CN102882636A - 一种卫星分包遥测数据无损压缩方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卫星分包遥测数据无损压缩方法，步骤如下：(1)在卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中存放上一次获取的遥测数据包，在得到最新的遥测数据包后，将两个遥测数据包进行比较，如果最新的遥测数据包中的数据均没有发生变化，则将最新的遥测数据包的包头下传至地面站；如果最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数没有超过遥测包长度的1/2，则仅将数据包中发生变化的字节下传；如果最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数超过了遥测包长度的1/2，则将最新的遥测数据包全部下传，本发明可以将误码扩散限制在两个字节以内，有效抑制了传输误码扩散。

Description

一种卫星分包遥测数据无损压缩方法

技术领域

本发明提出一种卫星分包遥测数据无损压缩方法，可作为航天器分包遥测数据压缩的一种方法，可广泛应用于深空探测器、科学试验卫星等多种需要进行遥测数据压缩的航天器。

背景技术

卫星在轨飞行后，遥测信道与数传信道是卫星数据下传的窗口，一般数传信道传输的数据是经过压缩的载荷数据，而遥测信道则用于传输不压缩的遥测数据。由于卫星的工作模式越来越复杂，需要的卫星遥测也越来越多，目前已经有卫星型号提出了更高遥测码速率的要求。遥测码速率的提高带来的是发射功率的提高，从而需要消耗更多的能源，射频功率部件也需要进一步的升级，成本的提高是必然的。如何能够在扩容遥测信道的同时而不增加卫星的消耗与成本，成为遥测数据压缩需要解决的问题。

深空探测任务带来的往往是远程通信的难题，需要卫星大幅度地提高发射功率，因此如果能够对遥测数据进行压缩，将使得卫星任务能够更高质量地完成。

另外，有些科学技术试验小卫星(如美国ST-5等)将遥测信道和数传信道合一，利用统一的射频通道下传数据，因此遥测数据的压缩将会给科学技术试验带来更多的有效数据，更好地配合科学任务的完成。

遥测数据压缩面临的最大难题是信道误码带来的误码扩散问题，传统压缩算法将多字节数据打包处理，一比特的错误将带来一包数据的错误，极大地影响了遥测数据的可信度，也使得遥测压缩算法迟迟得不到飞行验证的机会。

从调研来看，国内外对遥测数据的压缩均采取保守的态度，认为遥测数据压缩将有可能导致任务风险，因此在轨卫星很少采用对遥测数据的压缩。小卫星仅针对实时遥测数据进行了抽样提取形成延时遥测。

火箭遥测数据压缩与卫星相似，均面临防误码扩散的问题，国内学者早在2001年即在期刊上发表了运载火箭遥测数据压缩算法的文章，提出了分块编码、固定码长输出的压缩方案。该方案采用固定码长输出，具有较强的抗误码扩散能力，能够在不影响遥测基本数据测量可靠性的前提下提高火箭遥测系统的有效性。原文见“谌德荣，李京红，周国勇.运载火箭遥测数据压缩算法设计.宇航学报，2001.3，22(5)，12-17”。

CCSDS推荐使用基于熵编码的无损压缩算法进行图像数据和非图像数据的压缩，该算法首先将数据进行分组预处理，然后进行熵编码，剔除数据的冗余性，并根据数据特性调整压缩编码码组，达到最常用的码字以最少的比特传送的目的，以最大可能地压缩数据。原文见“CCSDS Secretariat.LOSSLESS DATA COMPRESSION.CCSDS GREEN BOOK，CCSDS120.0-G-2，December2006”。

Jose-Antonio等人对欧空局发射的Rosetta彗星探测卫星的在轨遥测数据进行了研究，发现其中有大量的冗余信息，利用计算机领域常用的7zip、WinZip等软件即可对该遥测数据进行大尺度的无损压缩。原文见“[3]José-Antonio，Martinez-Heras，David Evans，etc.HousekeepingTelemetry Compression：When，how and why bother.2009 FirstInternational Conference on Advances in Satellite and SpaceCommunications，2009，IEEE DOI 10.1109/SPACOMM”。

