本發(fā)明涉及一種測試飛控一體化設(shè)計(jì)的航天器全周期視頻處理系統(tǒng)，屬于航天器測試。

背景技術(shù)：

1、視頻數(shù)據(jù)是以空間站為代表的載人航天器最重要最具特色的載荷數(shù)據(jù)之一，在整個(gè)任務(wù)周期中視頻功能需要全時(shí)段使用，起到保持航天員與地面之間的實(shí)時(shí)溝通、地面對航天器狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控等關(guān)鍵作用。基于ip?over?ccsds協(xié)議的天地一體化網(wǎng)絡(luò)在我國載人航天中已被采用，借助該協(xié)議，采用標(biāo)準(zhǔn)h.264視頻算法并采用rtp傳輸協(xié)議進(jìn)行封裝的多路高清視頻可從航天器實(shí)時(shí)下傳地面。

2、目前航天器測試階段和在軌階段的視頻處理采用的是兩套獨(dú)立的系統(tǒng)，即測試階段采用綜合測試的視頻處理系統(tǒng)完成射頻鏈路下傳的實(shí)時(shí)、延時(shí)視頻及通過有線網(wǎng)絡(luò)下傳的實(shí)時(shí)視頻的處理；在軌階段采用飛控視頻處理系統(tǒng)完成射頻鏈路下傳的實(shí)時(shí)、延時(shí)視頻的處理。這種設(shè)計(jì)方式存在以下不足之處：

3、1)飛控處理系統(tǒng)驗(yàn)證不充分。由于飛控處理系統(tǒng)只能通過大系統(tǒng)對接的短暫時(shí)間里對系統(tǒng)功能性能進(jìn)行驗(yàn)證，很難覆蓋所有的使用場景，特別是可靠性和穩(wěn)定性得不到充分驗(yàn)證。

4、2)無法實(shí)現(xiàn)測試到飛控視頻處理的無縫銜接。由于綜合測試的視頻處理系統(tǒng)只工作到航天器發(fā)射前，而飛控視頻處理系統(tǒng)是從航天器入軌后才開始工作，無法實(shí)現(xiàn)航天器從測試到待發(fā)、發(fā)射、在軌視頻的無縫銜接處理，也無法實(shí)現(xiàn)測試階段與在軌階段視頻的比對判讀。

5、3)綜合測試階段的視頻處理系統(tǒng)功能完全覆蓋了飛控階段視頻處理系統(tǒng)的功能，獨(dú)立設(shè)計(jì)兩套系統(tǒng)也會帶來重復(fù)設(shè)計(jì)的成本提高。

6、另外，視頻處理系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上還存在以下兩個(gè)主要的難點(diǎn)：

7、1)實(shí)時(shí)和延時(shí)多路視頻文件的重構(gòu)回放問題。

8、目前對于多路視頻文件的重構(gòu)回放一般有兩種方法：第一種方法是在實(shí)時(shí)播放的過程中將每路視頻單獨(dú)存儲為可以直接播放的視頻文件；第二種方法是在數(shù)據(jù)存儲時(shí)保留時(shí)間戳信息，利用時(shí)間戳信息控制回放的速度。這兩種方式存在以下局限或不足之處：

9、占用存儲空間大。對于第一種方法，由于需要存儲每路視頻文件，存儲空間的占用增加了一倍，而且由于高清視頻文件占用存儲空間非常龐大，10路高清視頻每100秒就要占用1g字節(jié)存儲空間，大大提高了系統(tǒng)的存儲成本。

10、延時(shí)視頻下傳的速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)時(shí)播放速率，無法實(shí)時(shí)播放，因此無法采用第一種方法；對于第二種方法，數(shù)據(jù)的回放速率完全依賴于存儲時(shí)記錄的時(shí)間戳，如果數(shù)據(jù)存儲時(shí)沒有記錄時(shí)間戳信息，這種方法也無法使用。

