高分辨率对地不雅观测卫星
数传系统关键技能专利剖析
弁言
随着社会经济的发展，高分辨率、高精度无疑是对地不雅观测系统的发展方向。一个成熟高效的高分辨率对地不雅观测系统不仅在军事上有助于国家对领空、领海、陆地进行详尽节制，也能对农业、测绘、环境、资源、磨难预防、公共安全等民用领域给予支持。高分卫星有效载荷分辨率高，其得到的信息量就大，信息量越大，星地之间数传的码速率就越高，对星上数据传输设备的哀求就越高，造成高分卫星数传系统研制难度大。针对这一难点，选取高分卫星数传系统的高速串行接口技能、高速数据存储及处理技能和多载荷高速数据处理地面测试技能进行专利剖析。
技能发展现状与趋势
2.1 环球专利申请态势
2.1.1 专利申请呈增长态势
高分卫星数传系统技能的专利优先权年，总体上呈增长态势（图1）。截止至2017年，环球公开的专利族总量为1550项（由于专利公开的时滞等缘故原由，近两年的数据收录不完备，仅供参考，下同）。
图1 近20年高分卫星数传系统技能的优先权年分布
一方面，随着卫星数据不雅观测技能的进步，海量卫星数据的处理、存储与利用给高分卫星数传系统技能带来了全新需求与寻衅。只管二十世纪七八十年代的卫星发射的高峰后，二十世纪九十年代以来，天下范围内的卫星发射总量呈现减少的趋势。但是，自1999年美国太空成像公司第一颗商业高分辨率遥感卫星IKONOS的发射成功，首创了商业高分辨率遥感卫星的新时期，美国商业高分辨率遥感卫星家当在短短7年内取得了巨大进展，分辨率达到了0.5m级[3]。这意味着，高分辨率遥感卫星将会产生“海量数据”，进而带动了针对海量数据高速处理的技能发展。
另一方面，随着打算机信息技能及网络化技能的快速发展，旗子暗记传输的质量和实时性是各种电子设备持续追求的主要目标[4]，在当前数据传输速率步入千兆比特/秒（USB3.0），通讯模式变为全双工、多任务的状况下，高速串行总线USB连接器、DisplayPort连接器、HDMI多媒体接口连接器等一系列产品都正在迅速递进到微型配置、高密度，以及更高的传输带宽上。而该领域对知识产权（IPR）的依赖程度高，也造成该技能领域的申请量不断增加。
2.1.2 美日创新能力上风明显
美国和日本在高分卫星数传系统技能领域的创新能力上风明显，也是该行业紧张的专利首次申请国（图2）。
图2 高分卫星数传系统技能的专利优先权国分布
2.2 重点研发领域布局
利用Thomson Innovation中的ThemeScape剖析工具，对筛选出的1550个专利族（5010个专利）进行剖析，创造高分卫星数传系统的紧张研究领域集中在电磁屏蔽、同轴电缆和预加重等，其余，研究较多的还有下列热点领域：数据存储、读写速率、Flash坏区管理等（图3）。
图3 高分卫星数传系统技能的技能研发重点领域分布图
2.2.1 电磁兼容性设计和传输介质为串口技能研究热点
就高速串行接口技能领域而言，可见传输介质（包括同轴电缆和光纤）和电磁兼容性设计（包括电路设计、接地设计、屏蔽设计、PCB布线设计、传输线阻抗设计）的专利申请量霸占相称大的比例（图4）。
图4 高速串行接口技能领域的主题分布
2.2.2 存储介质技能引领数据采集处理技能发展
就高速数据存储及处理技能领域而言，存储介质和容量的专利申请量较多（图5）。而受到存储介质技能发展的影响，该领域的申请人在数据采集、数据格式、传输设计、坏区管理技能方面也有专利的布局。
图5 高速数据存储及处理技能领域的主题分布
2.3 技能需求
随着航天科学的连忙发展，军事民用需求的不断提高，单一卫星的功能不断丰富，性能指标不断增强，实行的各种科学稽核任务也不断增多，图像的空间、韶光和光谱分辨率的提高造成了有效载荷数据量的成倍增长。尤其这天益急迫的空间运用和发达兴起的卫星对地不雅观测运用的需求，推动着卫星遥感技能水平的快速提高，使得对未来的高分卫星数据传输系统提出了更高的哀求。
2.3.1 更高的存储容量
近年来，光学成像卫星的发展呈现出高分辨率、大幅宽等特点。伴随而来的，是相机实时输出的数据率急剧增大。随着新型卫星搭载的相机分辨率越来越高，图像的大小在急剧增大。同时，为了真实有效的仿照卫星有效载荷系统，卫星载荷数据仿照源常日须要具有大容量的能力。
2.3.2 更快的传输速率
