标准编号:	GJB 1198.3A-2004
中文名称:	航天器测控和数据管理 第3部分：遥测信道编码
英文名称:	Telemetry tracking command and data handling for spacecraft Part 3: Telemetry channel coding
行业分类:	GJB    国家军用行业标准
发布日期:	2004-09-01
实施日期:	2004-12-1
标准状态:	现行
替代旧标准:	GJB 1198.3-1991
翻译语言:	英文
文件格式:	PDF
中文字符数:	17000 字
翻译价格(元):	2000.00 元
交付时间:	付款后 1 个工作日

Codeofchina.com is in charge of this English translation. In case of any doubt about the English translation, the Chinese original shall be considered authoritative.



GJB 1198 consists of the following eight parts under the general title Telemetry tracking command and data handling for spacecraft:



——Part 1: PCM telecommand;



——Part 2: PCM telemetry;



——Part 3: Telemetry channel coding;



——Part 4: Ranging;



——Part 5: Radio frequency and modulation;



——Part 6: Packet telemetry;



——Part 7: Packet telecommand;



——Part 8: Onboard data handling interface.



This part is Part 3 of GJB 1198.



This part replaces GJB 1198.3-1991 Telemetry tracking command and data handling for satellite Part 3: Telemetry channel coding.



Convolutional coding and R-S coding recommended by CCSDS have been demonstrated fully and tested by practical application. This part is prepared based on CCSDS Recommendation. This part includes convolutional coding, R-S coding, interlacing, synchronization, pseudo-randomization, etc.



Up to now, CCSDS Recommendation has been improved in five versions, and subsequent versions have been revised to varying degrees to adapt to the new technological development. This part is appropriately amended with reference to 2021 CCSDS Recommendation.



The following main changes have been made with respect to GJB 1198.3-1991:



——Some modifications are made to the textual expression with reference to the new expression in CCSDS.



——R-S code is allowed to be used alone;



——For R-S codes, the original standard stipulates that only (255,223) R-S codes which can correct 16 symbol errors are used, and (255,239) R-S codes which can correct 8 errors are added in the new part.



—— The interlacing of RS codes is changed from the original interlacing depth I=1 and 5 to I=1~5;



——It is defined that unified synchronization identification is used for the telemetry transmission frame and R-S code block;



——Standard algorithm for pseudo-randomization of telemetry transfer frames or data is added;



——For the original telemetry data frames that do not use R-S coding and channel coding, the CRC is proposed to detect the validity of the data;



——The contents of CRC error detection code are added in the annex.



If a channel coding system other than that specified in this part is adopted in spacecraft system design, it shall be tracked and comply with the updated version of CCSDS standard.



Annexes A, B and C of this part are informative.



This part was proposed by China Aerospace Science and Technology Corporation.



This part is under the jurisdiction of China Aerospace Standards Institute.



This part was firstly issued in April 1991, and firstly revised this time.





Telemetry tracking command and data handling for spacecraft Part 3: Telemetry channel coding



1 Scope



This part specifies the technical requirements of convolutional coding, R-S coding, interlacing and pseudo-randomization of spacecraft telemetry channel coding and their application in the system.



This part is applicable to the design of spacecraft telemetry system using channel coding, and also to the interface between spacecraft and earth station in channel coding.



2 Normative references



The following standards contain provisions which, through reference in this text, constitute provisions of this part. For dated references, subsequent amendments (excluding corrections), or revisions, of any of these publications do not apply to this part. However, parties to agreements based on this part are encouraged to investigate the possibility of applying the most recent editions of the normative documents indicated below. For undated references, the latest editions apply to this part.



GJB 727A-1998 Terms and acronyms of space tracking telemetry and command system

GJB 1198.5A-2004 Telemetry tracking command and data handling for spacecraft Part 5: Radio frequency and modulation

GJB 1198.6A-2004 Telemetry tracking command and data handling for spacecraft - Part 6: Packet telemetry



3 Terms and definitions



For the purposes of this part, the terms and definitions established in GJB 727A-1998 and the following ones apply.



3.1

symbol

the basic unit of transformation and processing whose specific meaning varies with the application scenarios:

a) For standard convolutional coding, a symbol refers to a binary code bit;

b) For R-S coding, its symbol refers to the element in the galois field GF(2J), in which case each symbol consists of J bits.