11、2)天地直連網(wǎng)絡(luò)下傳的實(shí)時(shí)視頻的播放問題。

12、天地直連網(wǎng)絡(luò)通過脫插電纜等方式直接與地面網(wǎng)絡(luò)相連，是為了滿足在射頻鏈路無法使用的情況下也可以從航天器上的網(wǎng)絡(luò)下行遙測、視頻等網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的需求。

13、基于igmp協(xié)議的指定源組播視頻點(diǎn)播技術(shù)在我國載人航天中已被采用，為了通過天地直連網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行視頻點(diǎn)播測試，需要在接入天地直連網(wǎng)絡(luò)的主機(jī)上運(yùn)行視頻播放軟件，并通過igmp協(xié)議加入指定組并點(diǎn)播指定的視頻源，航天器上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備會定期通過igmp查詢報(bào)文查詢主機(jī)加入組的情況，如果主機(jī)沒有在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送igmp報(bào)告報(bào)文報(bào)告自己加入組的情況，航天器上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備就會停止給主機(jī)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。

14、由于航天器上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備一般是采用定制化設(shè)計(jì)，其實(shí)現(xiàn)的igmp協(xié)議與地面主機(jī)有可能不完全兼容，地面主機(jī)無法識別航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)出的igmp查詢報(bào)文，從而不會發(fā)送igmp報(bào)告報(bào)文，導(dǎo)致航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備停止給主機(jī)發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，造成地面主機(jī)無法持續(xù)播放視頻。目前解決這個(gè)問題的辦法主要有兩個(gè)：一個(gè)是通過設(shè)計(jì)航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相同協(xié)議的定制主機(jī)實(shí)現(xiàn)；第二個(gè)是在航天器上網(wǎng)絡(luò)和地面主機(jī)之間增加igmp代理來實(shí)現(xiàn)，這兩種方式存在以下不足之處：

15、成本高、開發(fā)時(shí)間長。不管是采用定制主機(jī)還是igmp代理，都需要設(shè)計(jì)開發(fā)專用硬件設(shè)備，成本較高、開發(fā)時(shí)間長。

16、通用化程度低。由于是針對航天器上的協(xié)議定制開發(fā)，只能用于單一航天器測試，無法在其他場合使用。

17、靈活性差。由于采用了專用硬件設(shè)備，當(dāng)出現(xiàn)新的需求時(shí)需要對硬件設(shè)備或者固件程序進(jìn)行修改，靈活性比較差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種測試飛控一體化設(shè)計(jì)的航天器全周期視頻處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測試到飛控視頻的無縫銜接和全周期處理，提高了視頻處理覆蓋率。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種測試飛控一體化設(shè)計(jì)的航天器全周期視頻處理系統(tǒng)，包括數(shù)據(jù)接收及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊、實(shí)時(shí)視頻解析模塊、延時(shí)/回放視頻解析模塊、直連網(wǎng)絡(luò)視頻解析模塊和視頻解碼模塊；

4、數(shù)據(jù)接收及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊，連接綜合測試射頻處理設(shè)備、飛控中心的在軌數(shù)據(jù)接收端口；在航天器處于綜合測試階段時(shí)，獲取綜合測試射頻處理設(shè)備數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的ccsds傳輸幀格式，發(fā)送給實(shí)時(shí)視頻解析模塊和延時(shí)/回放視頻解析模塊；在航天器處于在軌階段時(shí)，獲取在軌數(shù)據(jù)接收端口數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的ccsds傳輸幀格式，發(fā)送給實(shí)時(shí)視頻解析模塊和延時(shí)/回放視頻解析模塊；

5、實(shí)時(shí)視頻解析模塊，接收ccsds傳輸幀并從ccsds傳輸幀中解析出傳輸層數(shù)據(jù)，發(fā)送給視頻解碼模塊；

6、延時(shí)/回放視頻解析模塊，存儲ccsds傳輸幀，根據(jù)ip?over?ccsds協(xié)議解析出每一路rtp視頻數(shù)據(jù)，控制每一路視頻數(shù)據(jù)的回放速度，發(fā)送給視頻解碼模塊；

