閆國(guó)瑞 李志剛 史簡(jiǎn) 趙婷 李國(guó)軍

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

應(yīng)用行程編碼的航天器分包遙測(cè)壓縮算法研究

閆國(guó)瑞 李志剛 史簡(jiǎn) 趙婷 李國(guó)軍

（航天東方紅衛(wèi)星有限公司，北京 100094）

針對(duì)航天器延時(shí)遙測(cè)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量較大的問(wèn)題，提出了一種應(yīng)用行程編碼（RLE）的分包遙測(cè)壓縮算法。根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，對(duì)壓縮算法進(jìn)行改進(jìn)，使壓縮效果得到進(jìn)一步提升。此外，對(duì)壓縮數(shù)據(jù)生成符合空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）標(biāo)準(zhǔn)的分包遙測(cè)機(jī)制進(jìn)行了闡述。對(duì)某衛(wèi)星的試驗(yàn)表明，使用改進(jìn)后的壓縮算法，能夠獲得6.11倍的遙測(cè)壓縮比，可提高延時(shí)遙測(cè)采樣頻率，增加航天器在境外的可用遙測(cè)數(shù)據(jù)量。

航天器遙測(cè)數(shù)據(jù)；壓縮算法；延時(shí)遙測(cè)；分包遙測(cè)；行程編碼

1 引言

航天器在軌運(yùn)行期間，遙測(cè)是地面獲取航天器各系統(tǒng)工作狀態(tài)和運(yùn)行狀態(tài)的唯一通道。遙測(cè)包括實(shí)時(shí)遙測(cè)和延時(shí)遙測(cè)，延時(shí)遙測(cè)用來(lái)存儲(chǔ)航天器在境外的遙測(cè)數(shù)據(jù)，過(guò)境時(shí)下傳延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)，用于判讀航天器在境外的狀態(tài)，是航天器狀態(tài)監(jiān)控及故障定位的重要依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)航天器主要采用抽樣的方式進(jìn)行延時(shí)遙測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，延時(shí)遙測(cè)采樣周期的大小決定了航天器在境外遙測(cè)的采樣存儲(chǔ)密度。延時(shí)遙測(cè)采樣周期越大，航天器在境外的可用遙測(cè)數(shù)據(jù)越少，故障漏檢率越高，對(duì)出現(xiàn)的故障定位越困難；采樣周期越小，可用遙測(cè)數(shù)據(jù)越多，越有利于故障檢測(cè)及故障定位。同時(shí)，隨著航天器功能、性能以及復(fù)雜度的不斷提高，遙測(cè)數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，若不采用有效的壓縮算法，則要以犧牲延時(shí)遙測(cè)采樣存儲(chǔ)密度為代價(jià)。

國(guó)外已將計(jì)算機(jī)領(lǐng)域常用的壓縮算法應(yīng)用到航天器遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮中，空間數(shù)據(jù)系統(tǒng)咨詢委員會(huì)（CCSDS）推薦使用RICE無(wú)損壓縮算法進(jìn)行遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮［1］。該算法首先將數(shù)據(jù)進(jìn)行分組預(yù)處理，然后進(jìn)行熵編碼，剔除數(shù)據(jù)的冗余性。文獻(xiàn)［2］中對(duì)歐洲航天局“羅塞塔”（Rosetta）彗星探測(cè)器的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究，利用計(jì)算機(jī)領(lǐng)域常用的7zip、WinZip等軟件對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)損壓縮，剔除數(shù)據(jù)的冗余信息。不過(guò)，7zip、WinZip等軟件的壓縮算法相對(duì)復(fù)雜，對(duì)航天器上的資源要求較高，因此需要一種更符合國(guó)內(nèi)航天器需求的壓縮算法，以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，提高延時(shí)遙測(cè)采樣頻率，增加航天器的可用遙測(cè)數(shù)據(jù)量。本文針對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)間冗余的特點(diǎn)，提出了一種應(yīng)用行程編碼（Run Length Encoding，RLE）的分包遙測(cè)壓縮算法，研究了RLE應(yīng)用到分包遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮并生成符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的分包遙測(cè)機(jī)制，最后以真實(shí)的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了算法的有效性。

2 應(yīng)用RLE的分包遙測(cè)壓縮算法

2.1 遙測(cè)壓縮算法設(shè)計(jì)

