□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?；鹦擒?、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，責任也很重大。風險高、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。