基于并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰系统及方法与流程

本发明属于遥感卫星下行数据处理领域，具体涉及基于多核并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰系统。

背景技术：

1、遥感卫星下行数据信道拆分与解扰是卫星地面测试及在轨运行阶段的重要数据处理流程之一，随着遥感卫星数据下行速率提高，信道拆分与解扰的速率要求也被不断提高以保证数据处理时效性。

2、信道拆分与解扰指从下行数据中拆分不同载荷的数据帧，并解扰还原载荷数据。遥感卫星搭载多个对地观测载荷，在轨工作期间产生大量载荷数据，来自不同载荷的数据共用数传通道同时下传，信道拆分与解扰系统实时从下行数据中提取aos数据帧，根据虚拟信道标识符拆分不同载荷的数据帧，并对有效数据区进行解扰，还原载荷数据。

3、当前信道拆分与解扰系统采用cpu+fpga板卡混合架构，cpu单核进行信道拆分处理，fpga板卡进行解扰处理，处理程序针对各个型号卫星单独设计。随着卫星数据下行速率提高，cpu单核处理能力无法满足高速拆分要求，cpu与fpga之间大量数据交换限制了解扰速率提高。此外，fpga板卡成本高、设计时间长，软件通用性差已无法满足技术经济一体化要求。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，克服卫星下行数据信道拆分与解扰过程中存在的cpu单核处理性能瓶颈、cpu与fpag数据交换速率限制、硬件成本高、软件通用性差、研发成本高的问题，提供了基于并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰系统及方法，在不搭载fpga板卡，实现通用卫星数据实时信道拆分与解扰。

2、本发明解决技术的方案是：基于并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰系统，所述通用卫星数据包含多个下行数据帧，每个下行数据帧包含多个载荷信道的aos数据帧，aos数据帧通过信道标识符区分，该系统包括交互模块、环形缓存队列、数据接收模块、并行处理模块；

3、交互模块，根据用户设定任务名称，启动或者终止下行数据接收任务，显示接收下行数据实时接收量、接收速度；

4、数据接收模块，下行数据接收任务被启动后，根据数据源ip地址、数据源端口，连接数据源，接收数据源发送的下行数据，每n帧下行数据记为一个下行数据块，基于下行数据帧长度，每接收到一个下行数据块后，检测环形缓存队列队尾的状态，当队尾为空闲状态时，将下行数据块标记序号并放入缓存队列队尾；下行数据接收任务被终止时，停止接收下行数据；

5、并行处理模块，为环形缓存队列中每个下行数据块分配线程，更新环形缓存队列中存储单元的状态，采用多个线程同时对缓存队列中的新入队的多个完整下行数据块进行信道拆分，得到不同载荷信道的载荷aos数据帧，对每个载荷信道aos数据帧进行解扰操作还原得到载荷数据，并将来自同一个载荷信道的aos数据帧有序存储。

6、优选地，上述基于并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰系统还包括推帧模块，采用单个线程对缓存队列中新入队的不足n个下行数据帧的下行数据块进行信道拆分，得到其中不同载荷信道的载荷aos数据帧，对每个载荷信道aos数据帧进行解扰操作还原得到载荷数据，并将来自同一个载荷信道的aos数据帧有序存储。

7、优选地，每个线程通过内存指针映射对数据块中的数据进行信道拆分，具体步骤为：获取每个载荷信道aos数据帧在下行数据块中的内存地址偏移及长度，根据地址偏移，通过指针读取aos数据帧对应的信道标识符，按照信道标识符对aos数据帧进行分类，最后通过指针获得每个载荷信道aos数据帧。

8、优选地，线程对每个载荷信道aos数据帧进行解扰操作还原得到载荷数据的处理过程为：使用预设的扰码表与加扰数据进行按位异或计算，获得载荷原始数据，所述扰码表为根据动态加扰多项式及初相位生成与加扰aos数据帧等长的静态扰码表。

9、优选地，上述基于并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰系统还包括配置加载模块；

10、配置加载模块，用于加载不同型号卫星的下行数据处理配置信息，下行数据处理配置信息采用*ini配置文件存储，ini配置文件由节、键、值组成；其中包括“数据源”、“信道”、“系统自身”三节，分别记录数据源信息、载荷信道信息、系统运行信息；其中“数据源”节中包含数据源ip地址、数据源端口、下行数据帧长度、数据帧数n五组键值对；“信道”节中包含载荷信道名称、载荷信道标识符两组键值对；“系统自身”节中包含缓存队列长度、数据存储路径、存储压缩使能三组键值对。

11、优选地，采用具备多核处理能力的cpu实现。

12、优选地，数据接收模块从数据源接收下行数据的过程为：

13、数据源监听指定tcp端口，数据接收模块主动建立tcp连接，数据接收模块发送请求帧、数据源发送下行数据。

14、本发明的另一个技术方案是：基于并行处理的通用卫星数据信道拆分与解扰方法，该方法包括如下步骤：

15、根据数据源ip地址、数据源端口，连接数据源，接收数据源发送的下行数据，每n帧下行数据记为一个下行数据块，基于下行数据帧长度，每接收到一个下行数据块后，检测环形缓存队列队尾是否为空闲状态，将下行数据块标记序号并放入缓存队列队尾；

16、为环形缓存队列中每个下行数据块分配线程，采用多个线程同时对缓存队列中的新入队的多个完整下行数据块进行信道拆分，得到不同载荷信道的载荷aos数据帧，并将来自同一个载荷信道的aos数据帧有序存储。

17、优选地，每个线程通过内存指针映射对数据块中的数据进行信道拆分，具体步骤为：获取每个载荷信道aos数据帧在下行数据块中的内存地址偏移及长度，根据地址偏移，通过指针读取aos数据帧对应的信道标识符，按照信道标识符对aos数据帧进行分类，最后通过指针获得每个载荷信道aos数据帧并按序进行存储。

18、优选地，每个线程对每个载荷信道aos数据帧进行解扰操还原得到载荷数据的处理过程为：使用预设的扰码表与加扰数据进行按位异或计算，获得载荷原始数据，所述扰码表为根据动态加扰多项式及初相位生成与加扰数据等长的静态扰码表。

19、本发明与现有技术相比的有益效果是：

20、(1)、本发明通过建立环形缓存队列分块接收下行数据，使用线程池及指针映射对分块数据进行多核并行拆分与数据解扰，基于缓存队列有序存储处理的数据，实现了信道数据快速拆分与解扰，并有效节约了硬件成本。

21、(2)、本发明通过将数据下行帧格式、扰码表及处理要求提取为配置文件，并在运行时根据卫星型号加载，实现了系统多型号通用，避免了重复开发，提高了系统质量，降低了研发成本。通过更改配置文件即可处理不同型号数据，无需对系统设计进行更改，目前已在多个型号卫星使用。

22、(3)、本发明由于不搭载fpga板卡，具备极佳硬件兼容性，针对离线数据，本系统可通过快速拷贝、部署，实现多台计算机并行处理，性能随计算机数量线性叠加。

23、(4)、本发明可有效利用cpu多核处理能力，处理速率随cpu核数线性增加，在低成本的不搭载fpga的4核cpu计算机环境可实现单机4gb/s数据处理速率，相比传统的cpu+fpga系统速率提升3倍，硬件成本降低为1/3。