3.2

code word

an output sequence consisting of n symbols generated when a coder of a (n, k) code encodes k input information symbols, which will be treated as a whole during decoding



3.3

code rate

the ratio of the average number of input information symbols to the average number of corresponding output symbols of the coder



3.4

constraint length

the number of consecutive input information bits required for determining the value of any output symbol in convolutional coding



3.5

generator polynomial

transformation relationship experienced to generate code word when coder operates on the input, which is also called generator function



3.6

hard decision

the process of judging the received binary symbol as "0" or "1" according to its positiveness and negativeness relative to the threshold, also called hard quantization, or two-layered quantization



3.7

soft decision

the process of multi-layered quantization according to the preset layered value on the amplitude of received binary symbol, also called soft quantization, or multi-layered quantization



3.8

systematic code

If the input sequence of the coder is directly used as a part of the output code word without change, this code is called systematic code, otherwise it is called unsystematic code.



3.9

transparent code

If the coder of a code codes two PCM sequences with opposite phases, its output is also two PCM sequences with opposite phases, then this code is called transparent code, otherwise it is called non-transparent code.



3.10

outer code/inner code

In the coding system where two kinds of coding are concatenated, the first-level coding algorithm for data stream is called outer code, and the latter-level coding algorithm is called inner code.



3.11

[GF(n)]Galois field

a finite field consisting of exactly n elements



3.12

virtual fill

In a systematic block code (n, k), the code word output by the coder contains information parts of k symbols and check parts of (n-k) symbols. When the actual number of information symbols s is less than k, in order to make the coder and decoder work normally, a constant string with (k-s) symbols need be preset in the coder and decoder and attached to the information part. These (k-s) symbols are not sent in the channel, so they are called "virtual fill".



4 General provisions



4.1 Information source for standard channel coding



The information source of channel coding specified in this part shall be the complete spacecraft telemetry data stream, not the local data structure in it. The local data structure in spacecraft telemetry data stream can also be coded by CRC with error detection function, but the generated check bit is also regarded as the information input source of system channel coding.



4.2 Requirements for channel coding



In the design of specific spacecraft telemetry system, the channel coding specified in this part is not mandatory, with the following exceptions:



a) When the spacecraft downlink telemetry data is sensitive to channel transmission errors;



b) When the organization system of data flow is easy to cause error transmission;



c) Only when the channel coding technology is adopted, the channel energy budget can meet the transmission requirements.



4.3 Spacecraft telemetry channel coding system



Any of the following systems may be adopted for the channel coding of spacecraft telemetry system:



a) Convolutional coding;



b) R-S coding;



c) Concatenation channel coding system with convolutional code as inner code and R-S code as outer code.



4.4 Convolutional coding



The code rate of convolutional codes is specified as follows: r=1/2 bit/symbol; the constraint length is k=7bit.



4.5 R-S (Reed-Solomon) code



The (255,223) R-S code and (255,239) R-S code are defined as standard R-S codes.

Foreword i
1 Scope
2 Normative references
3 Terms and definitions
4 General provisions
5 Convolutional coding
6 R-S code (Reed-Solomon code)
7 Spacecraft telemetry system with channel coding
Annex A (Informative) Expansion of R-S mode generator polynomial coefficient
Annex B (Informative) Transformation between Berlekamp expression and regular expression
Annex C (Informative) Application of CRC error detection code

