□來昌榮 雷文姣 付一楓

　　2020年7月23日12時41分，中國首次火星探測任務(wù)“天問一號”探測器，在海南島東北海岸中國文昌航天發(fā)射場，由長征五號遙四運載火箭發(fā)射升空。此次發(fā)射掀開了中國自主開展行星探測的新篇章，成為我國深空探索全新的里程碑。西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院李云松教授所負責(zé)的圖像傳輸與處理團隊參與了此次火星探測中多個科學(xué)載荷的圖像和數(shù)據(jù)壓縮任務(wù)。

　　?將“天問”的答案打包“回傳”

　　相對于地球的近鄰月球，火星的距離實屬遙遠。想要讓火星探測到的各類圖像和數(shù)據(jù)“看得清”“收得回”，數(shù)據(jù)壓縮必不可少。

　　“地球與火星的距離最遠4億公里，最近時也有近6000萬公里。因為能量的損耗是與傳輸距離的平方成反比的，這樣就意味著信號衰減很厲害，信噪比很低，有效傳輸?shù)乃俾示秃艿汀?rdquo;李云松介紹說。此次發(fā)射的火星探測器共搭載了13臺科學(xué)載荷即探測儀器，涉及空間環(huán)境探測、火星表面探測、火星表層結(jié)構(gòu)探測等領(lǐng)域。探測器與地面的信號傳輸方式是無線數(shù)傳。火星車、環(huán)繞器上的天線發(fā)射信號，地面天線接收器接收信號，形成了信息傳輸?shù)奈锢礞溌贰?/p>

　　“這條物理鏈路就相當(dāng)于我們修了一條路，數(shù)據(jù)就是在這條路上要運輸?shù)呢浳铩栴}在于，想運送的東西很多，道路卻很窄。這么一來，要么是修寬路，要么是把貨物進行處理。我們做的工作就是把貨物壓得緊一點。這樣就能在有限的帶寬下，傳輸更多東西。”對團隊承擔(dān)的工作，李云松打了一個很形象的比喻。

　　?對全部任務(wù)給出完美解決方案

　　李云松表示，這次參與火星探測任務(wù)是團隊處理數(shù)據(jù)類型最多的一次，有可見光、高光譜、雷達，每種類型對壓縮的要求都不一樣。火星探測共有13個科學(xué)載荷，其中有5個載荷是需要進行數(shù)據(jù)壓縮的，他的團隊參與了全部壓縮任務(wù)。

　　如何確保圖像和數(shù)據(jù)壓縮質(zhì)量?針對不同數(shù)據(jù)類型和壓縮要求，李云松團隊提出了不同的解決模塊：團隊研發(fā)了中分辨率相機和高分辨率相機壓縮模塊，首次在我國航天器上使用300萬門FPGA實現(xiàn)了基于JPEG2000算法的圖像壓縮和處理功能，支持有損壓縮和無損壓縮，支持多種圖像模式和多個壓縮比進行壓縮;研發(fā)了礦物光譜分析儀圖像壓縮模塊，提出了一種混合頻段分析的光譜圖像壓縮方法，解決了不同維度光譜像素級有損無損混合壓縮問題，在整體帶寬受限的情況下，確保了重點光譜數(shù)據(jù)無失真編碼;研發(fā)了環(huán)繞器次表層探測雷達原始數(shù)據(jù)壓縮模塊，提出了在受限資源情況下可靠壓縮軟硬件方案，可對數(shù)據(jù)進行無損壓縮、1.5倍—2.5倍有損壓縮。

　　在數(shù)據(jù)傳輸帶寬和硬件資源受限的極端情況下，圖像壓縮的效率影響我們獲取圖像的質(zhì)量和速度。“我們做的，就是在處理資源非常少的情況下，針對不同數(shù)據(jù)特性和質(zhì)量要求設(shè)計高性能壓縮，不斷優(yōu)化算法，開發(fā)性能又好、復(fù)雜度又低、安全性和可靠性又高的算法。”李云松解釋說。

　　?國家的需要就是科研的方向

　　與國家需求和實際應(yīng)用緊密結(jié)合，是李云松及其團隊開展科學(xué)研究的重要前提和最終目標。此次承擔(dān)探火工程科研任務(wù)，離不開李云松團隊多年來在深空探測領(lǐng)域的持續(xù)耕耘。

　　自從事星載圖像、視頻壓縮編碼的研究以來，李云松團隊始終圍繞國家航天領(lǐng)域重大需求，深入研究可見光全色圖像、多光譜圖像、立體圖像、紅外圖像和視頻圖像等各類衛(wèi)星遙感圖像的成像特性分析、高效壓縮編碼方法以及高速星載硬件系統(tǒng)實現(xiàn)方法，解決了我國現(xiàn)階段衛(wèi)星圖像數(shù)據(jù)傳輸和存儲的瓶頸問題，在滿足圖像質(zhì)量要求的前提下提高了壓縮比和圖像壓縮解壓縮實時處理能力。

　　2007年至2018年，通過嫦娥一號到四號的四次任務(wù)，逐步實現(xiàn)了月球的環(huán)繞、著陸和巡視。后期計劃發(fā)射的嫦娥五號還計劃實現(xiàn)從月球返回的目標。在探月工程“繞落回”三大步中，每一步都凝聚著李云松團隊的智慧。在探月過程中的技術(shù)積累和實戰(zhàn)經(jīng)驗，是李云松團隊完成中國火星探測任務(wù)和接下來深空任務(wù)的最寶貴財富。“航天標準要求很高，責(zé)任也很重大。風(fēng)險高、周期長、難度大，研發(fā)、生產(chǎn)、測試、維護，都要一步一個腳印，確保百分之百成功。”李云松說

　　“希望能順利到達。希望在后續(xù)通過智能化處理技術(shù)，讓我們的火星車能夠行走得更快更穩(wěn)。”李云松向“天問一號”送出美好祝愿。