一种视频卫星在轨实时探测系统及其视频传输方法与流程

1.本技术涉及视频卫星图像处理技术领域，特别是涉及一种视频卫星在轨实时探测系统及其视频传输方法。


背景技术：

2.大面阵、大数据量、视频成像光学遥感探测卫星已成为未来地球观测卫星的发展趋势之一。视频数据比静止单幅图像包含更多信息，能够获取目标的动态属性，从而探测到动态事件的发生，并可以基于视频图像中的序列图像进行图像超分辨率重构获得更高分辨率的图像，非常适合对热点地域进行侦查。利用较高分辨率的视频成像数据，实现对指定地区进行动态目标的快速探测识别与快速判读，具有较强的应用价值。
3.当前我国现有的视频卫星普遍采用在轨成像获取视频图像数据后先存储在星上存储设备内，当卫星过境后再回放的模式实现地面视频数据的获取。此类方法成熟可靠，安全性高，是遥感类卫星常用的数据获取模式。其缺陷在于：地面通过该类方法获取数据时实时性不高，通常会有数十分钟至数个小时的滞后，不能实时获得敏感区域的视频成像数据。同时，为了获得较高分辨率和较大幅宽的目标视频图像，系统通常采用大面阵视频探测器，使获取的视频图像兼顾了空间分辨率和时间维度的扩展，导致数据量的爆炸性增长，给数据下传带来了巨大的负担。