数据量和传输速率是相辅相成的关系。载荷数据量的提升必将造成数据传输速率的提高，Gbps级的传输速率乃至更快的传输速率将成为一定的哀求。
2.2.3 更强大的兼容性
在未来的卫星数据传输系统发展中，功能升级日益频繁，事情模式、源包格式、数据速率、实时性哀求可能有所差别；信源数据以大量遥感数据和赞助丈量数据为主，数据随机性强，特色繁芜多变；下传数据种类多、数据量大、数据率高，星地数据传输交互韶光短。
技能发展路线与创新启迪
3.1 技能发展路线
基于前述剖析，明确了至2025年的技能发展路线图（图6）。
图6 高速数据传输技能发展路线图
3.2 创新启迪
3.2.1 高速串行接口
随着航天技能的发展，高分辨率的载荷技能运用日益广泛，卫星所要传输的数据量也越来越大。串行接口在节约传输空间、降落传输介质重量方面表现精良，相对付并行接口传输的多对传输介质，串行接口传输可以通过一对传输介质高速传输旗子暗记。同时，串行接口数据传输不存在通过多芯并行旗子暗记传输线传输旗子暗记时涌现的数据位偏移（定时偏差）的问题，适用于长间隔数据传输。因此采取高速及标准的串行传输接口也是势在必行。
图7 高速串行接口技能发展脉络
3.2.2 高速数据存储及处理
在高速数据存储及处理技能方面，可从两条主线入手研发，即以大容量快速存储为目标的存储以及高速可靠传输的传输设置两方面。
图8 高速数据存储及处理技能发展脉络
3.2.3 多载荷高速数据处理地面测试
1）高速可控的仿照源
目前，国外的仿照源测试设备多采取商用货架产品搭建，采取现成的复合开放式标准的货架产品搭建的测试平台具有灵巧性强、本钱低和开拓周期短的优点。而海内设计的仿照源大多属于专用测试设备，存在加载速率低、存储容量小和体积弘大等方面的缺陷。随着载荷技能的发展，载荷产生的数据速率也越来越快，从每秒百兆级比特发展到数G比特，高速、可控的仿照载荷数据的仿照源成为一个亟待办理的关键技能问题。
2）通用可容错的数据拼接
目前对卫星电子有效载荷数据的拼接，基本上是对不同类型的卫星有效载荷所产生的不同类型类别的数据专门体例对应的软件进行拼接，不利于节约软件开拓本钱。在卫星地面检测和卫星地面运用中，现有的数据拼接算法当数据涌现非常状态时，同步字和帧计数可能涌现缺点，现有的数据拼接算法对非常数据的处理是丢弃，会造成拼接后的图像丢失信息。因此，未来卫星电子有效载荷数据拼接算法该当知足干系哀求。
总结与建议
4.1 创新管理
4.1.1 看重专利信息在计策布局中的利用
通过对星载高速数据传输技能专利的信息剖析可以看出，通过专利文献的检索和剖析，可以把握星载高速数据传输技能的发展方向。而有效利用专利信息，要把稳以下几点：
（1）在现有的技能谱系框架下，进行专利信息的追溯检索和定题检索，以理解国内外现有技能所处的阶段，未来的发展方向以及新技能涉及的关联领域，理解本行业的技能发展动态及新技能的竞争焦点。
（2）在创新研发中，通过干系专利的比拟，避免重复研究，有效地借鉴天下前辈技能，吸取他人精华，同时避开已有专利的技能陷阱，发觉并尽早做规避设计，开拓思路、提高技能布局和技能创新能力。
（3）在技能引进和技能互助过程中，通过专利文献理解国内外同类技能的发展现状。例如，对引进的技能进行评审和预测，通过专利信息查询确定引进技能是否会涉及侵权，避免盲目引进。
4.1.2 结合国际发展环境和技能需求创新
以高空间分辨率、高韶光分辨率和高光谱分辨率能力的对地不雅观测系统所需的数传系统为轴，将重大发展计策需求剖析、国际技能发展前沿展望相结合，依据技能路线图开展验证研究。在验证的同时，根据详细进程，可进一步细化的韶光节点、可进一步明确的研究方向，动态调度技能路线图。
4.2 创新方向
4.2.1 开展Gbps级的高速串口研究
随着星载载荷技能的发展，载荷探测将实现更高分辨率、更多探测频段覆盖、更高灵敏度的技能。对卫星数传系统将带来更高码速率数据下传的设计需求。个中高码速率数据传输接口设计是办理高速数据下传的技能瓶颈之一。目前，星载常规的高速数据传输接口设计多采取低压差分旗子暗记(LVDS)接口，单路传输数据码速率最多达到100Mbps旁边；对付数据传输码速率达到上Gbps需求的传输系统，则须要采取多路LVDS接口并行传输形式，这种设计接口繁芜、可靠性差、资源耗费多。
