Los satélites de teledetección obtienen imágenes de la Tierra desde órbitas a cientos de kilómetros sobre el suelo. Los datos de carga útil sin procesar no se pueden utilizar directamente; en cambio, se requiere un conjunto completo de equipos de estaciones terrestres para realizar la recepción de radiofrecuencia, digitalización, sincronización de señales, demodulación y decodificación, análisis de protocolos y reconstrucción de imágenes, para, en última instancia, producir productos de imágenes estandarizados y utilizables. Entre estos, el dispositivo de procesamiento de datos de banda base de alta velocidad-de arquitectura VPX--, es decir, el equipo de procesamiento de datos de detección remota -, sirve como centro central del sistema de recepción terrestre: interactúa con la cadena de recepción de RF de la antena en el extremo frontal y genera datos completos y válidos para sistemas de visualización rápida-, sistemas de almacenamiento y estaciones de trabajo-específicas de la industria en el extremo posterior. La siguiente sección proporciona un desglose completo del flujo de trabajo de procesamiento estandarizado y la arquitectura de hardware del dispositivo, basado en un enlace de transmisión de señal de satélite-a-tierra real.
1. Entrada de RF-frontal y cadena de preprocesamiento digital
Cuando un satélite pasa por encima, la antena parabólica captura la portadora de RF del enlace descendente del satélite. Después de ser amplificada por un amplificador de bajo-ruido (LNA) y filtrada, la señal se envía a un convertidor descendente exterior, que convierte la señal de RF de alta-frecuencia a una frecuencia intermedia estándar. El dispositivo admite dos tipos de especificaciones de entrada:
1) Entradas IF estándar: IF comunes de 70 MHz y 140 MHz; el dispositivo se puede configurar con una IF dedicada de 720 MHz como solución personalizada;
2) Entrada directa de RF de banda L-: admite la entrada directa de señales de banda L-en el rango de 950 a 1500 MHz; un módulo de conversión descendente secundario- incorporado convierte la señal a la frecuencia intermedia estándar del dispositivo.
Después de que la señal de frecuencia-intermedia se introduce en el equipo de banda base, primero se somete a control automático de ganancia (AGC) y filtrado de frecuencia-intermedia, y luego se muestrea mediante un convertidor analógico-a-digital (ADC) de alta-velocidad, convirtiendo la señal de frecuencia analógica-intermedia en un flujo de muestra de banda base digital complejo. Todas las operaciones de sincronización, demodulación y decodificación se realizan en función de la señal de muestra digital.
Debido al movimiento de alta-velocidad del satélite en órbita, la señal de enlace descendente transporta una amplia gama de cambios Doppler. El dispositivo incorpora un bucle de seguimiento de portadora dentro de su FPGA, que ajusta la frecuencia y la fase del oscilador local controlado numéricamente (NCO) en tiempo real para compensar continuamente los cambios Doppler y mantener un bloqueo de señal estable. El proceso de sincronización sigue la secuencia de ingeniería estándar: primero la sincronización de bits, seguida por un seguimiento preciso de la portadora. El módulo de sincronización de bits extrae un reloj de temporización de símbolos preciso del flujo de datos muestreados, proporcionando una referencia de tiempo unificada para el bucle de la portadora y la decisión del símbolo, evitando así el desplazamiento del muestreo de símbolos y la pérdida de bloqueo causada por el desplazamiento Doppler.
2. Demodulación multi-formato y decodificación de corrección de errores de canal
Una vez completadas la sincronización y el bloqueo, el flujo de símbolos digitales ingresa al motor de demodulación del hardware FPGA. El dispositivo incorpora un núcleo IP de demodulación compatible con los principales sistemas satelitales de detección remota, que admiten esquemas de modulación como BPSK, QPSK, SQPSK, 16QAM y GMSK. Se puede adaptar a diferentes modelos de satélite simplemente cambiando los parámetros del software, sin necesidad de sustituir placas de hardware.
El proceso de transmisión espacial introduce ruido y desvanecimiento, que provocan errores de bits. El transmisor integrado-aplica códigos de corrección de errores-de canal de múltiples-niveles y el equipo de banda base está equipado con los módulos de decodificación correspondientes: admite códigos RS, decodificación Viterbi convolucional y decodificación de decisión-soft LDPC. La aceleración paralela de hardware permite una corrección de errores de alto-rendimiento y en tiempo real-, maximizando la recuperación de errores de transmisión y generando un flujo de datos de bits limpio y libre de errores-.