7、直連網(wǎng)絡(luò)視頻解析模塊，連接航天器上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，通過發(fā)送igmp協(xié)議加入指定組并點(diǎn)播指定的視頻源，再轉(zhuǎn)為單播協(xié)議后轉(zhuǎn)發(fā)給視頻解碼模塊；

8、視頻解碼模塊，接收實(shí)時(shí)視頻解析模塊、延時(shí)/回放視頻解析模塊、直連網(wǎng)絡(luò)視頻解析模塊的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼播放。

9、進(jìn)一步地，所述延時(shí)/回放視頻解析模塊在需要回放時(shí)，進(jìn)行如下處理：若rtp幀頭填寫有效相對時(shí)間戳信息，則利用相對時(shí)間戳信息控制每一路視頻數(shù)據(jù)的回放速度；否則，根據(jù)當(dāng)前回放視頻路數(shù)和視頻平均碼速率動態(tài)控制回放速度。

10、進(jìn)一步地，延時(shí)/回放視頻解析模塊利用相對時(shí)間戳信息控制每一路視頻數(shù)據(jù)的回放速度，具體方法為：

11、a)讀取需要回放的視頻文件，獲取文件的字節(jié)大小并除以ccsds幀長，得到ccsds總幀數(shù)nf，將控制進(jìn)度的最大值設(shè)置為nf；

12、b)判斷是否進(jìn)行回放進(jìn)度控制，若進(jìn)行控制，根據(jù)進(jìn)度選擇值ns，將文件讀取指針定位到第ns幀；否則從文件頭開始讀取；

13、c)讀取一幀數(shù)據(jù)，按照ip?over?ccsds協(xié)議從ccsds幀中解析出ip數(shù)據(jù)包和rtp數(shù)據(jù)包；

14、d)根據(jù)ip數(shù)據(jù)包中的源ip地址確定當(dāng)前視頻路數(shù)n；

15、e)判斷是否為第n路視頻的第一個(gè)rtp數(shù)據(jù)包：

16、若是第n路視頻的第一個(gè)rtp數(shù)據(jù)包，則記錄該路視頻的rtp時(shí)間戳tns0和當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間tnl0，將該rtp數(shù)據(jù)包在指定的端口上通過udp協(xié)議發(fā)出；

17、若不是第n路視頻的第一個(gè)rtp數(shù)據(jù)包，則記錄該路視頻的rtp時(shí)間戳tns和當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間tnl，判斷tns-tns0≤tnl-tnl0是否成立，若成立，將該rtp數(shù)據(jù)包在指定的端口上通過udp協(xié)議發(fā)出；若不成立，延時(shí)δt＝(tns-tns0)-(tnl-tnl0)后，將該rtp數(shù)據(jù)包在指定的端口上通過udp協(xié)議發(fā)出；

18、f)回到步驟b)，直到文件讀取完畢。

19、進(jìn)一步地，延時(shí)/回放視頻解析模塊根據(jù)當(dāng)前回放視頻路數(shù)和視頻平均碼速率動態(tài)控制回放速度，具體方法為：

20、a)讀取需要回放的視頻文件，獲取文件的字節(jié)大小，除以ccsds幀長得到ccsds總幀數(shù)nf，并將控制進(jìn)度的最大值設(shè)置為nf；

21、b)判斷是否進(jìn)行回放進(jìn)度控制，如果進(jìn)行控制，根據(jù)進(jìn)度選擇值ns，將文件讀取指針定位到第ns幀，否則從文件頭開始讀??；

22、c)讀取一幀數(shù)據(jù)，按照ip?over?ccsds協(xié)議從ccsds幀中解析出ip數(shù)據(jù)包和rtp數(shù)據(jù)包；

23、d)根據(jù)ip包頭中的源ip地址確定當(dāng)前視頻路數(shù)n；

24、e)判斷是否為第n路視頻的第一個(gè)rtp數(shù)據(jù)包：

25、若是第n路視頻的第一個(gè)rtp數(shù)據(jù)包，則記錄該路視頻的比特?cái)?shù)bn和當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間tnl0，將該rtp數(shù)據(jù)包在指定的端口上通過udp協(xié)議發(fā)出；