RLE是一種樸素的無(wú)損壓縮算法，其基本思想是對(duì)于連續(xù)出現(xiàn)y次的重復(fù)數(shù)據(jù)b，使用y，b來(lái)表示。例如，數(shù)據(jù)0x12，0x12，0x12，0x12，0x15，0x15，使用0x04，0x12，0x02，0x15表示。對(duì)于相同數(shù)據(jù)連續(xù)個(gè)數(shù)較少或數(shù)據(jù)均不相同時(shí)，經(jīng)RLE算法壓縮后會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)膨脹。例如，數(shù)據(jù)0x02，0x03，0x04，0x05，0x06，處理后為0x01，0x02，0x01，0x03，0x01，0x04，0x01，0x05，0x01，0x06，數(shù)據(jù)最大膨脹1倍。因此，由RLE算法派生出了很多改進(jìn)算法［3-6］，其中常用的是PCX（PC Paintbrush Exchange）圖像格式所用的行程壓縮方法以及Apple公司提出的PackBits算法。PackBits算法通過(guò)引入標(biāo)志位來(lái)避免RLE算法的壓縮膨脹問(wèn)題，設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

當(dāng)標(biāo)志位Indicator為0時(shí)，數(shù)據(jù)域的內(nèi)容是Run length指示的長(zhǎng)度為m+1的非壓縮數(shù)據(jù)；當(dāng)Indicator為1時(shí)，數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)域的內(nèi)容重復(fù)m+1次。

面向字節(jié)型Pack Bits壓縮算法定義見(jiàn)圖2［7］。

圖1 PackBits算法Fig.1 PackBits algorithm

圖2 字節(jié)型PackBits壓縮算法Fig.2 Byte-level PackBits compression algorithm

Pack Bits是一種通用算法，本文針對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。遙測(cè)數(shù)據(jù)從性質(zhì)上可分為模擬量和數(shù)字量:模擬量主要包括電壓、電流和溫度量等；數(shù)字量主要包括軟硬件的運(yùn)行狀態(tài)、時(shí)間碼和指令計(jì)數(shù)等。對(duì)于某個(gè)設(shè)備或應(yīng)用程序，其連續(xù)下行的遙測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)成二維矩陣。根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)的特性，二維矩陣的每一列具有較強(qiáng)的時(shí)間相關(guān)性，如設(shè)備的開(kāi)關(guān)機(jī)狀態(tài)、指令計(jì)數(shù)等在短時(shí)間內(nèi)為常量，時(shí)間碼大部分情況下為等差數(shù)列，溫度量按照軌道周期進(jìn)行變化，不會(huì)發(fā)生跳變。對(duì)于時(shí)間碼等數(shù)字量，大部分情況下為等差數(shù)列，只須存儲(chǔ)首項(xiàng)a1，公差d，以及項(xiàng)數(shù)n。對(duì)于溫度量等模擬量，在短時(shí)間內(nèi)不會(huì)發(fā)生跳變，其高位比特在短時(shí)間內(nèi)基本不變，因此只須存儲(chǔ)首項(xiàng)a1，項(xiàng)數(shù)n，以及低位比特不同的部分。

考慮Pack Bits算法的兩種情況:①Indicator為1，不存在Run Length為0；②Indicator為1，Run Length為1。對(duì)于情況①，屬性字節(jié)為0x80時(shí)，引入融合差分的RLE算法（RLE-D），即其數(shù)據(jù)域?yàn)榈炔顢?shù)列，存儲(chǔ)首項(xiàng)a1，項(xiàng)數(shù)n—1，以及公差d。對(duì)于情況②，若使用Pack Bits算法，不僅不會(huì)帶來(lái)壓縮性能的改善，反而可能會(huì)降低壓縮性能（如數(shù)據(jù)為133544355），因此屬性字節(jié)為0x81時(shí)，引入面向比特的RLE算法（RLE-b），即其數(shù)據(jù)域?yàn)槭醉?xiàng)a1，項(xiàng)數(shù)n—1，以及低比特不同的部分。改進(jìn)后的RLE算法——融合差分及面向比特RLE算法（RLE-D&b）見(jiàn)圖3。

圖3 RLE-D&b算法Fig.3 RLE-D&b algorithm

2.2 壓縮后的遙測(cè)數(shù)據(jù)分包設(shè)計(jì)