3. Desintercalado, sincronización de tramas y análisis de paquetes estándar CCSDS
Todos los satélites de teledetección civiles y comerciales cumplen uniformemente con el estándar del sistema de datos espaciales CCSDS y el equipo implementa completamente el procesamiento CCSDS de extremo a extremo-a- el extremo: los datos del enlace descendente del satélite se codifican utilizando una secuencia pseudoaleatoria para suprimir las fugas de portadora; después de la decodificación, primero se realiza una operación de descifrado para restaurar el flujo de bits aleatorio original.
Después de la decodificación, el módulo busca y bloquea el encabezado de sincronización de cuadros configurable para ubicar el inicio de cada cuadro de datos; luego analiza los campos del encabezado del marco para extraer el VCID (identificador de canal virtual) y el APID (identificador de proceso de aplicación), distinguiendo así entre múltiples tipos de flujos de datos: paquetes de datos de imágenes de carga útil multiespectral óptica/infrarroja, paquetes de datos auxiliares de telemetría satelital y datos auxiliares de actitud y órbita a bordo.
El sistema categoriza y enruta datos de carga e información auxiliar en función de APID; los datos auxiliares se almacenan en caché y se archivan por separado, mientras que los paquetes de datos de imágenes comprimidos se envían a la unidad de descompresión de imágenes para su procesamiento independiente.
4. Descompresión y reconstrucción en tiempo real-de imágenes comprimidas a bordo
Para conservar el ancho de banda del enlace descendente, los satélites de detección remota ópticos, hiperespectrales e infrarrojos generalmente están equipados con-módulos de compresión en tiempo real- integrados que son compatibles con tres estándares de compresión principales:
1) Estándar de pruebas espaciales no-destructivas: CCSDS 123 (específicamente para imágenes 3D multiespectrales/hiperespectrales);
2) Uso general-sin pérdidas: JPEGLS;
3) Compresión de alta fidelidad-con pérdida: JPEG 2000.
El dispositivo de banda base cuenta con una CPU multi-núcleo emparejada con una unidad de aceleración de descompresión dedicada. Selecciona de forma adaptativa el algoritmo adecuado en función de los indicadores de compresión en los encabezados de los paquetes y ajusta dinámicamente los parámetros de descompresión para equilibrar la latencia del procesamiento y la fidelidad de la imagen, restaurando completamente las imágenes originales con resolución sub-métrica- para satisfacer las demandas de aplicaciones de alta-precisión, como la topografía nacional y el monitoreo agrícola y forestal.
5. Arquitectura informática en tiempo real-heterogénea VPX (FPGA + CPU multi-núcleo)
El equipo de procesamiento de datos de teledetección utiliza un chasis robusto VPX estándar y emplea una arquitectura paralela heterogénea que combina aceleración de hardware FPGA con computación de uso general- de CPU multi-núcleo. A diferencia de las soluciones multinúcleo-basadas puramente en software-, admite un rendimiento máximo en tiempo real-de 800 Mbps por canal:
1) Capa lógica FPGA: maneja tareas de capa física de alto-tiempo real--seguimiento de portadora, sincronización de bits, demodulación, descodificación LDPC/Viterbi, sincronización de tramas y des-codificación y des{5}}enmarcación CCSDS-utilizando una canalización paralela de un millón-de niveles para procesar flujos de datos de alta-velocidad con cero latencia;
2) Capa de software-en tiempo real para CPU multi-núcleo: responsable de la descompresión de imágenes, la generación de vistas rápidas-, la programación de tareas, el monitoreo de estado, el enrutamiento y distribución de datos, y las operaciones remotas y la interacción de mantenimiento;
3) Descomposición de la línea de ensamblaje modular: la sincronización de portadoras, la demodulación y decodificación, el análisis de protocolos, la descompresión y la vista previa rápida, y la distribución de datos se dividen en unidades de tareas independientes y se programan en paralelo entre núcleos de CPU y canales FPGA.
El sistema admite la reconfiguración de la topología de tareas definida-por software: al cambiar entre satélites con diferentes parámetros, el personal de operaciones y mantenimiento puede utilizar el software backend para reconfigurar los flujos de datos del módulo, las velocidades de código, los parámetros de modulación y codificación, y las palabras de sincronización de cuadros; en la gran mayoría de escenarios, no se requieren modificaciones de hardware. Solo en escenarios que involucran ancho de banda de RF o requisitos de banda de frecuencia específicos es necesario reemplazar el módulo de filtro de RF frontal-.