航天器测控和数据管理
第3部分：遥测信道编码
1 范围
本部分规定了航天器遥测信道编码的卷积编码、R－S编码、交错、伪随机化及其在系统中应用的技术要求。
本部分适用于采用信道编码的航天器遥测系统设计，同时用于航天器与地球站在信道编码接口。
2 规范性引用文件
下列文件中的条款通过本部分的引用而成为本部分的条款。凡是注日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包含勘误的内容)或修订版均不适用于本部分，然而，鼓励根据本部分达成协议的各方研究是否可使用这些文件的最新版本。凡是不注日期的引用文件，其最新版本适用于本部分。
GJB 727A－1998 航天器测控系统术语与缩略语
GJB 1198.5A－2004 航天器测控和数据管理 第5部分：射频和调制
GJB 1198.6A－2004 航天器测控和数据管理 第6部分：分包遥测
3 术语和定义
GJB 727A－1998确立的以及下列术语和定义适用于本部分。
3.1
符号 symbol
进行变换和处理的基本单位，其具体含义视应用场合而异：
a) 对标准卷积编码，一个符号是指一个二元码位；
b) 对R－S编码，其符号是指有限域GF(2J)中的元素，这时每个符号由J个比特位组成。
3.2
码字 code word
一个(n，k)码的编码器对k个输入信息符号编码所产生的由n个符号组成的一个序列。这个输出序列在译码时将作为一个整体来处理。
3.3
编码比率 code rate
编码器输入信息符号的平均数与相应输出符号平均数之比。
3.4
约束长度 constraint length
在卷积码编码时，为确定任一个输出符号的值所需要的相继输入信息比特的位数。
3.5
生成多项式 generator polynomial
编码器对输入进行运算，产生输出码字所经历的变换关系。亦称生成函数。
3.6
硬判决 hard decision
对接收到的二元符号，根据其相对门限的正或负，判决其为“0”或“1”的过程。亦称硬量化，或二分层量化。
3.7
软判决 soft decision
对接收的二元符号的幅度，根据预置的分层值进行多分层量化处理的过程。亦称软量化，或多分层量化。
3.8
系统码 systematic code
如果编码器的输入序列不加改变地直接作为输出码字的一部分，这种码就称为系统码，否则称为非系统码。
3.9
透明码 transparent code
如果一个码的编码器对二个相位互反的PCM序列编码后，其输出也为二个相位互反的PCM序列，则称此码为透明码，否则称为非透明码。
3.10
外码/内码 outer code/inner code
在二种编码相级联的编码系统中，对数据流进行的第一级编码算法称为外码，后一级编码算法称为内码。
3.11
伽罗华域[GF(n)]Galois field
恰好由n个元素组成的有限域。
3.12
虚拟填充 virtual fill
在一个系统分组码(n，k)中，编码器输出的码字中包含有k个符号的信息部分和(n－k)个符号的校验部分。当实际的信息符号数目s小于k时，为使编、译码器正常工作，在编码器和译码器中需预置具有(k－s)个符号的常量字符串，附加到信息部分。这(k－s)个符号并不在信道中发送，因而称为“虚拟填充”。
4 总则
4.1 标准信道编码所面向的信息源
本部分规定的信道编码所面向的信息源应是完整的航天器遥测数据流，而不是其中的局部数据结构。对航天器遥测数据流中的局部数据结构也可以采用具有检错功能的“CRC校验”编码，但所产生的校验位部分也同视为系统信道编码的信息输入源。
4.2 采用信道编码的要求
在具体航天器遥测系统设计中，本部分所规定的信道编码不是必选的，但下述几种情况例外：
a) 当航天器下行遥测数据对信道传输差错敏感时；
b) 数据流的组织体制易引起差错传递时；
c) 只有采用信道编码技术，信道能量预算才能满足传输要求时。
4.3 航天器遥测信道编码体制
航天器遥测系统信道编码可以采用下述任一体制：
a) 卷积编码；
b) R－S编码；
c) 以卷积码为内码，以R－S码为外码的级联信道编码系统。
4.4 卷积编码
规定卷积码的编码比率为；r＝1/2比特/符号；约束长度为：k＝7bit。
4.5 R－S(Reed－Solomon)码
规定(255，223)R－S码和(255，239)R－S码为标准R－S码。
5 卷积编码
5.1 标准卷积码的特性参数
标准卷积码的特性参数如下：
a) 编码率：r＝1/2比特/符号；
b) 约束长度：k＝7bit；
c) 码类型：非系统码，透明码；
d) 码生成失量：G1＝1111001，G2＝1011011(G1产生的符号C1直接输出，G2产生的符号C2反相后输出)；
e) 自由距离：最佳自由距离d＝10。
5.2 卷积编码器
5.2.1 卷积编码器原理框图
卷积编码器原理方框图如图1所示。