遙測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和下行發(fā)送主要由中心計(jì)算機(jī)、總線通信網(wǎng)絡(luò)和管理執(zhí)行單元等共同完成［8］，其中組包由中心計(jì)算機(jī)完成，遵循CCSDS分包遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。分包遙測(cè)描述了從航天器數(shù)據(jù)源到地面用戶進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其包格式如圖4所示［9］。

圖4 分包遙測(cè)包格式Fig.4 Packet telemetry format

壓縮后的分包遙測(cè)處理流程如圖5所示，設(shè)延時(shí)遙測(cè)采樣周期為k，RLE算法最大行程長(zhǎng)度為M，對(duì)于某個(gè)設(shè)備或應(yīng)用程序，其遙測(cè)數(shù)量為N字節(jié)，壓縮后的分包遙測(cè)數(shù)據(jù)處理過(guò)程如下。

（1）對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)按采樣周期k進(jìn)行采樣，k可通過(guò)遙控進(jìn)行設(shè)置。

（2）當(dāng)采樣數(shù)每次增加到M（最大為128）時(shí)，對(duì)壓縮后的數(shù)據(jù)按列組包（若不使用壓縮算法，將某一時(shí)刻的遙測(cè)數(shù)據(jù)按行組包），利用圖4所示CCSDS分包遙測(cè)標(biāo)準(zhǔn)中的分段機(jī)制，第1列分段標(biāo)志設(shè)為01b，表示首段，第2列到第N—1列分段標(biāo)志設(shè)為00b，表示續(xù)段，第N列分段標(biāo)志設(shè)為10b，表示末段。

（3）為了提高分包遙測(cè)的信道利用率，對(duì)于壓縮后較短的數(shù)據(jù)，可以將多列組成一個(gè)包下傳。

（4）對(duì)于圖4所示的應(yīng)用過(guò)程識(shí)別符，最高比特（第10 bit）為0時(shí)代表實(shí)時(shí)遙測(cè)，為1時(shí)代表延時(shí)遙測(cè)，次高位（第9 bit）為0時(shí)代表不壓縮，為1時(shí)代表使用壓縮算法，第0 bit到第8 bit代表不同的信源，最后根據(jù)壓縮后的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)置包長(zhǎng)及源包序列計(jì)數(shù)等。

圖5 分包遙測(cè)壓縮框圖Fig.5 Schematic diagram of packet telemetry compression

3 試驗(yàn)分析

3.1 RLE長(zhǎng)度的選取對(duì)壓縮效果影響的分析

設(shè)壓縮前數(shù)據(jù)大小為Q，其中不重復(fù)數(shù)據(jù)的大小為q。若不考慮最大行程長(zhǎng)度M的限制，則RLE算法理想最高壓縮比r≈Q/q；若考慮M的限制，則實(shí)際最高壓縮比為

式中:s為重復(fù)數(shù)據(jù)壓縮后所占用的字節(jié)數(shù)；x為非重復(fù)數(shù)據(jù)需要額外引入的字節(jié)數(shù)。

對(duì)于PackBits算法，s=2，x=1，M最大為128，最好情況下壓縮比為M/s=64倍，最壞情況下數(shù)據(jù)膨脹（M+1）/M倍，能夠有效避免RLE算法數(shù)據(jù)膨脹問(wèn)題。

式（1）對(duì)RLE長(zhǎng)度的選取有指導(dǎo)意義。例如，理想最高壓縮比r=4，M=128時(shí)，R=3.76，M=64時(shí)，R=3.55，也就是說(shuō)，M=128相對(duì)于M=64的壓縮比僅能提高0.21，但對(duì)于某些應(yīng)用程序卻須要開(kāi)辟2倍的臨時(shí)緩沖區(qū)。RLE長(zhǎng)度對(duì)壓縮效果的影響如圖6所示，當(dāng)理想最高壓縮比r＜9時(shí)，M=128與M=64對(duì)壓縮比的影響小于1。

圖6 RLE長(zhǎng)度對(duì)壓縮效果影響分析Fig.6 Compression effect analysis of different RLE length

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

選取某衛(wèi)星真實(shí)在軌數(shù)據(jù)，對(duì)比Pack Bits算法、RLE-D算法和RLE-D&b算法，驗(yàn)證結(jié)果如表1所示?？梢钥闯觯琑LE-D算法相對(duì)于Pack Bits算法性能提高約7%，RLE-D&b算法相對(duì)于Pack Bits算法性能提高約19%。M=64時(shí)，RLE-D&b壓縮比為5.67；M=128時(shí)，RLE-D&b壓縮比為6.11，顯著地提高了航天器在境外可用的遙測(cè)數(shù)據(jù)量。

