تقوم أقمار الاستشعار عن بعد بتصوير الأرض من مدارات على ارتفاع مئات الكيلومترات فوق سطح الأرض. لا يمكن استخدام بيانات الحمولة الأولية مباشرة؛ بدلاً من ذلك، يلزم وجود مجموعة كاملة من معدات المحطة الأرضية لأداء استقبال الترددات الراديوية، والرقمنة، ومزامنة الإشارة، وإزالة التشكيل وفك التشفير، وتحليل البروتوكول، وإعادة بناء الصورة، مما يؤدي في النهاية إلى إنتاج منتجات صور موحدة وقابلة للاستخدام. ومن بين هذه الأجهزة، جهاز .VPX-المعماري عالي-جهاز معالجة بيانات النطاق الأساسي - ذو السرعة العالية، أي،معدات معالجة بيانات الاستشعار عن بعديعمل - بمثابة المحور الأساسي لنظام الاستقبال الأرضي: فهو يتفاعل مع سلسلة استقبال التردد اللاسلكي للهوائي في الطرف الأمامي ويخرج بيانات كاملة وصالحة إلى -أنظمة العرض السريعة، وأنظمة التخزين، ومحطات العمل- الخاصة بالصناعة في النهاية الخلفية. يوفر القسم التالي تحليلاً شاملاً لسير عمل المعالجة القياسي للجهاز وبنية الأجهزة، استنادًا إلى رابط إرسال إشارة القمر الصناعي الفعلي-إلى-الأرض.
1. سلسلة إدخال الترددات اللاسلكية النهائية وسلسلة المعالجة الرقمية المسبقة - الأمامية
عندما يمر قمر صناعي في سماء المنطقة، يلتقط الهوائي المكافئ الموجة الحاملة للتردد الراديوي للقمر الصناعي. بعد تضخيمها بواسطة مضخم-منخفض الضوضاء (LNA) وتصفيتها، يتم إرسال الإشارة إلى محول خافض خارجي، والذي يقوم بتحويل إشارة التردد اللاسلكي-عالية التردد إلى تردد متوسط قياسي. يدعم الجهاز نوعين من مواصفات الإدخال:
1) مدخلات IF القياسية: IFs المشتركة 70 ميجا هرتز و140 ميجا هرتز؛ يمكن تكوين الجهاز باستخدام IF مخصص بتردد 720 ميجاهرتز كحل مخصص؛
2) الإدخال المباشر لنطاق الترددات اللاسلكية L-: يدعم الإدخال المباشر لإشارات النطاق L- في نطاق 950–1500 ميجاهرتز؛ تعمل وحدة التحويل الثانوية الثانوية المضمنة - على تحويل الإشارة إلى التردد المتوسط القياسي للجهاز.
بعد إدخال إشارة التردد - المتوسطة في معدات النطاق الأساسي، تخضع أولاً للتحكم التلقائي في الكسب (AGC) وتصفية التردد -المتوسط، ثم يتم أخذ عينات منها بواسطة -محول تناظري عالي السرعة -إلى-رقمي (ADC)، وتحويل إشارة التردد التناظرية المتوسطة- إلى تدفق عينة نطاق أساسي رقمي معقد. يتم تنفيذ جميع عمليات المزامنة وإزالة التشكيل وفك التشفير بناءً على إشارة العينة الرقمية.
نظرًا للسرعة العالية-لحركة القمر الصناعي في المدار، تحمل إشارة الوصلة الهابطة نطاقًا واسعًا من إزاحات دوبلر. يشتمل الجهاز على حلقة تتبع حاملة داخل FPGA، والتي تضبط تردد وطور المذبذب المحلي الذي يتم التحكم فيه رقميًا (NCO) في الوقت الفعلي للتعويض المستمر عن إزاحات دوبلر والحفاظ على قفل إشارة ثابت. تتبع عملية المزامنة التسلسل الهندسي القياسي: مزامنة البتات أولاً، يليها تتبع دقيق للموجة الحاملة. تستخرج وحدة تزامن البتات ساعة توقيت دقيقة للرمز من تدفق البيانات التي تم أخذ عينات منها، مما يوفر مرجعًا زمنيًا موحدًا لحلقة الموجة الحاملة وقرار الرمز، وبالتالي منع إزاحة أخذ عينات الرمز وفقدان القفل الناتج عن إزاحة دوبلر.
