希望我们的火星车能够行走得更快更稳 记参与火星探测图像和数据压缩任务的西安电子科技大学李云松团队
□来昌荣雷文姣付一枫
2020年7月23日12时41分，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场，由长征五号遥四运载火箭发射升空。此次发射掀开了中国自主开展行星探测的新篇章，成为我国深空探索全新的里程碑。西安电子科技大学通信工程学院李云松教授所负责的图像传输与处理团队参与了此次火星探测中多个科学载荷的图像和数据压缩任务。
?将“天问”的答案打包“回传”
相对于地球的近邻月球，火星的距离实属遥远。想要让火星探测到的各类图像和数据“看得清”“收得回”，数据压缩必不可少。
“地球与火星的距离最远4亿公里，最近时也有近6000万公里。因为能量的损耗是与传输距离的平方成反比的，这样就意味着信号衰减很厉害，信噪比很低，有效传输的速率就很低。”李云松介绍说。此次发射的火星探测器共搭载了13台科学载荷即探测仪器，涉及空间环境探测、火星表面探测、火星表层结构探测等领域。探测器与地面的信号传输方式是无线数传。火星车、环绕器上的天线发射信号，地面天线接收器接收信号，形成了信息传输的物理链路。
“这条物理链路就相当于我们修了一条路，数据就是在这条路上要运输的货物。问题在于，想运送的东西很多，道路却很窄。这么一来，要么是修宽路，要么是把货物进行处理。我们做的工作就是把货物压得紧一点。这样就能在有限的带宽下，传输更多东西。”对团队承担的工作，李云松打了一个很形象的比喻。
?对全部任务给出完美解决方案
李云松表示，这次参与火星探测任务是团队处理数据类型最多的一次，有可见光、高光谱、雷达，每种类型对压缩的要求都不一样。火星探测共有13个科学载荷，其中有5个载荷是需要进行数据压缩的，他的团队参与了全部压缩任务。
如何确保图像和数据压缩质量？针对不同数据类型和压缩要求，李云松团队提出了不同的解决模块：团队研发了中分辨率相机和高分辨率相机压缩模块，首次在我国航天器上使用300万门FPGA实现了基于JPEG2000算法的图像压缩和处理功能，支持有损压缩和无损压缩，支持多种图像模式和多个压缩比进行压缩；研发了矿物光谱分析仪图像压缩模块，提出了一种混合频段分析的光谱图像压缩方法，解决了不同维度光谱像素级有损无损混合压缩问题，在整体带宽受限的情况下，确保了重点光谱数据无失真编码；研发了环绕器次表层探测雷达原始数据压缩模块，提出了在受限资源情况下可靠压缩软硬件方案，可对数据进行无损压缩、1.5倍—2.5倍有损压缩。
在数据传输带宽和硬件资源受限的极端情况下，图像压缩的效率影响我们获取图像的质量和速度。“我们做的，就是在处理资源非常少的情况下，针对不同数据特性和质量要求设计高性能压缩，不断优化算法，开发性能又好、复杂度又低、安全性和可靠性又高的算法。”李云松解释说。
?国家的需要就是科研的方向
与国家需求和实际应用紧密结合，是李云松及其团队开展科学研究的重要前提和最终目标。此次承担探火工程科研任务，离不开李云松团队多年来在深空探测领域的持续耕耘。
自从事星载图像、视频压缩编码的研究以来，李云松团队始终围绕国家航天领域重大需求，深入研究可见光全色图像、多光谱图像、立体图像、红外图像和视频图像等各类卫星遥感图像的成像特性分析、高效压缩编码方法以及高速星载硬件系统实现方法，解决了我国现阶段卫星图像数据传输和存储的瓶颈问题，在满足图像质量要求的前提下提高了压缩比和图像压缩解压缩实时处理能力。
2007年至2018年，通过嫦娥一号到四号的四次任务，逐步实现了月球的环绕、着陆和巡视。后期计划发射的嫦娥五号还计划实现从月球返回的目标。在探月工程“绕落回”三大步中，每一步都凝聚着李云松团队的智慧。在探月过程中的技术积累和实战经验，是李云松团队完成中国火星探测任务和接下来深空任务的最宝贵财富。“航天标准要求很高，责任也很重大。风险高、周期长、难度大，研发、生产、测试、维护，都要一步一个脚印，确保百分之百成功。”李云松说
“希望能顺利到达。希望在后续通过智能化处理技术，让我们的火星车能够行走得更快更稳。”李云松向“天问一号”送出美好祝愿。
新闻推荐
本报记者梁爽7月6日21时10分，韩某驾驶摩托车行驶至吉祥西路与永松路十字路口时，因未与前车保持安全距离且未及时采取制动措...
西安新闻，新鲜有料。可以走尽是天涯，难以品尽是故乡。距离西安再远也不是问题。世界很大，期待在此相遇。