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气象水文信息快速传递和共享是气象水文保障业务的核心环节和基础，信息化条件下的一体化联合作战要求提供气象、水文和空间天气立体化、连续化保障，对数据传输与共享提出了新的要求，气象水文实时伴随保障已经成为重要形式，迫切需要建设便携、可靠的野外机动伴随式气象水文保障信息共享平台。

Linux内核分析

Linux内核由进程调度模块、内存管理模块、文件系统模块、进程间通信模块以及网络接口模块等5个部分组成。其内核结构如图所示。

在Linux内核中，各个组件的运行都依赖于进程调度模块。进程调度子系统调用内存管理器管理物理内存空间。进程间通信子系统调用内存管理器管理共享内存。虚拟文件系统使用网络接口实现网络文件系统（NFS）。

卫星气象数据广播业务框架

下图上半部分为卫星分发系统，图中气象数据文件集中存储于数据服务器中，数据文件管理以及数据文件广播打包封装由编码/打包机实现。当有新的数据需要广播分发时，分发系统即时从数据服务器上获取要分发的数据，将其进行编码和封装，并将其上传给广播卫星数据传输所需要的信号复用器和调制器，进而通过广播卫星进行转发。

下图下半部分为卫星接收系统，由接收机和服务器构成。卫星数据广播接收站的天线经过LNB完成对卫星信号的接收，嵌入式卫星气象数据广播接收机按照DVB协议进行数据解析、解包和解码，使用专门的文件传输协议进而还原成原始气象数据文件，通过网络传输至气象数据服务器进行文件分析、处理和应用。

数据广播协议的选择

欧洲电信标准协会(ETSI)所制定的数据广播标准数据传输基础协议是MPEG-2传输流（TS），数据文件信息通过MPEG-2协议封装成为传输流后再进行传输，其按照通信类型主要有 数据管道、数据流、多协议封装、数据轮播以及对象轮播 等5种方式，它们的性能对比分析如表所示。

数据分析模块

数据接收模块基于卫星接收天线、低噪放单元实现卫星信号的接收。卫星接收天线接收到卫星信号，经过室外单元降噪处理，将信号传输至卫星信号处理模块。卫星信号处理模块实现卫星信号的变频、解调、解码和气象水文数据的存放。基于DVB-S（数字卫星广播系统标准），信号流的解调采用QPSK（四相相移键控调制）方式，工作频率为L波段（950~2150MHz），处理器接收到TS流后，首先进行PAT表解析。

PAT表包含了码流中复用的所有节目以及与各路节目相对应的PMTPID。每路节目一个PMT表。根据PAT的PID0x00，从码流中提取出PAT表，对其解析生产节目单。然后再解析对应的PMT表格，找到数据广播流对应的PID，将其提取出来，并转换成UDP协议转发到网络上进行后续处理。具体流程见图所示。

E-CctvSite终端硬件结构简介

嵌入式卫星气象水文数据广播应用系统接收终端的硬件设计采用主处理板与DVB接收板分离的方式进行，便于应对接口的变化以及主处理板升级的要求，利用高速背板采用har-bus总线技术将二者连接为统一整体。硬件设计按照相关标准执行，核心器件均选用自主可控和自主产权的产品，便于升级维护和确保安全。

为保证设备的便携性，结构设计在保证充分散热、方便简洁安装的前提下，采用高集成度、最小化设计的思想，体积仅为203mm×142mm×74mm。同时为保证足够的强度，选择采用高强度铝合金作为材质，具有一定的抗电磁干扰能力。系统整体硬件结构如图所示。

软件系统架构设计

嵌入式卫星气象水文数据广播接收终端软件系统设计是本章的重点，其架构设计如图所示，可分为数据采集层、信号与状态分析层、综合处理层、交互层等功能层次以及8个分系统。

数据采集层针对系统的接口适配器和协议单元层，从信号接入点、设备状态接口、I/O状态以及环境要素等获取各原始数据。信号与状态分析层主要完成分布式的信号接收、数据分解、参数分析与状态分析。根据要求从码流数据中分解并获取气象水文数据，并根据相关的标准、协议和模型参数的要求，判别信号、设备与环境是否满足指定的要求。

综合处理层根据气象水文数据的编码特征和规范，结合气象水文数据处理和存储要求，进行数据重新组织与存储；对于参数与状态数据，进行综合分析，做出相应的提醒、报警等操作。交互层主要完成用户的系统配置、I/O操作以及应用服务的执行与响应等。系统的软件体系，其结构可以分为核心层、应用层以及网络与服务层，共三个层次，系统的软件体系架构如图所示。

核心层主要包括 卫星信号接收和数据处理平台 两部分，从天线接收到的信号经过调谐、解调等处理，发送给数据处理平台。数据处理平台包括嵌入式处理器、FLASH、DDR、接口器件，以及运行在硬件之上的嵌入式实时操作系统和和各设备的驱动。应用层是运行在核心层之上，主要包含设备管理、系统维护、数据交互、数据处理等不和硬件直接发生关系的软件。

