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自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计

郑香脂 张爱兵 孔令高 WIESER Martin KALLA Leif 仇通胜 王文静 田峥

郑香脂, 张爱兵, 孔令高, WIESER Martin, KALLA Leif, 仇通胜, 王文静, 田峥. 自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2022.06.210409047
引用本文: 郑香脂, 张爱兵, 孔令高, WIESER Martin, KALLA Leif, 仇通胜, 王文静, 田峥. 自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计[J]. 空间科学学报. doi: 10.11728/cjss2022.06.210409047
ZHENG Xiangzhi, ZHANG Aibing, KONG Linggao, WIESER Martin, KALLA Leif, QIU Tongsheng, WANG Wenjing, TIAN Zheng. Data Compression Algorithm of the Ion and Neutral Particle Analyzer for the First Chinese Mars Mission (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11728/cjss2022.06.210409047
Citation: ZHENG Xiangzhi, ZHANG Aibing, KONG Linggao, WIESER Martin, KALLA Leif, QIU Tongsheng, WANG Wenjing, TIAN Zheng. Data Compression Algorithm of the Ion and Neutral Particle Analyzer for the First Chinese Mars Mission (in Chinese). Chinese Journal of Space Science, xxxx, x(x): x-xx doi: 10.11728/cjss2022.06.210409047

自主火星离子与中性粒子分析仪数据压缩算法设计

doi: 10.11728/cjss2022.06.210409047
基金项目: 自主火星探测计划项目(MARSY601-1-H)和中国科学院重点部署项目(ZDRW-KT-2019-1-01)共同资助
详细信息
    作者简介:

    郑香脂:E-mail:zxz@nssc.ac.cn

  • 中图分类号: P352.7

Data Compression Algorithm of the Ion and Neutral Particle Analyzer for the First Chinese Mars Mission

  • 摘要: 火星离子与中性粒子分析仪共设计10种在轨探测模式,不同探测模式下数据率不同,多种探测模式下数据量远超出最大下行数据率的限制。为降低数据率,利用仪器内部FPGA有限的资源对压缩处理方法进行了详细设计。通过分析仪器数据特点,火星离子与中性粒子分析仪压缩算法采用合并处理、对数压缩和无损压缩三种压缩算法组合。对于每种探测模式,FPGA程序可根据压缩标志选择相应压缩算法,实现三种压缩算法串行使用,或选择其中一种或两种算法。并且压缩标志可通过注入指令改写,实现在轨时根据需求灵活配置。合并处理压缩比为2或4,对数压缩的压缩比为2,无损压缩效率与样本数据间的相关性有关。在此基础上,利用等离子体定标测试系统完成了地面测试。测试结果表明,各探测模式下科学数据经过压缩后数据率满足任务指标要求。

     

  • 图  1  火星离子与中性粒子分析仪实物

    Figure  1.  Picture of the Ion and Neutral Particle Analyzer

    图  2  原始科学数据组成

    Figure  2.  Composition of science data

    图  3  对数压缩的输入与输出关系曲线

    Figure  3.  Input-output characteristic curve of logarithmic compression

    图  4  对数压缩算法量化误差

    Figure  4.  Quantization error of logarithmic compression

    图  5  预处理器结构

    Figure  5.  Diagram of preprocessor

    图  6  自适应熵编码器结构

    Figure  6.  Diagram of the adaptive entropy coder

    图  7  仪器定标系统

    Figure  7.  Composition of calibration system

    表  1  火星离子和中性粒子分析仪与国际上同类仪器的指标对比

    Table  1.   Performance comparison of the ion and neutral particle analyzer with similar international instruments

    探测对象参数离子和中性粒子
    分析仪
    Mars expressMAVEN
    离子 能量范围/keV 0.0028~25.9 0.010~30 0.001~30
    能量分辨/(%) 12.1 7 15
    质量范围/amu 1~70 1,2,4,8,(16,32,44) 1~70
    质量分辨/amu 21%@O+ 区分1, 2, 4, 8(16, 32, 44) 25%
    视场/(°) 90×360 90×360 90×360
    角分辨率/(°) 5.6×22.5 4.5×22.5 6×22.5
    时间分辨率/s 4(可调) 196(可调) 4(可调)
    中性粒子 能量范围/keV 0.050~3 0.100~10
    能量分辨 83.3%@H,58.4%@O 50%
    质量范围/amu 1~32 1,16
    质量分辨 H,He,O H,O
    视场/(°) 15×360 9×180
    角分辨率/(°) 9.7×22.5 5×40
    时间分辨率/s 4(可调) 32(可调)
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    表  2  离子和中性粒子探测模式设计

