7月23日12時41分，中國首次火星探測任務“天問一號”探測器，在海南島東北海岸中國文昌航天發射場，由長征五號遙四運載火箭發射升空。此次發射掀開中國自主開展行星探測新篇章，成為我國深空探索全新的里程碑。西安電子科技大學通信工程學院李雲松教授所負責的圖像傳輸與處理團隊參與了本次火星探測中多個科學載荷的圖像和數據壓縮任務。

　　致力於探測器圖像與數據壓縮

　　將“天問”的答案“打包”回傳

　　相對於地球的近鄰“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據“看得清”“收得回”，數據壓縮必不可少。

　　“地球與火星距離最遠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，信噪比就很低了，有效傳輸速率很低。”李雲松介紹説。

　　此次發射的火星探測器共搭載了13台科學載荷即探測儀器，涉及空間環境探測、火星表面探測、火星表層結構探測等領域。其中，火星環繞器攜帶7台，火星車攜帶6台，它們的科學目標是實現對火星的表面形貌、土壤特性、物質成分、水冰、大氣、電離層、磁場等進行科學探測，進而有利於建立起對火星全面而基礎的認識。

　　“探測器與地面的信號傳輸方式是無線數傳。火星車、環繞器上的天線發射信號，地面天線接收器接收信號，形成了信息傳輸的物理鏈路。”李雲松介紹説。

　　“這條物理鏈路就相當於我們修了一條路，數據就是在這條路上要運輸的貨物。問題在於，想運送的東西很多，道路卻很窄。這麼一來，要麼是修寬路，要麼是把貨物進行處理。我們做的工作就是把貨物壓得緊一點。這樣就能在有限的頻寬下，傳輸更多東西。”對團隊承擔的工作，李雲松打了一個形象的比喻。

　　“雖然數據壓縮得越小，就越方便信息傳送，但壓得太小可能就會有損耗，不能完全恢復原來的數據。好比要快遞一條被子，把它壓緊了，所佔的空間就會小一點。回來一打開它又恢復到原來的狀態，這就是所謂的‘無損’。但若是快遞一盆花，枝葉很多，有的地方可能就要裁剪以後再運輸，那它就跟原來就不一樣了。這就要考慮，怎樣做才能盡可能地沒有損害。”李雲松進一步解釋説。

　　採訪中記者了解到，天問一號將是我國自主發射的第一顆火星任務，是絕對的重磅出擊——一次探測，就要在完全陌生的火星環境實現火星環繞、火星表面降落、巡視探測三大任務。這樣高起點、高難度的挑戰，在世界航天史上是首例。按照計劃，探測器將在地火轉移軌道飛行約7個月後，到達火星附近，通過“剎車”完成火星捕獲，進入環火軌道，並擇機開展著陸、巡視等任務，進行火星科學探測。

　　參與全部5項壓縮任務

　　資源受限下實現性能提升

　　“這次是我們處理數據類型最多的一次，有可見光的、高光譜的，還有雷達的，每種類型對壓縮的要求都不一樣。火星探測一共是13個科學載荷，其中有5個載荷是需要進行數據壓縮的，我們參與了全部壓縮任務。”李雲松表示。這些探測設備，就是在深空中人類感知的極大延伸，充當人類在火星上的“眼耳鼻舌”，幫助我們更好更精準地認識火星。如何確保圖像和數據壓縮品質？針對不同數據類型和壓縮要求，李雲松團隊提出了不同的解決模組——

　　團隊研發了中解析度相機和高解析度相機壓縮模組，首次在我國航天器上使用300萬門FPGA實現了基於JPEG2000演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，相比于現有深空探測衛星遙感圖像編碼器來説具有最好的圖像壓縮效率。

　　團隊研發了礦物光譜分析儀圖像壓縮模組，針對火星礦物光譜分析儀圖像譜段數據分佈不均勻特性，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，在整體頻寬受限情況，確保了重點光譜數據無失真編碼。

　　團隊研發了環繞器次表層探測雷達原始數據壓縮模組，根據SAR數據的統計特性以及次表層回波小信號的保留要求，提出了在受限資源情況下可靠壓縮軟硬體方案，可對數據進行無損壓縮、1.5倍-2.5倍有損壓縮。

　　團隊還承擔了國家科技創新2030“新一代人工智能”重大項目“地外探測無人系統自主智慧精準感知與操控”中的圖像分割、檢測、定位、跟蹤和識別子課題。預計到2022年左右載入到火星車上，將顯著提升中國火星車的自主能力。

　　在數據傳輸頻寬和硬體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品質和速度。“圖像和數據壓縮的部分核心演算法在探月、對地觀測中都已經檢驗過了。此次我們面臨的主要挑戰還是資源受限下進一步提高壓縮效率的問題。我們做的，就是在處理資源非常少的情況下，針對不同數據特性和品質要求設計高性能壓縮，不斷優化演算法，開發性能又好、複雜度又低、安全性和可靠性又高的演算法。”李雲松解釋説。

　　傳承探月精神 擁抱星辰大海

　　與國家需求和實際應用緊密結合，正是李雲松及其團隊開展科學研究的重要前提和最終目標。此次承擔探火工程科研任務，離不開李雲松團隊多年來在深空探測領域的持續耕耘。

　　從2007年到2018年，嫦娥一號到四號通過四次任務逐步實現了月球的環繞、著陸和巡視。後期計劃發射的嫦娥五號還計劃實現從月球返回的目標。在探月工程“繞落回”三大步中，每一步都凝聚著李雲松團隊的智慧。

　　自從事星載圖像、視頻壓縮編碼的研究以來，李雲松團隊始終圍繞國家航天領域重大需求，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體系統實現方法，解決了我國現階段衛星圖像數據傳輸和存儲的瓶頸問題，在滿足圖像品質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。團隊成功完成探月工程的各項任務，相關成果還獲得2012年國家科技進步二等獎

　　在探月過程中的技術積累和實戰經驗，是李雲松團隊完成中國火星任務和接下來深空任務的最寶貴財富。“航天標準要求很高，責任也很重大。風險高、週期長、難度大，研發、生産、測試、維護，都要一步一個腳印，確保百分百成功。”

　　“希望能順利到達。希望在後續通過智慧化處理技術，讓我們的火星車能夠行走的更快更穩。”李雲松向“天問一號”送出美好祝願。（西安報業全媒體記者 任娜 姜泓 通訊員 付一楓）