2. إزالة التشكيل متعدد التنسيقات وفك تشفير تصحيح أخطاء القنوات
بعد اكتمال المزامنة والقفل، يدخل دفق الرمز الرقمي إلى محرك إزالة تشكيل أجهزة FPGA. يتضمن الجهاز نواة IP لإزالة التشكيل المتوافقة مع أنظمة الأقمار الصناعية للاستشعار عن بعد السائدة، ودعم أنظمة التعديل مثل BPSK، وQPSK، وSQPSK، و16QAM، وGMSK. ويمكن تكييفه مع نماذج الأقمار الصناعية المختلفة ببساطة عن طريق تبديل معلمات البرنامج، دون الحاجة إلى استبدال لوحات الأجهزة.
تقدم عملية الإرسال الفضائي ضوضاء وتلاشيًا، مما يسبب أخطاء في البتات. يطبق جهاز الإرسال الموجود على اللوحة-رموز تصحيح الأخطاء-القناة المتعددة المستويات-، كما أن معدات النطاق الأساسي مجهزة بوحدات فك التشفير المقابلة: فهي تدعم رموز RS، وفك تشفير Viterbi التلافيفي، وفك تشفير القرار الناعم LDPC-. يعمل التسريع المتوازي للأجهزة على تمكين -الإنتاجية العالية، وتصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي-، وزيادة استرداد أخطاء الإرسال إلى الحد الأقصى وإخراج دفق بيانات بت خالي من الأخطاء- نظيف.
3. إزالة التداخل القياسي لـ CCSDS، ومزامنة الإطارات، وتحليل الحزم
تتوافق جميع أقمار الاستشعار عن بعد المدنية والتجارية بشكل موحد مع معيار نظام بيانات الفضاء CCSDS، وتقوم المعدات بتنفيذ المعالجة الكاملة لـ CCSDS من النهاية -إلى-النهاية: يتم خلط بيانات الوصلة الهابطة عبر القمر الصناعي باستخدام تسلسل عشوائي زائف لمنع تسرب الموجة الحاملة؛ بعد فك التشفير، يتم أولاً تنفيذ عملية فك التشفير - لاستعادة تدفق البتات العشوائي الأصلي.
بعد إزالة التشفير، تبحث الوحدة عن رأس مزامنة الإطار القابل للتكوين وتقفله لتحديد موقع بداية كل إطار من البيانات؛ ثم يقوم بعد ذلك بتحليل حقول رأس الإطار لاستخراج VCID (معرف القناة الافتراضية) وAPID (معرف عملية التطبيق)، وبالتالي التمييز بين أنواع متعددة من تدفقات البيانات: حزم بيانات صور الحمولة النافعة متعددة الأطياف الضوئية/الأشعة تحت الحمراء، وحزم البيانات المساعدة للقياس عن بعد عبر القمر الصناعي، والبيانات المساعدة على{0}}موقف اللوحة والمدار المساعدة.
يقوم النظام بتصنيف وتوجيه بيانات التحميل والمعلومات المساعدة بناءً على APID؛ يتم تخزين البيانات المساعدة مؤقتًا وأرشفتها بشكل منفصل، بينما يتم إرسال حزم بيانات الصور المضغوطة إلى وحدة إلغاء ضغط الصور للمعالجة المستقلة.
4. تخفيف الضغط في الوقت الحقيقي- وإعادة إنشاء الصور المضغوطة على اللوحة
للحفاظ على عرض النطاق الترددي للوصلة الهابطة، يتم تجهيز أقمار الاستشعار عن بعد البصرية والطيفية الفائقة والأشعة تحت الحمراء عمومًا بوحدات ضغط الوقت الحقيقي-الموجودة على متنها- والتي تتوافق مع ثلاثة معايير ضغط رئيسية:
1) معيار الاختبار غير المدمر للمساحة: CCSDS 123 (خاصًا للتصوير ثلاثي الأبعاد متعدد الأطياف/فوق الأطياف)؛
2) الغرض العام-بدون فقدان: JPEGLS؛
3) الضغط عالي الدقة مع فقدان -: JPEG 2000.
يتميز جهاز النطاق الأساسي بوحدة معالجة مركزية متعددة-مقترنة بوحدة مخصصة لتسريع إلغاء الضغط. فهو يحدد بشكل تكيفي الخوارزمية المناسبة استنادًا إلى علامات الضغط في رؤوس الحزمة ويضبط معلمات إلغاء الضغط ديناميكيًا لتحقيق التوازن بين زمن الوصول للمعالجة ودقة الصورة، واستعادة الصور الأصلية بدقة أقل من -متر- بشكل كامل لتلبية متطلبات التطبيقات عالية الدقة- مثل مسح الأراضي الوطنية ومراقبة الزراعة والغابات.