系统软件模块结构由板卡接收软件StreamMonitor、文件处理客户软件、Web系统和数据库组成，系统软件处理流程图以及模块结构图分别如图所示。

StreamMonitor软件负责接收卫星码流，并从指定的转发PID列表中获取时钟信息和文件数据流，将文件数据流以网络方式发送给文件处理客户软件。文件处理客户软件根据配置要求，将需要的文件存放到指定的共享文件夹内，并负责定期删除过时文件。Web系统与StreamMonitor软件交互，显示设备基本信息和卫星状态，设置卫星参数和IP；与文件处理客户软件交互，设置文件保存策略，显示文件接收状态和文件列表。

接收解码子系统

接收解码子系统负责卫星数据广播接收，依照终端站点资料属性配置和本地权限确定是否接收到达资料。接收解码子系统包括数据文件接收、卫星信号处理模块、气象水文专用传输应用协议解析模块和喷泉编码解析模块四个模块。

数据文件接收模块，数据文件接收模块基于卫星接收天线、低噪放单元实现卫星信号的接收。卫星接收天线接收到卫星信号，经过室外单元降噪处理，将信号传输至卫星信号处理模块。

卫星信号处理模块，卫星信号处理模块实现卫星信号的变频、解调、解码和气象水文数据的存放。基于DVB-S（数字卫星广播系统标准），信号流的解调采用QPSK（四相相移键控调制）方式，工作频率为L波段（950~2150MHz）。通过分析，可以得到TS流解析的流程，其解析流程图，如图所示。

气象水文专用传输应用协议解析模块

气象水文专用传输应用协议解析模块利用气象水文专用传输应用协议对气象水文数据业务编码包进行解析，并将解析出的文件存至硬盘临时存储目录。发送端数据封装子系统根据气象广播数据类型，气象数据文件包大小为279个字节（byte）。

第0个字节为气象数据包类型，第1个字节为气象数据包头版本号，第2个字节为保留位，第3-6个字节为包序号，第7-10个字节为包序号总数，第11字节为通道ID，第12字节为气象资料ID，第13-16个字节为气象文件唯一ID，第17-20个字节为气象文件大小，第21-276个字节为气象文件名称。

第277个字节为点播气象台站个数，第278-279个字节为点播气象台站ID，后续每两位字节表示一个点播气象台站ID。包头采用面向byte的、可变格式构成，气象文件报文格式描述如表所示。

E-CctvSite终端实现

E-CctvSite终端采用嵌入式体系架构实现了气象水文数据的接收、处理和存储，同时实现接收信号和设备状态的检测，检测的信息包括射频信号状态、数字码流状态、气象水文数据完整性、设备功能状态、温湿度环境情况、系统联接情况等。

CctvSite终端分为两种构型，分别为机架式和盒式，根据应用场所合理选择，它们的外形分别见下图。两种构型内部功能和配置一样，只是面板和接口位置和整体布局略有差异。机架式终端处理器板（有显示面板和功能状态查询旋钮）在正面，而DVB通信接口板则在背面，主要包含有网络接口和信号连接F头。

盒式终端的处理器板（有显示面板和功能状态查询旋钮）和DVB通信接口板（含网口和F头）均在正面，以盒式终端为例，在图5.2中标注了主要功能接口和操作按钮，在使用时注意结构上的差别，合理安排供电线路和信号线的布设。

CctvSite终端与其他业务系统连接的典型网络拓扑结构如图所示。ECctvSite终端采用免维护式的设计，不配置专门的显示终端，系统配置以及状态监控采用基于网络的远程Web方式进行（与路由器远程网络配置方式相同），以便较少系统的体积、连接的复杂性以及功耗，使其适于便携和野外作训使用。

总结

针对嵌入式设备终端系统设计，本文介绍了系统设计思路，分析了卫星气象数据广播业务框架与数据广播协议，通过比对，选择选择多协议封装的方式进行数据广播编码。介绍了系统各模块功能。

介绍了硬件架构，随后分模块介绍了硬件设计。基于嵌入式Linux操作系统内核裁剪技术，与FPGA嵌入式系统的设备驱动程序开发技术，介绍了嵌入式卫星气象水文广播终端E-CctvSite的Web配置程序的开发与测试。本研究工作的主要贡献是：设计了具有自主知识产权的高速嵌入式卫星气象水文广播接收终端。

基于Web技术，在嵌入式linux系统基础上，通过Java程序，具体实现了通用的终端配置软件，该软件可以进行卫星参数设置、设备管理、存储策略设置、安全管理等。本研究工作的主要贡献是：提出一种高效可靠的卫星气象水文数据解析传输模式。