中国空间技术研究院载人总体部冻伟东高工总结了各类遥测数据的特点，并结合各自的特点提出了信源组帧、分类压缩的建议，为遥测数据压缩提供了新思路。原文见“[4]冻伟东，鲜峰，吕晔.实时遥测数据信源压缩技术.计算机测量与控制，2011.19(5)，1120-1123”。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种小卫星分包遥测数据无损压缩方法，该方法采用以遥测数据包为单位的压缩方法，只对遥测数据包的数据域进行改造，压缩后的数据在遇到信道误码时，可以将误码扩散限制在两个字节以内，有效抑制了传输误码扩散。

本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：

一种卫星分包遥测数据无损压缩方法，包括如下步骤：

(1)在卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中存放上一次获取的遥测数据包，在得到最新的遥测数据包后，将两个遥测数据包进行比较，如果最新的遥测数据包中的数据均没有发生变化，则进入步骤(2)；如果卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中设置的遥测包相异字节计数器显示，最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数没有超过了所述遥测包长度的1/2，则进入步骤(3)；如果卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中设置的遥测包相异字节计数器显示，最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数超过了所述遥测包长度的1/2，则进入步骤(4)；

(2)卫星仅将最新的遥测数据包的包头下传至地面站，并将最新的遥测数据包有效数据长度改为0～65535；

(3)卫星仅将最新的遥测数据包中发生变化的数据字节下传至地面站，未发生变化的数据字节不下传，同时将最新的遥测数据包更新至遥测包缓冲区，最新的遥测数据包有效数据长度改为1～65536；其中对于发生变化的字节，通过“位置+数据”的方式记录在下传的遥测数据包中，所述位置信息与数据字节均占一个字节。

(4)卫星将最新的遥测数据包全部下传至地面站，不进行数据压缩，最新的遥测数据包有效数据长度改为1～65536。

在上述小卫星分包遥测数据无损压缩方法中，卫星下传至地面站的遥测帧中可能包括压缩后的数据包，也可能包括有未压缩的数据包，需要在遥测数据包包类型字段予以标识，未压缩遥测数据包包类型设置为0，压缩后的遥测数据包包类型设置为1。

在上述小卫星分包遥测数据无损压缩方法中，每间隔一定时间卫星向地面站下传原始未压缩数据，以使地面站的遥测能够准确地与卫星同步，所述时间间隔可根据需要设定。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

(1)本发明提出的遥测数据压缩方法采取分包提取、剔除冗余的方式，未发生变化的字节不进行数据传送，减少了无线数据传输导致误码的概率，使得压缩算法对误码扩散的影响降低到可控范围内(最多两个字节)，因而具有较高的应用价值；

(2)本发明利用了遥测数据的数据冗余，通过简便的方法对遥测数据包的数据域进行改造，即采用以遥测数据包为单位的压缩方法，只对遥测数据包的数据域进行改造，压缩后的数据在遇到信道误码时，可以将误码扩散限制在两个字节以内，有效抑制了传输误码扩散；

(3)本发明数据无损压缩方法对遥测数据包进行数据压缩，重新组织遥测数据包，只保留发生变化的字节，丢弃保持不变的字节，从而达到数据压缩的目的，该方法具有简单实用、可靠、高效的特点；

(4)本发明数据无损压缩方法可作为航天器分包遥测数据压缩的一种方法，可广泛应用于深空探测器、科学试验卫星等多种需要进行遥测数据压缩的航天器。

附图说明

图1为本发明提出的遥测压缩算法示例；

图2为本发明压缩后的遥测包中的位置信息出现误码的情况示例1；

图3为本发明压缩后的遥测包中的位置信息出现误码的情况示例2。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：