5. بنية حوسبة الوقت الحقيقية غير المتجانسة VPX (FPGA + وحدة المعالجة المركزية-المتعددة النواة)
تستخدم معدات معالجة بيانات الاستشعار عن بعد هيكلًا متينًا قياسيًا VPX وتستخدم بنية متوازية غير متجانسة تجمع بين تسريع أجهزة FPGA وحوسبة الأغراض العامة-لوحدة المعالجة المركزية (CPU) متعددة الأغراض. على عكس الحلول المتعددة-المعتمدة على البرامج فقط، فهي تدعم الحد الأقصى من الإنتاجية في الوقت الفعلي-بقدر 800 ميجابت في الثانية لكل قناة:
1) الطبقة المنطقية FPGA: تتعامل مع -مهام الطبقة المادية في الوقت الحقيقي- العالية- لتتبع الموجة الحاملة، ومزامنة البت، وإزالة التشكيل، وفك تشفير LDPC/Viterbi، ومزامنة الإطارات، وCCSDS de-التخليط وإزالة-التأطير-باستخدام خط أنابيب متوازي يبلغ مليون-مستوى لمعالجة تدفقات البيانات عالية السرعة- بصفر الكمون؛
2) طبقة برمجية في الوقت الفعلي- لوحدات المعالجة المركزية-الأساسية المتعددة: مسؤولة عن إلغاء ضغط الصور وإنشاء العرض السريع- وجدولة المهام ومراقبة الحالة وتوجيه البيانات وتوزيعها والعمليات عن بعد وتفاعل الصيانة؛
3) تحليل خط التجميع المعياري: يتم تقسيم مزامنة الناقل وإزالة التشكيل وفك التشفير وتحليل البروتوكول وإلغاء الضغط والمعاينة السريعة وتوزيع البيانات إلى وحدات مهام مستقلة ويتم جدولتها بالتوازي عبر مراكز وحدة المعالجة المركزية وقنوات FPGA.
يدعم النظام إعادة تكوين طوبولوجيا المهام المحددة للبرامج: عند التبديل بين الأقمار الصناعية بمعلمات مختلفة، يمكن لموظفي العمليات والصيانة استخدام برنامج الواجهة الخلفية لإعادة تكوين تدفقات بيانات الوحدة، ومعدلات التعليمات البرمجية، ومعلمات التعديل والتشفير، وكلمات مزامنة الإطار؛ في الغالبية العظمى من السيناريوهات، لا يلزم إجراء أي تعديلات على الأجهزة. فقط في السيناريوهات التي تتضمن نطاق ترددي للتردد اللاسلكي أو متطلبات نطاق تردد محدد، يكون من الضروري استبدال وحدة مرشح الترددات اللاسلكية الأمامية -الطرفية.
6. تبادل البيانات بسرعة عالية وحلول التخزين القابلة للتوسع
تم تجهيز الجهاز بأنواع متعددة من واجهات الخدمة-عالية السرعة لدعم تبادل البيانات من النهاية-إلى-النهاية بين الواجهة الأمامية والخلفية:
مدخلات الواجهة الأمامية-: 10-منافذ بصرية جيجابت وواجهات تفاضلية LVDS عالية السرعة-، والتي تستقبل تدفقات البيانات الرقمية ذات التردد اللاسلكي من الواجهة الأمامية؛
مخرج الواجهة الخلفية: Gigabit Ethernet، 10-Gigabit Ethernet، يستخدم لتوزيع الفيديو المضغوط وبيانات QuickView؛
Cluster Interconnect: ناقل IB -عالي السرعة، يُستخدم بشكل أساسي لربط مجموعات-الأجهزة المتعددة ومجموعات التخزين الخلفية ذات السعة العالية-؛ غير مستخدم للوصول إلى إشارة التردد اللاسلكي الأمامية-.