技术实现要素：

4.基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种能够实现高数据率、高分辨率在轨成像数据实时快速显示的视频卫星在轨实时探测系统及其视频传输方法。
5.一种视频卫星在轨实时探测系统，所述系统包括：
6.视频成像载荷分系统、在轨数据处理分系统和地面数据接收应用分系统；
7.所述视频成像载荷分系统搭载在所述视频卫星上，包括多台视频相机，用于实时获取目标区域的超大数据量视频图像；
8.所述在轨数据处理分系统搭载在所述视频卫星上，包括多个压缩单元、路由单元和数传发射装置，用于实时压缩获取的目标区域超大数据视频图像得到压缩后的视频图像，以及路由、存储和发射所述压缩后的视频图像；
9.所述多台视频相机与所述多个压缩单元对应连接；
10.所述地面数据接收应用分系统设置于地面，包括数传接收装置、多个实时解压缩装置和多个视频显示装置，用于实时接收、实时解压缩和显示所述视频图像。
11.其中一个实施例中，系统还包括：所述视频相机的相机探测器为12000
×
4996像素大面阵视频成像，输出视频帧率10fps，数据位宽8bit，每台视频相机有效数据输出速率约4.8gbps。
12.其中一个实施例中，系统还包括：所述压缩单元采用四路tlk2711接口芯片与所述视频相机连接；
13.所述压缩单元采用xilinx公司的xc7vx980t芯片作为压缩功能的主控fpga芯片，实现接口控制、视频压缩、数据复接功能；每个所述压缩单元的压缩比可通过参数配置进行设置，范围为10:1～70:1。
14.其中一个实施例中，系统还包括：所述路由单元通过tlk2711接口将需要下传的数据发送至数传发射装置；
15.所述路由单元通过can总线与综合信息管理单机进行通信；
16.所述路由单元通过内部4对fgpa高速gtx接口分别与所述压缩单元进行高速通信；
17.所述路由单元采用20片mt29f256g08aucabh3芯片，实现存储容量5tbits、读写速度5gbps的数据存储能力。
18.其中一个实施例中，系统还包括：所述数传发射装置采用1个数传发射机和1套相控阵天线；
19.所述数传发射机采用xc7vx690t
‑
1ffg1930i芯片实现300mbps的对地数传能力；
20.所述相控阵天线采用a3pe3000l芯片实现对地面站自动凝视指向能力。
21.其中一个实施例中，系统还包括：所述数传接收装置用于实现所述压缩视频图像的实时接收和解调，并采用万兆网络输出解调后的数据。
22.其中一个实施例中，系统还包括：所述实时解压缩装置采用tx2芯片 fpga架构，由所述tx2芯片gpu实现对所述压缩视频图像的实时解压缩功能，并将解压缩后的视频图像通过万兆光纤分屏输出。
23.其中一个实施例中，系统还包括：所述视频显示装置采用3
×
2路显示器分屏显示的方式实现12000
×
4996像素大面阵视频图像的实时显示，显示刷新帧率达到10fps。
24.其中一个实施例中，系统还包括：卫星平台；
25.所述卫星平台包括星务管理分系统、测控分系统和电源分系统；
26.所述星务管理分系统用于实现视频卫星管理的功能；
27.所述测控分系统用于与地面测控设备实现遥测遥控功能；
28.所述电源分系统用于保障所述视频卫星上设备的供电能源需求。
29.一种视频卫星在轨实时探测视频传输方法，所述方法包括：
30.通过视频成像载荷分系统获取目标区域的超大数据量视频图像，将所述视频图像发送到在轨数据处理分系统；所述在轨数据处理分系统包括压缩单元、路由单元和数据发射装置；
31.通过所述在轨数据处理分系统对所述视频图像进行实时压缩和发射；
32.通过所述地面数据接收应用分系统实时接收、实时解压缩和显示所述视频图像。
33.上述视频卫星在轨实时探测系统及其视频传输方法，通过视频成像载荷分系统获取目标区域的超大数据量视频图像，将视频图像发送到在轨数据处理分系统；在轨数据处理分系统包括压缩单元、路由单元和数据发射装置；通过在轨数据处理分系统对视频图像进行实时压缩和发射；通过地面数据接收应用分系统实时接收、实时解压缩和显示视频图像。本发明针对当前视频卫星视频图像数据下传实时性较差和数据率较低等问题，通过采用视频图像数据在轨实时压缩、实时路由数传下传，地面实时接收、解压缩、显示等方法，实现了超大数据量的视频图像在轨实时成像、实时数传，地面实时获取、实时显示的难题，大大提高了用户获取数据的时效性，为超大数据量视频卫星在轨实时探测提供了解决手段，
为天基遥感情报信息的及时获取提供了新途径。
附图说明
34.图1为一个实施例中视频卫星在轨实时探测系统的原理框图；
35.图2为一个实施例中视频卫星在轨实时探测视频传输方法的流程示意图。
具体实施方式
36.为了使本技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
37.一种视频卫星在轨实时探测系统，系统包括
38.视频成像载荷分系统、在轨数据处理分系统和地面数据接收应用分系统；
39.视频成像载荷分系统搭载在视频卫星上，包括多台视频相机，用于实时获取目标区域的超大数据量视频图像；
40.在轨数据处理分系统搭载在视频卫星上，包括多个压缩单元、路由单元、和数传发射装置，用于实时压缩获得的超大数据量的视频图像得到压缩后的视频图像，以及路由、存储和发射压缩后的视频图像；
41.多台视频相机与多个压缩单元对应连接；
42.地面数据接收应用分系统设置于地面，包括数传接收装置、多个实时解压缩装置和多个视频显示装置，用于实时接收、实时解压缩和显示视频图像。
43.本发明中的视频成像载荷分系统和在轨数据处理分系统是在现有卫星平台上增设的有效载荷设备；地面数据接收应用分系统是配合卫星使用的地面辅助设备。
44.图1为一个具体实施例中一种超大数据量视频卫星在轨实时探测系统的原理框图，包括视频成像载荷分系统、在轨数据处理分系统和地面数据接收应用分系统。所涉及的卫星平台包括星务管理分系统、测控分系统和电源分系统，是现有卫星平台上普遍配备的系统。视频成像载荷分系统、在轨数据处理分系统和地面数据接收应用分系统相关设备一起构成一个卫星视频数据天基实时探测获取、实时下传，地面实时接收、解压、显示的通道。卫星平台上自带的星务管理分系统是卫星平台用于实现整星所有管理功能的分系统，包括任务规划、数据管理、星地上下行数据链路管理、时间管理、有效载荷管理等，可通过数据总线接收卫星上各类星载设备提交的工作参数；可通过测控分系统与地面测控设备实现遥测遥控功能。
45.卫星平台上自带的测控分系统主要包括星载测控应答机和天线，主要接收星务管理分系统提交的遥测副载波信号，通过测控应答机和天线下传到地面；同时通过测控应答机和天线接收地面测控设备上传的无线遥控指令，转换为遥控副载波信号，提交星务管理分系统。
