专利名称：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. O-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] Jos6_Antonio, Martinez-Heras,David Evans, etc.Housekeeping Telemetry Compression When, how and whybother.2009 First International Conference on Advances in Satellite and SpaceCommunications，2009，IEEE DOI 10. 1109/SPAC0MM”。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(I)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O 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I 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I 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I。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(I)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。
图I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I ;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。
具体实施例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I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I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I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-I。数据域包含副导头和有效数据，长度为I 65536可变。表I
权利要求
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O 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I 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I 65536。
2.根据权利要求I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O，压缩后的遥测数据包包类型设置为I。
3.根据权利要求I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。
全文摘要
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。
文档编号H04L1/00GK102882636SQ20121032981
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月7日 优先权日2012年9月7日
发明者李国军, 伍保峰, 施思寒, 史简 申请人:航天东方红卫星有限公司