输入
输出
注1： ＝1比特延迟；
注2：每输入1比特信息，采样开关S1就要完成从位置1到位置2的一个切换循环，同时产生2个输出符号；
注3：当采样开关S1位于位置1时，产生与输入信息比特相关的第一个输出符号；
注4： ＝模二加法器；
注5： ＝反相器。
图1 卷积编码器原理图
5.2.2 编码器输入
卷积编码器的输入PCM信息可以是非归零电平码NRZ－L或非归零传号码NRZ－M； GJB1198.5A－2004中规定的其它种类的PCM信号码型在使用卷积码的遥测系统中，不予采用。
5.2.3 编码器输出
卷积编码器的输出是二元电平符号序列，即比特流序列，每输入一个信息比特，产生二个输出符号(即一个‘符号对’，这个‘符号对’在符号流中称为一节)。
符号对中符号的输出顺序如下：
a) 第一输出符号：C1的输出；
b) 第二输出符号：C2的反相输出。
5.3 卷积译码器
5.3.1 概述
规定译码器使用Viterbi最大似然译码算法。
5.3.2 符号检测器
符号检测器对接收的信道符号采用8分层均匀量化的软判决。最佳量化分层要根据比特差错率Pe＝1×10－5指标，以及符号检测器输入端的最低比特能量对噪声谱密度比Eb/N0来确定。软判决结果为3比特/信道符号。
5.3.3 译码器输入
译码器的输入为信道符号的软判决结果，及相应的同步时钟脉冲：
a) 每个信道符号的3bit软判决结果分三路并行进入译码器；
b) 与信道符号同步的时钟脉冲。
5.3.4 节同步
译码器应具有自动实现节同步的功能，以获得与数据信息比特相对应的‘符号对’的正确相位。
5.3.5 译码器的时延
译码器的时延为5个约束长度，即35个信息比特或35个信道‘符号对'。
6 R－S码(Reed－Solomon码)
6.1 概述
R－S码对突发性传输差错的纠错能力很强。本部分提供了两种纠错能力的R－S码供选择使用，一种可纠8个R－S符号差错，另一种则可纠16个R－S符号差错。
本部分所规定的R－S码是一种系统码，其中的数据部分则不予改变地出现在R－S码字的数据域中。在实际应用中，为进一步增强突发差错的纠错能力，对待传送的数据可以交错分解为I路，并分别经过相应的R－S编码器编码后，再交错合成为一个R－S码块向外传送。
6.2 标准R－S码的特性
6.2.1 标准 R－S码的特性参数
所选择的R－S码的特性参数如下：
a) 符号长度J：即每个R－S符号所包含的比特数。标准的R－S符号长度规定为J＝8；
b) R－S码的纠错能力E：它表示一个R－S码字中可纠正的R－S符号差错的数目。对于两种不同的选择，E分别规定为8或16；
c) 符号长度J、纠错能力E、交错深度I是相互独立的；
d) R－S码字的长度，即每个R－S码字中包含的R－S符号数目n＝2J－1＝255个符号＝255×8比特；
e) 长度为n的一个R－S码字中，所包含的校验符号的个数为2E；
f) 长度为n的一个R－S码字中，可包含的信息部分的符号的个数为k＝n－2E。
6.2.2 码字的格式
R－S码字格式为：d1d2d3……dm……dk，p1p2p3……pn……p2E
其中：dm为第m个数据符号(字节)，Pn为第n个校验符号。
6.2.3 码的符号
码的符号要求如下：
a)R－S符号是有限域GF(28)中的元素：每个R－S符号由J＝8bit构成，即GF(2)上的8维行向量；
b)有限域GF(28)在GF(2)上的生成多项式为：
F(x)＝x8＋x7＋x2＋x＋1 (1)
式中：
F(x)——域生成多项式；
x——多项式变量。
6.2.4 码的生成多项式
R－S码的生成多项式为：
(2)
式中：
α——有限域GF(28)上的生成元，F(α)＝0；
α11——有限域GF(28)上的本原元；
Gi——多项式系数，Gi在常规基中的取值规定参见附录A的表A.1。
F(x)和g(x)共同规定了E＝16的(255，223)R－S码，以及E＝8的(255，239)R－S码的特性。
6.2.5 符号表示及发送顺序
6.2.5.1 在进行R－S码的编码、译码时，所使用的坐标基于二种，即常规基{1，α1，α2，……α7}及其对偶基{l0，l1，l2，……l7}。
6.2.5.2 对偶基的特性为：
(3)
式中：
Tr(liβj)——迹函数；
li——对偶基中的基矢量；
βj——常规基中的元素，且β＝α1l7；
i，j＝0～7的整数。
6.2.5.3 有限域GF(28)上的迹函数定义为：
(4)
式中：
Tr(Z)——迹函数；
Z——有限域GF(28)中的任一元素。
6.2.5.4 有限域GF(28)中任一元素在常规基中的多项式表示为：
Z＝u7α7＋u6α6＋……＋u0α0 (5)
式中：
uj——多项式系数，取值为0或1，j是0～7的整数；
αi——常规基中的基矢量，i是0～7的整数。
6.2.5.5 有限域GF(28)中任一元素中对偶基中的多项式表示为：
Z＝z0l0＋z1l1＋……＋z7l7 (6)
式中：
zj——多项式系数，取值为0或1，j是0～7的整数。
6.2.5.6 规定R－S编码器输出的信道符号为对偶基中的8bit矢量[z0，z1……z7]，并且发送的先后顺序为z0，z1……z7(z0首先发送)。
6.2.5.7 两种坐标基中，符号表达式间的变换关系表示如下：
a) 从常规基到对偶基的变换：
(7)
b) 从对偶基到常规基的变换：
(8)
两种坐标基符号表达式变换的进一步信息参见附录B所述。
6.3 对遥测数据的R－S编码
6.3.1 符号交错的R－S编码
多个R－S码字的符号，逐个依次交错而产生R－S码块。标准的交错深度规定为I＝1、2、3、4和5。非交错的情况是交错深度I＝1的特例；最大的交错深度规定为5。
对于一项实际任务的物理信道来讲，其交错深度应该是固定不变的。
6.3.2 交错编码产生的符号流
对于一个由(n，k)R－S码以交错深度交错所产生的码块，其码块符号流顺序是由输入编码器的相继kI个数据符号，后随2EI个校验符号构成。对于(n，k)R－S码以I＝5交错所产生的码块符号流顺序为：
d11d12…d15d21…d25…dk1…dk5，p11…p15…p2E1…p2E5
其中：k＝n－2E；E＝16，或E＝8。
6.3.3 I＝5的交错编码器框图
I＝5的交错编码器框图如图2所示。

