位，同时进一步控制两接口的工作状态，如参数的采集。 
1553B总线接口在CPU控制模块的控制下，接收由1553B总线传输过来的第一类数据，如由CTU提供的工程遥测数据，并通过CPU控制模块传输给FPGA 上的第一数据缓存器。 
1394A总线接口在CPU控制模块的控制下，接收由1394A总线传输过来的第二类数据，第二类数据是由终端数据源设备通过1394A接口发送的工程数据，并传输给FPGA上的第二数据缓存器。 
数据源LVDS接口接收外部传输过来的第三类数据，第三类数据是由终端数据源设备通过LVDS接口提供的科学数据，并传输给FPGA上的第三数据缓存器。 
固存LVDS接口接收外部传输过来的第四类数据，第四类数据是存储在固态存储器的待回放数据，并传输给FPGA上的第四数据缓存器。 
由于本发明是对星载数据的传输，因此每一接口所接收的数据可以是工程遥测数据、GPS定位数据、终端数据源高速模拟数据等。 
数据缓存器在时钟单元的控制下，按照时钟单元所提供时钟的频率将接收的数据传输给组帧及格式化模块；4个数据缓存器可以采用FPGA内部的RAM实现。 
组帧及格式化模块对4路数据缓存器传输过来的数据分别按照AOS协议进行虚拟信道数据单元(VCDU)格式组帧，并将组好的帧数据传输给虚拟信道动态调度模块。该组帧技术为现有技术，以下仅列举一个实例对其进行简单说明。 
例如当第一数据缓冲器传输过来的数据格式为位流业务数据单元(B_PDU)格式时（该格式为现有通用的格式），B_PDU格式的长度正好等于VCDU传输帧数据域的长度。B_PDU的数据格式如表1所示。 
表1  B_PDU的数据格式 

a.备用（2比特）：这2比特域目前尚未由CCSDS定义，按照惯例，设置为保留值“00”。 
b.位流数据指针（14比特）：区分有效数据和填充数据的手段，它指出B_PDU比特流数据域最后一个有效比特的位置，后面的数据就是填充数据了。如果数据域中没有填充数据，该指针设为全1；如果数据域中全是填充数据，该14比特长度的指针设为“全1减1”，即前13位为1，最后1位为0。 
c.B_PDU位流数据区：含有固定长度的用户位流数据块（在由位流数据指针定界的位置处，可能以填充数据中止）或者固定长度的、项目指定的填充格式。 
此时组帧及格式化模块按照VCDU数据格式（该格式也是现有通用的格式），对该数据进行组帧。将整个B_PDU放入VCDU的数据区。VCDU的数据格式如表2所示。 
表2  VCDU的数据格式 

1）数据格式长度：892字节； 
2）版本号(2bits)：“01”，表示CCSDS虚拟信道数据单元； 
3）航天器标识SCID(8bits)：“01011001”； 
4）虚拟信道标示符VCID(6bits)：“000010”； 
5）虚拟信道数据单元计数器(24bits)：“0～224‑1”，循环计数； 
6）信令域(回放标志1bits)：“0”表示实时VCDU，“1”表示回放VCDU； 
7）VCDU数据单元区：有效用户数据。 
以下对VCDU各部分解释： 
(1)VCDU头部数据 
版本号“00”遥感传输帧结构，如果是“01”，代表CCSDS的VCDU。 
VCDU ID标志符(比特2至比特15):这十四个比特是标志出VCDU所属的空间飞行器，以及指出虚拟信道号，前八位即比特2至比特9是飞行器标识符（SCID），代表接收或者发送数据的不同实体。当互相联系的空间飞行器数目比较多时，每个飞行器都要分得一个标志号，这样当不同飞行器的VCDU在一个物理信道传输时，才不至于混淆。当进行空间对地面传输时，表示空间飞行器的标志，即发送端标志，当地面对空间传输时，表示接收端标志，当空间和空间之间传输时表示发送飞行器的标志。后六位比特(比特10至比特15)表示虚拟信道标识符(VCID)，因此每一个空间飞行器最多可以附带64个虚拟信道。 
VCDU计数：(比特16至比特39):统计每个特定虚拟信道中的VCDU的数目。这24比特的数据区以模16,777,216来计数的。 
标志域：(比特40至比特47):包括一个比特的重传标志位和空闲的七个比特位。 
(2)VCDU数据区 
装入上层用户需要传输的数据。本实施例若对数据缓存器传输过来的数据（B_PDU格式）进行组帧，则该VCDU数据区用于存放数据缓存器传输过来的数据（B_PDU格式）。 
该组帧的形式为通用形式，上述只是给出一个实例对其进行简单的说明， 对于本领域的技术人员来说，按照虚拟信道数据单元(VCDU)格式对接收的数据进行组帧是一个公知的技术，因此在此不做进一步详细说明。 