卫星遥测数据大致可分为几类：状态量遥测、模拟量遥测、周期变化遥测等。状态量遥测包括了开关机状态、A/B机当班状态、A/B总线状态等，该类遥测在很长一段内保持不变。模拟量遥测包括了温度、电压、电流等，该类遥测一般为长期缓变，随着外热流的变化缓慢升高或降低。周期变化遥测包含了姿态数据、轨道数据等，该类遥测呈现周期性变化的特征。从总体上来看，卫星遥测数据冗余量很大，主要体现在很多遥测量(如开关机状态)等在长时间内保持不变或变化很小，因此只要将这些冗余量去除一部分，即可达到数据压缩的目的。

根据CCSDS对分包遥测的定义，遥测数据包格式如下表1所示，包括包主导头和数据域，其中各部分的含义解释如下：

包版本号：占用3位，指明分包遥测协议的版本号，一般为000

包类型：占用1位，用于区分该数据的类型，如区分遥测包、遥控包、压缩包等

副导头标志：占用1位，用于指示遥测包中有无副导头，如果有则填1，并在数据域填充副导头

应用过程识别：占用11位，用于识别该遥测包代表的应用过程识别，如姿控遥测包

顺序标志：占用2位，用于指示该遥测包是否分段

包顺序计数或包名称：占用14位，用于对遥测包进行计数或指示遥控包的名称

包长：占用16位，指明遥测包数据域的长度，一般为有效数据长度-1。

数据域：包含副导头和有效数据，长度为1～65536可变。

表1

本发明分包遥测以数据包为单位，通过虚拟信道调度形成遥测帧，针对遥测数据包进行数据压缩，重新组织遥测数据包，只保留发生变化的字节，丢弃保持不变的字节，从而达到数据压缩的目的。遥测数据包包括了包头和有效数据两部分，包头用于识别该遥测包在遥测帧中的位置，不可或缺，因此数据压缩只针对有效数据进行，包头部分仅需要进行适应性改造。

本发明卫星分包遥测数据无损压缩方法，具体包括如下步骤：

在卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中存放上一次获取的遥测数据包，对每一种遥测数据包均保留足够长度的缓冲区，在得到最新的遥测数据包后，将两个遥测数据包进行比较，如果最新的遥测数据包中的数据均没有发生变化，则执行如下步骤(a)：

(a)、卫星仅将最新的遥测数据包的包头下传至地面站，并将最新的遥测数据包有效数据长度改为0～65535。包头的取值范围从1～65536改为0～65535，包头的取值设置为该包数据的有效数据长度，而非有效数据长度-1，如果遥测数据包中的数据均没有发生变化，那么该字段设置为0。

如果卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中设置的遥测包相异字节计数器显示，最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数没有超过所述遥测包长度的1/2，则执行如下步骤(b)：

(b)、卫星仅将最新的遥测数据包中发生变化的数据字节下传至地面站，未发生变化的数据字节不下传，同时将最新的遥测数据包更新至遥测包缓冲区，最新的遥测数据包有效数据长度改为1～65536；其中对于发生变化的字节，通过“位置+数据”的方式记录在下传的遥测数据包中，位置信息与数据字节均占一个字节。如上表1所示，由于现有的遥测设计时，遥测包的长度一般不超过255，如果在今后的设计中遥测包的长度超过了单字节的最大数值255，那么需要给予位置信息更多字节。

如果卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中设置的遥测包相异字节计数器显示，最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数超过了所述遥测包长度的1/2，则执行如下步骤(c)：

(c)、卫星将最新的遥测数据包全部下传至地面站，不进行数据压缩，最新的遥测数据包有效数据长度改为1～65536。因为位置信息与数据字节均占一个字节，为2个字节，如果数据压缩后下传，数据字节会更多。

由于下传的遥测帧中可能包括压缩后的数据包，也可能包括有未压缩的数据包，二者在有效数据长度上是不一致的，未压缩的包有效数据长度为1～65536，压缩后的包有效数据长度为0～65535，因此需要在包类型字段予以标识。未压缩遥测数据包包类型设置为0，压缩后的遥测数据包包类型设置为1。