46.卫星平台上自带的电源分系统负责保障卫星所有设备的供电能源需求。电源分系统可为各个设备提供28v的母线一次供电，也可根据需要为设备提供3.3v～12v的二次供电。
47.视频成像载荷分系统包括2个视频相机。该相机是一种用户自研的大面阵、高帧
率、高分辨率的可见光视频相机，通过内置的cmos传感器在轨实时获得指定目标区域的视频图像；同时内部具备视频数据处理和传输功能。每台视频相机与在轨数据处理分系统中压缩单元由4个完全一致的通道连接，每通道采用一片tlk2711接口芯片进行视频数据发送；视频相机的成像单元、热控下位机采用can数据总线接口与星务管理分系统实现通信；相机探测器采用长光辰芯公司生产的gmax1205，可实现12000
×
4996像素大面阵视频成像，输出视频帧率10fps，数据位宽8bit，每台相机数据输出速率约4.8gbps。可根据任务需求为2个视频相机配置不同焦距的镜头，实现不同分辨率的对地视频成像探测，总有效数据率可达9.6gbps。
48.在轨数据处理分系统包括2个压缩单元、1个路由单元和1套数传发射装置。每个压缩单元对应接收1台视频相机的视频图像数据，并对其进行实时压缩处理，然后将压缩后的数据发送给路由单元；路由单元将压缩后的视频数据进行各种路由处理，可实时路由给数传发送装置，将其实时下传至地面，也可将数据进行存储，必要时再回放；数传发射装置包括数传发射机和相控阵天线，可以300mbps速率向地面下传数据，相控阵天线具有对地面数传接收站凝视的功能。2块压缩单元、1块路由单元以板卡的形式安装于一个机箱内部，机箱内部各个单元通过gtx接口实现数据互联。
49.每个压缩单元采用四路tlk2711接口芯片与视频相机连接，实现视频数据的接收；采用xilinx公司的xc7vx980t芯片作为压缩功能的主控fpga芯片，实现接口控制、视频压缩、数据复接等功能；每个压缩单元能够实现对单路视频相机4.8gbps视频数据的视频压缩功能，压缩比可设置为10:1～70:1。
50.路由单元通过tlk2711接口将需要下传的数据发送至数传发射装置；通过can总线与综合信息管理单机进行通信；采用内部4对fgpa高速gtx接口分别与2个压缩单元进行高速通信；采用20片mt29f256g08aucabh3芯片，实现存储容量5tbits、读写速度5gbps的数据存储能力。
51.数传发射装置采用1个数传发射机和1套相控阵天线。数传发射机采用xc7vx690t
‑
1ffg1930i芯片实现300mbps的对地数传能力；相控阵天线采用a3pe3000l芯片实现对地面站自动凝视指向能力。
52.地面数据接收应用分系统包括1套数传接收装置、2个实时解压缩装置和2套视频显示装置。数传接收装置采用卫星测控站实现下传压缩视频数据的实时接收和解调，并采用万兆网络输出解调后的数据；每个实时解压缩装置采用tx2芯片 fpga架构，由tx2芯片gpu实现对压缩视频的实时解压缩功能，并将解压缩后的视频图像通过万兆光纤分屏输出；每套视频显示装置采用3
×
2路显示器分屏显示的方式实现12000
×
4996像素大面阵视频图像的实时显示，显示刷新帧率达到10fps。
53.在其中一个实施例中，视频卫星在轨实时探测系统具有2种工作模式：
54.工作模式1是视频相机成像实时下传显示模式：每个视频相机输出图像数据为12000
×
4996
×
8bit
×
10fps，数据率为4.8gbps，2个视频相机总数据率9.6gbps；每个相机数据对应分别连接1个压缩单元，压缩单元采用40:1的压缩比进行压缩，压缩后总有效数据率为240mbps；按80％的压缩复接效率，2路视频压缩后的总数据率不大于300mbps，满足数传发射装置300mbps的对地数传速率要求。卫星星务管理分系统通过配置各个设备参数，控制视频相机进行实时成像，并将视频数据发送给压缩单元进行实时压缩，同时路由单元将
压缩后的视频数据实时发送给数传设备，通过无线链路下传至地面，地面数据接收应用装置实时接收数传下传的数据，并将其进行实时解压和显示，可实现12000
×
4996
×
8bit
×
10fps
×
2路视频图像数据的对地实时成像探测，并实时下传至地面显示的功能。通过测试，系统从视频相机成像获取图像数据直至发送至地面解压显示总耗时小于800ms，实现了超大数据量视频卫星的在轨实时探测。
55.工作模式2是视频图像数据回放显示模式：路由单元将存储的压缩后的视频数据按文件进行管理，并根据星务管理分系统发送的指令，索引对应数据文件并将其按300mbps的数率回放至数传发射装置，实现数据回放至地面并将其进行解压显示。
56.根据本发明确定的一种超大数据量视频卫星在轨实时探测系统，可实现原始数据率为9.6gbps的视频数据的实时在轨探测和地面解析显示，说明本发明能够解决超大数据量视频卫星在轨成像探测数据的地面实时获取问题。
57.在一个实施例中，如图2所示，提供了一种视频卫星在轨实时探测视频传输方法，包括以下步骤：
58.步骤202，通过视频成像载荷分系统获取目标区域的超大数据量视频图像，将视频图像发送到在轨数据处理分系统。
59.在轨数据处理分系统包括压缩单元、路由单元和数据发射装置。
60.步骤204，通过在轨数据处理分系统对视频图像进行实时压缩和发射。
61.步骤206，通过地面数据接收应用分系统实时接收、实时解压缩和显示视频图像。
62.上述视频卫星在轨实时探测系统及其视频传输方法，通过视频成像载荷分系统获取目标区域的超大数据量视频图像，将视频图像发送到在轨数据处理分系统；在轨数据处理分系统包括压缩单元、路由单元和数据发射装置；通过在轨数据处理分系统对视频图像进行实时压缩和发射；通过地面数据接收应用分系统实时接收、实时解压缩和显示视频图像。本发明针对当前视频卫星视频图像数据下传实时性较差和数据率较低等问题，通过采用视频图像数据在轨实时压缩、实时路由数传下传，地面实时接收、解压缩、显示等方法，实现了超大数据量的视频图像在轨实时成像、实时数传，地面实时获取、实时显示的难题，大大提高了用户获取数据的时效性，为超大数据量视频卫星在轨实时探测提供了解决手段，为天基遥感情报信息的及时获取提供了新途径。
63.应该理解的是，虽然图1的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。
64.以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
65.以上所述实施例仅表达了本技术的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护
范围。因此，本技术专利的保护范围应以所附权利要求为准。