虚拟信道动态调度模块上事先存储有各类数据的优先级和紧迫度，其判断组帧及格式化模块传输过来数据的类型，根据各类型数据对应的紧迫度和优先级的高低对接收的数据进行排序，生成一路数据流传输给RS信道编码模块；其中，在生成的数据流上，紧迫度高的数据位于数据流的前端，紧迫度低的数据位于数据流后端，当紧迫度相同时，则优先级高的位于数据流的前端，优先级低的位于数据流后端。 
下面对虚拟信道动态调度模块上的工作过程进行具体说明： 
步骤一、在虚拟信道动态调度模块上设置多个缓存区，其中每一缓存区对应一个虚拟信道，初始时将每一缓存区的传送紧迫度设置为K=0。 
因为紧迫度与数据在缓存器中存储的时间有关，因此在初始时刻，每一缓存器中还为存储数据，因此将其紧迫度设置为0。 
步骤二、确定每一虚拟信道接收外部输入数据的类型，根据其接收数据的重要性和实时性要求，为其对应的缓存区定义一个优先级，且各缓存区所定义的优先级各不相同。 
在本实施例中，假设共有4种数据参与调度，4种数据分别是工程遥测数据、GPS定位数据、终端数据源高速模拟数据、激光跟瞄数据。步骤一中的初始化时，将4路数据的传送紧迫度均分配为0；4路数据的优先级定义如下： 
由于工程遥测数据关系到整星的工作状态及寿命，地面用户需要及时了解，因此将其优先级设为最高为4级；GPS定位数据用于对整个卫星的位置进行定位，地面用户对该类数据的需求也较高，但其重要性要低与工程遥测数据，因此将其优先级定为3级；大容量存储器数据为卫星在境外工作时采集的数据， 卫星到达境内后，需要回放下来，其重要性比GPS定位数据要低，将其优先级定为2级；激光跟瞄数据用于反映激光跟瞄的状态，由于激光跟瞄为试验项目，因此重要性要求不高，因此将其优先级定为1级。 
步骤三、对虚拟信道动态调度模块上各缓存区进行判断，当判定至少存在一个缓存区存有数据需要参与调度，则对虚拟信道动态调度模块上的数据调度子模块提出申请。 
本步骤中的判断可以为：在虚拟信道动态调度模块上为各缓存区对应的设计一个判断子模块，当判断子模块判断出其管辖的缓存区内存储有数据时（通常数据都是以帧为单元进行存储的），则此时该判断子模块对数据调度子模块提出调度申请，希望数据调度子模块对其管辖的缓存器内存储的数据进行调度，同时该判断是按照一定的周期进行的，该周期可以为数据调度模块调度一帧数据所需的时间。 
步骤四、判断各缓存区对应的紧迫度，若存在唯一一个最高紧迫度时，则将该最高紧迫度对应的缓存区定义为优先缓存区，并进入步骤五，若存在的最高紧迫度为多个时，则将该多个最高紧迫度对应的缓存区定义为优先缓存区，并进入步骤六。 
在任何情况下，首先为传送紧迫度高的信道提供服务，如果出现最高的传送紧迫度相同时的情况，这时需要判断每个信道的优先级，传送优先级高的信道。因此本步骤中若各缓存区对应的紧迫度互不相同，则肯定存在一个最高的紧迫度，此时只需要进入步骤五对最高紧迫度对应的缓存区中存储的数据进行调度。本步骤中若存在最高紧迫度为多个时，则仅根据紧迫度无法判断出应该先调哪一缓存区中的数据，此时进入步骤六，对各缓存区的优先级进行判断，因此在步骤二中对设置各缓存区的优先级各不相同，因此可以根据优先级的高 低进行调度。 
步骤五、数据调度子模块调度优先缓存区中的数据，当调度完毕后将该优先缓存区对应的紧迫度设置为K，同时进入步骤七。 
步骤六、判断多个优先缓存区所对应的优先级，数据调度子模块调度优先级最高的优先缓存区中存储的数据，当调度完毕后将该被调度数据的缓存区对应的紧迫度设置为K；同时进入步骤七。 
步骤七、在步骤四中提出调度申请，但是得不到调度，且得不到调度的时间达到数据调度模块调度n帧数据的时间时，则将该缓存区对应的紧迫度加n；然后返回步骤三继续进行判断，直至各缓存器中的数据调度完毕为止； 
步骤八、按照调度的先后将上调度出的数据进行排序，生成一路数据流传输给RS信道编码。 
RS信道编码模块用于对接收的数据流（该数据流为2N位）进行RS(255，223)信道编码，将编码后的数据流传输给伪随机化模块。对数据流进行信道编码可以很好的提高数据的传输质量，降低数据的误码率。 
RS码是一种非二进制分组码，其信息码由223个码符号组成，监督码由32个符号组成，每一码符号是8比特的二进制码。 
RS信道编码模块用于对复接之后的VCDU数据流进行RS(255，223)信道编码，从而提高信号传输质量，降低数据传输的误码率。RS码的信息符号和监督符号之间通过生成多项式g(x)=∑Gixi在GF(28)域上建立函数关系，这种非二进制分组码不是位进行运算，而是符号进行运算，能提供的纠错能力是16个符号，它适合用于纠正突发错误，在码块同步正确的条件下可以保证极低的错误漏检率。RS码基本参数如下： 
①码组长n=28‑1＝255(符号)，每符号8比特； 
②校验位数Y=2E=32(符号)； 
③纠错能力E=16(符号)； 
④域生成多项式 
F(x)=x8+x7+x2+x+1 GF(2)； 
⑤码生成多项式