26、若不是第n路視頻的第一個(gè)rtp數(shù)據(jù)包，則記錄該路視頻的累計(jì)比特?cái)?shù)bn和當(dāng)前計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)間tnl；判斷bn≤brn×(tnl-tnl0)是否成立，若成立，將該rtp數(shù)據(jù)包在指定的端口上通過udp協(xié)議發(fā)出；若不成立，延時(shí)δt＝bns/brn-(tnl-tnl0)后將該rtp數(shù)據(jù)包在指定的端口上通過udp協(xié)議發(fā)出；

27、f)回到步驟b)，直到文件讀取完畢。

28、進(jìn)一步地，若計(jì)算得到的延時(shí)δt小于設(shè)定閾值，則不進(jìn)行延時(shí)，直接發(fā)出。

29、進(jìn)一步地，所述直連網(wǎng)絡(luò)視頻解析模塊點(diǎn)播指定的視頻源，然后轉(zhuǎn)為單播協(xié)議后轉(zhuǎn)發(fā)給視頻解碼模塊，具體步驟如下：

30、a)網(wǎng)絡(luò)視頻解析模塊的服務(wù)器運(yùn)行商用視頻播放軟件，播放源設(shè)為指定源組播的方式，開啟播放后會自動發(fā)送igmp加組報(bào)文，航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收到igmp加組報(bào)文后開始向服務(wù)器發(fā)送視頻播放軟件申請的指定源ip的視頻數(shù)據(jù)；

31、b)服務(wù)器上運(yùn)行igmp協(xié)議處理軟件，調(diào)用pcap庫或者采用rawsocket的方式抓取igmp數(shù)據(jù)包；

32、c)igmp協(xié)議處理軟件抓取視頻播放軟件的igmp加組報(bào)文，記錄申請的視頻源ip地址；在收到航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備發(fā)出的igmp查詢報(bào)文時(shí)，根據(jù)記錄的視頻源ip地址生成兼容航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的igmp報(bào)告報(bào)文發(fā)送給航天器上網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

33、進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)接收及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊以tcp方式從綜合測試射頻處理設(shè)備接收包含實(shí)時(shí)視頻和延時(shí)視頻的基帶數(shù)據(jù)并解析出ccsds傳輸幀，以udp方式接收飛控?cái)?shù)據(jù)并解析出ccsds傳輸幀。

34、進(jìn)一步地，實(shí)時(shí)視頻解析模塊以tcp方式從數(shù)據(jù)接收及協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊接收ccsds傳輸幀，按照ip?over?ccsds協(xié)議從ccsds傳輸幀中解析出傳輸層數(shù)據(jù)。

35、進(jìn)一步地，實(shí)時(shí)視頻解析模塊解析出傳輸層數(shù)據(jù)，根據(jù)需要對傳輸層端口進(jìn)行修改后采用操作系統(tǒng)套接字的方式利用通用網(wǎng)卡發(fā)送給視頻解碼模塊。

36、本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

37、(1)本發(fā)明設(shè)計(jì)的航天器視頻處理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了測試到飛控視頻的無縫銜接和全周期處理，提高了視頻處理覆蓋率，相對于采用兩套獨(dú)立系統(tǒng)降低了開發(fā)成本、提高了系統(tǒng)可靠性

38、(2)本發(fā)明在不增加存儲容量需求的情況下實(shí)現(xiàn)了多路視頻數(shù)據(jù)文件的事后視頻重構(gòu)和流暢播放，視頻回放不依賴于存儲時(shí)的時(shí)間戳信息，具有廣泛的適應(yīng)性。

39、(3)本發(fā)明設(shè)計(jì)的直連網(wǎng)絡(luò)視頻解析模塊，實(shí)現(xiàn)了天地直連網(wǎng)絡(luò)的視頻點(diǎn)播，降低了開發(fā)成本、縮短了開發(fā)時(shí)間，提高了系統(tǒng)的通用化程度。