表1 3種算法的壓縮結(jié)果Table 1 Compression results of three algorithms

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種航天器分包遙測(cè)壓縮算法，將RLE應(yīng)用到分包遙測(cè)數(shù)據(jù)壓縮中，針對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)對(duì)RLE算法進(jìn)行了改進(jìn)，并提出了能將壓縮數(shù)據(jù)生成符合CCSDS標(biāo)準(zhǔn)的分包遙測(cè)機(jī)制。本文算法編碼及解碼簡(jiǎn)單，并且編碼過(guò)程可以邊采樣、邊編碼，使編碼的占用資源均勻分布在每個(gè)采用周期，節(jié)省了航天器上的資源。對(duì)某衛(wèi)星的試驗(yàn)驗(yàn)證表明，使用改進(jìn)后的壓縮算法，能夠獲得6.11倍的遙測(cè)壓縮比，可提高延時(shí)遙測(cè)采樣頻率，顯著地增加航天器在境外可用的遙測(cè)數(shù)據(jù)量。

（

）

［1］CCSDS.CCSDS 120.0-G-2 Lossless data compression［S］.Washington D.C.:CCSDS，2006

［2］José-Antonio，Martínez-Heras，David Evans，et al.Housekeeping telemetry compression:when，how and why bother［C］//Proceedings of the 2009 First International Conference on Advances in Satellite and Space Communications.Colmar，F(xiàn)rance，SPACOMM，2009: 35-40

［3］蘆亞亞，丁維龍，古輝.由行程編碼改進(jìn)的一種通用性壓縮算法［J］.浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，35（1）:60-64 Lu Yaya，Ding Weilong，Gu Hui.An improved universal compression algorithm based on RLE［J］.Journal of Zhejiang University of Technology，2007，35（1）: 60-64（in Chinese）

［4］A H El-Maleh.Test data compression for system-on-achip using extended frequency-directed run-length code［J］.IET Computers and Digital Techniques，2008，2（3）: 155-163

［5］Bo Ye，Qian Zhao，Duo Zhou，et al.Test data compression using alternating variable run-length code［J］.The VLSI Journal，2011，44（2）:103-110

［6］Hemnath P，Prabhu V.Compression of FPGA bitstreams using improved RLE algorithm［C］//Proceedings of the 2013 International Conference on Information Communication and Embedded Systems.New York:IEEE，2013:834-839

［7］Aldus.Tiff Revision 6.0［Z］.Charleston:Adobe Developers Association，1992

［8］李孝同.小衛(wèi)星星務(wù)系統(tǒng)的遙測(cè)技術(shù)研究［J］.航天器工程，2008，17（2）:38-43 Li Xiaotong.Telemetry in computer integrated satellite system［J］.Spacecraft Engineering，2008，17（2）:38-43（in Chinese）

［9］CCSDS.CCSDS 102.0-B-5 Packet telemetry［S］.Washington D.C.:CCSDS，2000

（編輯：夏光）

Research on Packet Telemetry Compression Algorithm Using RLE

YAN Guorui LI Zhigang SHI Jian ZHAO Ting LI Guojun
（DFH Satellite Co.Ltd.，Beijing 100094，China）

For large storage of spacecraft telemetry data，a packet telemetry compression algorithm using RLE（run length encoding）is proposed in this paper.According to the characteristics of telemetry data，the compression algorithm is improved，so that the compression ratio can be further increased.The mechanism of producing CCSDS-compliant packet data is also presented.An experimental results for a certain satellite show that the improved algorithm can obtain a compression ratio of 6.11，which can raise the stored telemetry sampling frequency，and increase the amount of available telemetry data without ground contact.

spacecraft telemetry data；compression algorithm；stored telemetry；packet telemetry；RLE（run length encoding）

TN91

A DOI：10.3969/j.issn.1673-8748.2015.02.010

2014-03-17；

2014-05-13

國(guó)家重大航天工程

閆國(guó)瑞，男，碩士，從事星務(wù)系統(tǒng)、星載軟件研究工作。Email：yanguorui5000@qq.com。