为使得地面站的遥测能够准确地与卫星同步，要求每间隔一定时间下传原始未压缩数据，该时间间隔可根据需要设定，没有特殊要求，例如为1天1次，每次5分钟即可。

实施例1

如图1所示为本发明提出的遥测压缩算法示例，在卫星获得最新的遥测数据后，与缓冲区的数据进行比对，提取出发生变化的字节，按照“位置+数据”的方式排列，作为该遥测包中的有效数据下传到地面站，如图1中的下传遥测数据所示，该遥测数据包的包长设置为0x000A，包类型设置为1。

图1中最新的遥测数据与缓冲区数据比较，发生变化的数据为：80、66、33、01、0F，下传的遥测数据按照“位置+数据”的方式排列：0180046607330g010AOF，其中“01”表示数据“80”的位置，“04”表示数据“66”的位置，“07”表示数据“33”的位置，“09”表示数据“01”的位置，“0A”表示数据“0F”的位置。

实施例2

假设实施例1中卫星在无线信道传输过程中遥测包位置信息出现了误码，如2所示为本发明压缩后的遥测包中的位置信息出现误码的情况示例1，那么该原来位置0x07所在字节将变为0x00，而0x17所在字节将变为0x33，该误码只影响了两个字节。

实施例3

假设实施例1中卫星在无线信道传输过程中遥测包数据信息出现了误码，如图3所示为本发明压缩后的遥测包中的位置信息出现误码的情况示例2，位置0x07处的值由0x33变为了0x31，该处误码不会对其它字节造成影响，因此该误码只影响了一个字节。

本发明遥测数据压缩方法采取分包提取、剔除冗余的方式，未发生变化的字节不进行数据传送，减少了无线数据传输导致误码的概率，压缩后的数据在遇到信道误码时，可以将误码扩散限制在两个字节以内(最多两个字节)，有效抑制了传输误码扩散，因而具有较高的应用价值。

本发明数据无损压缩方法可作为航天器分包遥测数据压缩的一种方法，可广泛应用于深空探测器、科学试验卫星等多种需要进行遥测数据压缩的航天器，特别适用于各种卫星，包括一吨以下的小卫星。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种卫星分包遥测数据无损压缩方法，其特征在于：包括如下步骤：

(1)在卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中存放上一次获取的遥测数据包，在得到最新的遥测数据包后，将两个遥测数据包进行比较，如果最新的遥测数据包中的数据均没有发生变化，则进入步骤(2)；如果卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中设置的遥测包相异字节计数器显示，最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数没有超过了所述遥测包长度的1/2，则进入步骤(3)；如果卫星星务中心计算机的遥测数据包缓存区中设置的遥测包相异字节计数器显示，最新的遥测数据包中发生变化的数据的计数超过了所述遥测包长度的1/2，则进入步骤(4)；

(2)卫星仅将最新的遥测数据包的包头下传至地面站，并将最新的遥测数据包有效数据长度改为0～65535；

(3)卫星仅将最新的遥测数据包中发生变化的数据字节下传至地面站，未发生变化的数据字节不下传，同时将最新的遥测数据包更新至遥测包缓冲区，最新的遥测数据包有效数据长度改为1～65536；其中对于发生变化的字节，通过“位置+数据”的方式记录在下传的遥测数据包中，所述位置信息与数据字节均占一个字节。

(4)卫星将最新的遥测数据包全部下传至地面站，不进行数据压缩，最新的遥测数据包有效数据长度改为1～65536。

2.根据权利要求1所述的一种小卫星分包遥测数据无损压缩方法，其特征在于：卫星下传至地面站的遥测帧中可能包括压缩后的数据包，也可能包括有未压缩的数据包，需要在遥测数据包包类型字段予以标识，未压缩遥测数据包包类型设置为0，压缩后的遥测数据包包类型设置为1。

3.根据权利要求1所述的一种小卫星分包遥测数据无损压缩方法，其特征在于：每间隔一定时间卫星向地面站下传原始未压缩数据，以使地面站的遥测能够准确地与卫星同步，所述时间间隔可根据需要设定。

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