为实现Gbps级的星载数据传输，结合专利剖析得出的创新方向，可考虑选用TI（德州仪器）公司的TLK2711芯片，其串行收发速率可1.6Gbps~2.7Gbps，有效数据带宽可达2.16Gbps，芯片还具有预加重、自回环检测等功能，目前已在航天器中得到实际运用。
其余，目前，国际上对电流模式逻辑（CML）接口的研究以及开拓十分生动，很多公司都已经推出了多种利用CML作为传输接口的产品。CML接口数据传输率的范围一样平常为1Gbps~10Gbps，而且还可以达到更高，现在数据传输速率超过2.5Gbps的串行传输系统一样平常均采取CML，广泛运用于高速SerDes系统中。
此外，在未来，如果高速传输的哀求达到10Gbps以上，新型JESD204B接口或许将成为必要的选择之一。
4.2.2 实现完端赖得住的数据传输与存储
数据传输与存储的紧张目标是实现数据的完端赖得住传输。由于我国国情限定，无法再国外设置大量的地面吸收站，因此卫星采集的数据只能先在星上存储，在过境时再将数据传回地面。而以高分SAR卫星为代表的新一代卫星对的数据量和数据率急剧增加。基于上述考虑，数据传输与存储的创新总体目标是大容量的存储器设计以及高速可靠的数据传输，个中涉及的技能方面包括数据的快速存储、大容量存储器。个中紧张涉及新型存储介质、提高芯片集成度的办法等。当前星上紧张采取FLASH芯片，通过集成已实现1T容量的运用，但其在读写速率方面尚有欠缺。当前，从本钱、集成度、可靠性等方面出发，尚处在对FLASH芯片的运用、集成、管理等不断完善的阶段，如通过电路板双面支配提高集成度、针对FLASH进行坏区管理研究等，但同时也应把稳到，在存储介质的发展方面看，新型存储介质如可变电阻式存储器（ReRAM）具备随机存储器（RAM）的高速读写能力，栅极横向晶闸管随机存取存储器（GLTRAM）具备高集成度的特点，静态存储器（SRAM）具有读写速率高、抗辐射能力强的特点，成为未来星上新型介质运用的发展方向。
为实现星上数据的在有限的地面数据接管窗口期内的有效传输，需对不同载荷采集的数据进行数据编码与数据复接，实现数据的快速传输。当前紧张采取CCSDS AOS为根本的数据格式，也处在对其不断改进的阶段。在未来，还可以通过增加传输通道、提升通道的有效利用率等方面，提升数据采集速率。
4.2.3 研制符合星载高速数据传输系统哀求的地面测试系统
载荷数据量的提升必将造成数据传输速率的提高，现今遥感卫星的有效载荷系统产生的码速率已经从原来的每秒几十兆比特发展发展到数G比特，比如高分五号的载荷码速率已经达到2.3Gps，后续其他的遥感卫星载荷的码速率估量可以20Gbps以上，这就哀求仿照源具备更快的传输速率。随着新型遥感卫星搭载的光学相机的分辨率越来越高，图像的大小在急剧增大，这就给载荷吸收处理提出了更高存储容量的需求。此外，如何能使卫星载荷数据仿照源在传输速率、电缆节点、用户接口和软件设置上具有更强大的兼容性也是发展中碰着的新问题、新寻衅。
4.3 创新方法
4.3.1 适度超前布局专利
对付技能路线发展方向中的主要节点，动态监测美日欧的专利布局动态，并结合新公布的专利进行“头脑风暴”，由技能职员和知识产权职员共同磋商可能须要布局的关键专利，并对主要的关键节点适度进行超前布局。
4.3.2 看重与民用干系技能的创新协同
高度重视工业技能领域的高速数据处理向航天运用的转化，在航天科技领域取得技能成功的同时，迅速将其广泛运用于民用家当，实现商业成功后又“反哺”军工家当，如此形成了良性循环。
4.3.3 与海内研究机构开展互助研究
在星载高速数据传输技能等航天运用领域，与哈尔滨工业大学、北京空间翱翔器总体设计部等开展本色性互助。同时，与海内有志于从事高速数据处理干系的芯片厂商互助，促进关键元器件的国产化。
参考文献
高佳佳,章文毅. 对地不雅观测卫星数传预报仿真技能研究[J]. 打算机运用与软件, 2014,31(04),82-84；
董刚,张爱兵,王加强等. 卫星高速数传通道设计及其性能仿真剖析[J]. 空间电子技能, 2016,13(06),63-67；
周润松. 美国甚高分辨率商业光学成像卫星的发展情形和数据做事模式[J]. 卫星运用, 2016,(07),45-47；
张敬一,刘志佳,张锐等. 一种光学遥感小卫星数传基带测试系统设计改进[J]. 航天器工程, 2018,27(03),127-134
作者先容