يتراوح معدل المعالجة القياسي للقناة الواحدة من 10 ميجابت في الثانية إلى 800 ميجابت في الثانية؛ عند التشغيل في الوضع المتوازي للقناة المزدوجة-، يتضاعف معدل النقل. يتم توسيع التخزين عبر مصفوفة أقراص خارجية، مع زيادة سعة التخزين بشكل خطي مع عدد محركات الأقراص الثابتة في المصفوفة وعرض النطاق الترددي للوحة الكترونية معززة. ومع ذلك، نظرًا للقيود التي تفرضها فتحات الأجهزة وعرض النطاق الترددي للإدخال/الإخراج، لا يمكن توسيع السعة إلى أجل غير مسمى؛ وهي كافية لتلبية متطلبات تخزين كميات هائلة من بيانات الاستشعار عن بعد بشكل يومي.
7.-الربط الحقيقي-مراقبة جودة الوقت الكاملة والدعم التشغيلي عالي الموثوقية-
ينشر النظام عقدًا هرمية لمراقبة الحالة عبر سلسلة معالجة الإشارة بأكملها لتسجيل المقاييس التشغيلية بشكل مستمر:
1) الطبقة المادية: إزالة التشكيل Eb/N0، معدل خطأ بتات الوقت الحقيقي، حالة تزامن الناقل/البت، إزاحة دوبلر؛
2) طبقة رابط البيانات: عدد عمليات قفل مزامنة الإطار-، ونتائج المجموع الاختباري للحزمة، وإحصائيات تكامل حزمة APID؛
3) طبقة الأعمال: معدل إطارات إلغاء الضغط، وزمن استجابة إخراج QuickView، وتحميل إنتاجية الواجهة.
يتم عرض جميع سجلات الإنذارات والمقاييس التشغيلية محليًا في الوقت الفعلي ويتم أرشفتها وتخزينها تلقائيًا. ويدعم النظام كلاً من وحدة التحكم المحلية والوصول المستند إلى الويب -عن بعد للعمليات والصيانة. يستخدم الجهاز لوحات متينة من الدرجة العسكرية- ومصدر طاقة واسع النطاق بدرجة حرارة -، مع متوسط وقت بين حالات الفشل (MTBF) أكبر من أو يساوي 25000 ساعة، مما يلبي متطلبات التشغيل المستمر-على المدى الطويل على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع في المحطات الأرضية.
8. تنفيذ المشاريع وتطبيقات الصناعة
تم نشر هذه السلسلة من معدات معالجة بيانات الاستشعار عن بعد بكميات كبيرة على العديد من الأقمار الصناعية المدنية المحلية للاستشعار عن بعد الموجودة حاليًا في المدار، وتغطي جميع أنواع الحمولات-بما في ذلك الضوء المرئي، والأطياف المتعددة، والأطياف الفائقة، والأشعة تحت الحمراء-وتنتج باستمرار منتجات صور قياسية ذات دقة أقل من-متر-. وقد تم تطبيقه على نطاق واسع في المجالات المدنية مثل مسوحات الموارد الزراعية والغابات، والحفاظ على المياه ومراقبة الفيضانات، ورسم خرائط الموارد الطبيعية، وتخطيط المدن الذكية؛ وفي الوقت نفسه، أكملت بنجاح جولات متعددة من اختبار الوصلة الأرضية عبر الأقمار الصناعية التعاونية الدولية-إلى-متوافقة مع CCSDS-مهام الاستشعار عن بعد القياسية من بلدان متعددة، مما يدل على أداء معالجة مستقر وموثوق حتى في ظل ظروف دوبلر المعقدة ونسبة الإشارة المنخفضة-إلى-الضوضاء.
9. وصف الحلول المخصصة
إذا احتاجت محطة أرضية إلى إعداد نظام جديد-لاستقبال الأقمار الصناعية، فهذامعدات معالجة بيانات الاستشعار عن بعديقدم تخصيصًا شاملاً-متعمقًا: يمكن تهيئة التردد المركزي للتردد المتوسط (IF)، وأنظمة التشكيل/الترميز، ومعلمات إطار CCSDS، وأنواع الواجهة عالية السرعة-، وعدد القنوات، وسعة التخزين حسب الحاجة. فهو يوفر -حلاً متسلسلًا كاملاً بدءًا من استقبال التردد اللاسلكي، -ومعالجة النطاق الأساسي في الوقت الفعلي، والعرض المباشر إلى التخزين والتوزيع-الخلفي.
للحصول على خطة تكوين مخصصة لمشروعك أو مستند تقني يوضح المواصفات الفنية بالتفصيل، يرجى الاتصال بفريقنا الفني:info@satgroundapplication.com