6. Intercambio de datos de alta-velocidad y soluciones de almacenamiento escalables
El dispositivo está equipado con varios tipos de interfaces de servicio de alta-velocidad para admitir el intercambio de datos de extremo-a-entre el front-end y el back-end:
Entradas-frontales: puertos ópticos de 10-Gigabits e interfaces diferenciales LVDS de alta-velocidad, que reciben flujos de datos digitalizados por RF desde el front-end;
Salida backend: Gigabit Ethernet, 10 Gigabit Ethernet, utilizada para distribuir vídeo descomprimido y datos QuickView;
Interconexión de clústeres: bus IB de alta-velocidad, utilizado principalmente para interconectar clústeres de múltiples-dispositivos y grupos de almacenamiento backend de alta-capacidad; no se utiliza para el acceso a la señal RF frontal-.
La velocidad de procesamiento estándar para un solo canal oscila entre 10 Mbps y 800 Mbps; cuando se opera en modo paralelo de doble-canal, el rendimiento se duplica. El almacenamiento se expande a través de una matriz de discos externa, y la capacidad de almacenamiento aumenta linealmente con la cantidad de discos duros en la matriz y el ancho de banda del backplane. Sin embargo, debido a las limitaciones impuestas por las ranuras de hardware y el ancho de banda de E/S, la capacidad no se puede ampliar indefinidamente; es suficiente para cumplir con los requisitos de almacenamiento diario de cantidades masivas de datos de teledetección.
7. Enlace completo-Monitoreo de calidad-en tiempo real y soporte operativo de alta-confiabilidad
El sistema implementa nodos de monitoreo de condición jerárquicos a lo largo de toda la cadena de procesamiento de señales para registrar continuamente métricas operativas:
1) Capa física: demodulación Eb/N0, tasa de error de bits en tiempo real-, estado de sincronización de portadora/bit, desplazamiento Doppler;
2) Capa de enlace de datos: número de bloqueos de sincronización de tramas-, resultados de suma de verificación de paquetes y estadísticas de integridad de paquetes APID;
3) Capa empresarial: velocidad de fotogramas de descompresión, latencia de salida de QuickView y carga de rendimiento de la interfaz.
Todos los registros de alarmas y métricas operativas se muestran localmente en tiempo real y se archivan y almacenan automáticamente. El sistema admite acceso remoto basado en la consola local y en la web-para operaciones y mantenimiento. El dispositivo utiliza placas reforzadas de grado militar-y una fuente de alimentación de amplia-temperatura, con un tiempo medio entre fallas (MTBF) mayor o igual a 25 000 horas, lo que cumple con los requisitos para un funcionamiento continuo a largo plazo-las 24 horas del día, los 7 días de la semana en estaciones terrestres.
8. Implementación de proyectos y aplicaciones industriales
Esta serie de equipos de procesamiento de datos de teledetección se ha desplegado en grandes cantidades en múltiples satélites civiles nacionales de teledetección actualmente en órbita, cubriendo todo tipo de cargas útiles-incluidas luz visible, multiespectral, hiperespectral e infrarroja-y produciendo constantemente productos de imágenes estándar de resolución inferior a-metros-. Se ha aplicado ampliamente en campos civiles como los estudios de recursos agrícolas y forestales, la conservación del agua y el monitoreo del control de inundaciones, el mapeo de recursos naturales y la planificación urbana inteligente; Al mismo tiempo, ha completado con éxito múltiples rondas de pruebas cooperativas internacionales de enlaces de satélite-a-tierra y es compatible con las misiones de detección remota estándar CCSDS-de varios países, lo que demuestra un rendimiento de procesamiento estable y confiable incluso en condiciones complejas de Doppler y de baja relación señal-a-ruido.
9. Descripción de soluciones personalizadas
Si una estación terrestre necesita configurar un-nuevo sistema de recepción satelital, este equipo de procesamiento de datos de teledetección ofrece una personalización completa y en-profundidad: la frecuencia central de frecuencia intermedia (IF), los esquemas de modulación/codificación, los parámetros de trama CCSDS, los tipos de interfaz de alta-velocidad, la cantidad de canales y la capacidad de almacenamiento se pueden configurar según sea necesario. Proporciona una solución de cadena completa-que abarca desde la recepción de RF, el procesamiento de banda base en tiempo real-y la visualización en vivo hasta el almacenamiento y distribución de back-.
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