输入
R－S编码器#1
输出
R－S编码器#I
注：开关S1和S2同步地循环步进，并且在每个编码器位置上停留1个R－S符号的持续时间。
图2 R－S交错编码框图
6.3.4 最大码块长度
最大码块长度Lmax＝nI＝(2J－1)I＝255I。当交错深度I＝5时，Lmax＝255×5＝1275个符号。
6.3.5 长度缩短的码块
当数据块(帧)长度小于(n－2E)I个符号时，须使用短的码块，但缩短的长度只能是整数个8I bit。另外由于译码器总是对完整的码块进行译码，为此需引入“虚拟填充”。
6.3.6 虚拟填充
虚拟填充只是在逻辑上完成R－S码块，其使用规则如下：
a) 由全“0”组成；
b) 虚拟填充不在信道上发送，也不出现在编码器输入端和译码器的输出端，而只是设置在编、译码器中；
c) 译码器在跟踪过程中不改变虚拟填充的长度；
d) 虚拟填充仅插入在码块同步标识与码块中的有效数据之间；
e) 虚拟填充的长度只能是8Ibit的整数倍。
6.3.7 同步标识字
为了区分不同的R－S码块，在每个R－S码块之前都必须附加同步标识字，同步标识字的长度为32bit，如下所示：
二进制：0001 1010 1100 1111 1111 1100 0001 1101
十六进制：1ACFFC1D
注：同步标识字不包括在R－S码块之内，另外，同步标识字同时作为逼测传送帧与R－S码块的同步识别标志。
6.3.8 R－S码块的结构
R－S码块的结构如图3所示。码块中传送帧的结构应符合GJB 1198.6A－2004的规定。
R－S码块结构的使用规则为：
a) 同步标识仅是为识别码块的起始和结束边界，它并不属于码块本身的组成部分。同步标识可以在遥测传输帧产生时插入，也可在进行R－S编码时插入；
b) 码块结构的数据域定义是与本标准的第6部分《航天器测控和数据管理 分包遥测》对遥测传输帧的定义和结构是一致的。分包遥测的每一个传输帧将通过R－S编码器构造为一个相应的R－S码块。不包括同步标识，传输帧的最大长度为223×5×8＝8920bit；
c) 不包括同步标识，R－S码块的最大长度255×I×8bit；当I＝5时，码块最大长度为10200bit；
d) 由于R－S译码器仅能对完整的R－S码块正确译码，当实际的传输帧数据长度小于完整码块所要求的长度时，就要对相应的R－S编码器和译码器进行虚拟填充长度的设置。鉴于虚拟填充部分并不在信道上传送的情况，就导致了实际传送的物理码块与包括填充部分在内的完整码块间的差异。另外，包括填充部分在内的完整码块也称为逻辑码块，逻辑码块的长度为255×I×8bit。

