2. 任务载荷数据采集与传输链路

任务载荷数据从传感器产生到地面站可用，中间要经过采集、组帧、遥测下行、时间同步等多个环节。任何一个环节的参数设置不当或状态异常，都会在最终数据中表现为丢帧、错帧、时间戳跳变或数值越界。理解这条链路的组成与常见异常来源，是后续异常检测与恢复的前提。

一、载荷传感器类型与数据特征

任务载荷传感器按输出物理量可分为几类，每类的数据特征直接决定了采集与检测策略。

• 光学成像类：可见光相机、红外相机、多光谱相机。输出为图像帧，单帧数据量大（例如 2048×2048×16bit 约 8MB），对下行带宽和压缩比敏感，异常常表现为整帧丢失、行同步错位、压缩块损坏。
• 雷达类：合成孔径雷达（SAR）、激光雷达。输出为回波采样序列或点云，采样率高，异常常表现为脉冲丢失、距离门偏移、相位不连续。
• 辐射计/光谱类：微波辐射计、高光谱仪。输出为定标后的辐射亮度或光谱曲线，数据率中等，异常常表现为定标系数漂移、通道饱和、暗电流异常。
• 工程遥测类：温度、电压、电流、姿态角、星敏感器四元数。数据率低但采样频率固定，异常常表现为野值、阶跃、缓变漂移。

以某遥感卫星为例，其可见光相机帧频设为 5 fps，每帧 4096×3072×12bit，压缩后约 6MB；星敏感器姿态四元数以 10 Hz 输出；温度遥测以 1 Hz 采样。这些参数决定了链路各环节的带宽分配和缓冲深度。

二、数据采集频率与采样约束

采集频率不是越高越好。它受三个约束：传感器物理响应时间、A/D 转换与缓存写入速度、下行链路可用带宽。工程上通常按奈奎斯特准则确定最低采样率，再留 2～5 倍余量。

例如某振动监测载荷关注 0～200 Hz 的机械振动，按奈奎斯特最低需 400 Hz，实际取 1 kHz 采样，每帧 256 点，帧周期 256 ms。若采样率被误设为 500 Hz，则 200 Hz 附近信号会混叠，频谱上出现虚假低频峰，这类异常在时域看不出来，必须通过频谱检查发现。

采集频率与遥测帧周期之间还存在整数倍关系约束。若采集周期为 256 ms，遥测帧周期为 1 s，则每帧应包含约 3.9 个采集包，实际必须设计为 4 个包或调整帧周期，否则会出现包边界与帧边界错位，导致解包时数据错位。

三、遥测遥控链路与数据帧结构

遥测链路负责下行载荷数据与工程参数，遥控链路负责上行指令。典型帧结构如下：

| 帧同步码 | 帧计数 | 帧类型 | 数据域 | CRC | 帧尾 |
| 2 Byte   | 2 Byte | 1 Byte | N Byte | 2B  | 1B   |

帧同步码用于接收端定位帧起点，帧计数用于检测丢帧，CRC 用于检错。数据域内可再嵌套采集包，每个采集包带自己的包计数和时间戳。常见异常来源包括：帧同步码被误匹配导致假同步、帧计数回绕未处理、CRC 校验失败后整帧丢弃、数据域长度字段与实际不符导致解包越界。

四、时间同步与时间戳

载荷数据必须带时间戳才能与姿态、轨道等辅助数据对齐。时间同步通常采用星上统一时基，由 GPS 秒脉冲或星载原子钟提供。采集时刻的时间戳应在数据包生成时写入，而不是在地面接收时补写。

常见时间同步异常包括：秒脉冲丢失导致时基漂移、时间戳在整秒处跳变、不同载荷时间戳基准不一致、传输延迟未补偿。例如相机曝光时刻与姿态四元数时刻相差 50 ms，若未补偿，几何校正后图像会出现明显错位。

五、链路异常来源总览

下图按信号流向展示从传感器到地面站的主要环节，并标注每个环节的典型异常。图中左侧为星上部分，右侧为地面部分，中间为下行链路。

六、异常检测的切入点

基于上述链路，异常检测可以在三个位置切入：

1. 星上实时检测：在组帧前检查采集包计数连续性、时间戳单调性、数值范围。发现异常可立即标记或触发重传。受星上算力限制，通常只做简单阈值和计数检查。
2. 地面解帧后检测：利用完整帧计数序列检测丢帧，用 CRC 结果统计误码率，用时间戳序列检测跳变和漂移。这是最主要的检测位置。
3. 应用层检测：在时间对齐后，结合姿态、轨道等辅助数据，检测物理量之间的相关性异常，例如图像与姿态不匹配、辐射值与温度不相关等。