同步标识
传送的码块
同步
传送帧或数据块(未编码的)
R－S校验符号
虚拟填充(可选)
逻辑码块
图3 R－S码块结构
7 具有信道编码的航天器遥测系统
7.1 航天器遥测信道编码体制
航天器遥测系统信道编码可以采用下述任一体制：
a) 卷积编码单独使用；
b) R－S编码单独使用；
c) 以卷积码为内码，以R－S码为外码的级联信道编码系统。
若卷积码单独使用时，一旦信道传输差错超出了卷积码的纠错能力，那么在译码器的输出端就会产生一连串差错。因此在这种情况下一般应采用CRC检错码，并将CRC的16比特校验字作为遥测传送帧的最后两个字节，以便在接收端确认各帧接收数据的正确性。
另外，若在系统中没有使用信道编码，也应对遥测传送帧采用CRC检错码，以便在接收端确认各帧接收数据的正确性。
关于CRC检错码应用的进一步信息参见附录C。
7.2 级联信道编码系统框图
级联信道编码系统框图如图4所示。R－S编码和卷积编码并不能保证输出比特流中含有足够的跳变沿密度，为保证同步信号的检出，图4中示出了两个可选的解决跳变密度的方框。对相位模糊问题，可以采用不归零传号码，也可以采用伪随机化的方法解决。

输入数据(传输帧)
R－S编码和交错
伪随机化/NRZ－M变换
可选
卷积编码
调制
信道
噪声
解调
符号检测和同步器
Viterbi译码器
解相位模糊/去伪随机化
R－S译码和去交错
译码输出数据
图4 级联信道编码系统原理框图
7.3 被编码的比特流形式；
被编码的比特流形式要求如下：
a) 本部分所述的卷积码为透明码，因此卷积编码器输入的比特流形式可为NRZ－L或NRZ－M信号；
b) 本部分所述的R－S码通常并不具有透明性，因此R－S编码器的输入应为NRZ－L码型的PCM信号。
7.4 伪随机化
为保证传送的二进制比特流中有足够的电平跳变密度，可以对R－S码块或传送帧进行伪随机化，但对同步标识不能伪随机化。伪随机序列的生成多项式为：
h(x)＝x8＋x7＋x5＋x3＋1 (9)
式中：
h(x)——伪随机序列的生成多项式。
该伪随机序列的长度为255比特。伪随机序列从码块或传送帧的第一个比特开始，经过一个伪随机序列周期的循环(255比特)后继续重复循环，直到码块或传送帧的结束为止。
伪随机序列的第一个比特与码块或传送帧的第一个比特进行异或运算，伪随机序列的第二个比特与码块或传送帧的第二个比特进行异或运算，依次类推。
伪随机化的逻辑框图如图5所示。伪随机序列发生器开始输出第一个比特之前，反馈移位寄存器的各级初始化为全‘1’状态。

数据输入(码块或传送帧)
输出(伪随机化的码块或传送帧)
伪随机序列
每一码块或传送帧的同步标识码发送期间，对移位寄存器初始化为全‘1’状态
模二加法器
比特延迟
图5 伪随机化逻辑框图