    Table  2.   Detecting modes of the ion and neutral particle analyzer

    序号模式名称参数设置时间分辨率/s备注
    1 默认 离子:40 E×8 M×16 A×4 D 16 开机后默认工作模式,可在全轨道
    采用
    中性:8 E×3 M×16 A×1 D 8
    2 高能量分辨 离子:64 E×8 M×16 A×4 D 16 高能量分辨要求下的太阳风或
    磁鞘区探测
    中性:8 E×3 M×8 A×1 D 8
    3 磁尾 离子:64 E×8 M×16 A×4 D 12 远火点前后开启
    中性:8 E×3 M×8 A×1 D 6
    4 低能离子 离子:64 E×8 M×16 A×4 D 12 重点测量离子时采用
    5 高时间分辨 离子:64 E×8 M×16 A×4 D 12 部分轨道段采用
    中性:8 E×1 M×16 A×1 D 6
    6 全分辨 离子:64 E×16 M×16 A×16 D 232 最全分辨率的探测,可在全
    轨道采用
    中性:8 E×3 M×16 A×1 D 116
    7 太阳风 离子:64 E×1 M×16 A×16 D 8 主要在奔火阶段使用
    8 电离层 离子:48 E×32 M×1 A×1 D 2 <800 km使用
    9 中性粒子 中性:8 E×3 M×16 A×1 D 8 重点测量中性粒子时采用
    10 自诊断 离子:32 E×1 M×16 A×6 D 8 仪器自检测
    中性:8 E×1 M×16 A×1 D 4
     E表示能道(例如40 E表示分辨40个能道,64 E表示分辨64个能道,以此类推),M表示质量组,A表示方位角,D表示俯仰角。
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    表  3  不同探测模式下合并处理实现的压缩比

    Table  3.   Compression ratio of data merging

    序号模式名称压缩比
    1默认4
    2高能量分辨4
    3磁尾4
    4低能离子4
    5高时间分辨4
    6全分辨
    7太阳风
    8电离层4
    9中性粒子2
    10自诊断
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    表  4  16 bit to 8 bit压缩前后数据对比

    Table  4.   Compressed code and decompressed code of 16 bit to 8 bit logarithmic compression

    Linnear input code (16 bit)Compressed codeDecompressed code
    00000000 000 tuvwx 0 00 tuvwx 00000000 000 tuvwx
    00000000 001 uvwxy 0 01 uvwxy 00000000 001 uvwxy
    00000000 01 u vwxya 0 10 uvwxy 00000000 01 u vwxy0
    00000000 1 uv wxyab 0 11 uvwxy 00000000 1 uv wxy00
    00000001 uvwx abcd 1 000 uvwx 00000001 uvwx 000
    0000001 u vwxa bcde 1 001 uvwx 0000001 u vwx0 0000
    000001 uv wxab cdef 1 010 uvwx 000001 uv wx00 0000
    00001 uvw xabc defg 1 011 uvwx 00001 uvw x000 0000
    0001 uvwx abcd efgh 1 100 uvwx 0001 uvwx 0000 0000
    001 uvwxa bcde fghi 1 101 uvwx 001 uvwx0 0000 0000
    01 uvwxab cdef ghij 1 110 uvwx 01 uvwx00 0000 0000
    1 uvwxabc defg hijk 1 111 uvwx 1 uvwx000 0000 0000
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    表  5  不同探测模式下的数据率(单位kbit·s–1

    Table  5.   Data rate of different detecting modes (Unit kbit·s–1)

    序号模式名称压缩前数据率合并处理及对数压缩后的数据率合并处理、对数压缩及
    无损压缩后的数据率
    1默认122.816.053.16
    2高能量分辨194.825.054.39
    3磁尾259.633.265.64
    4低能离子256.432.425.50
    5高时间分辨293.237.696.32
    6全分辨27.113.712.52
    7太阳风96.448.428.09
    8电离层72.49.422.05
    9中性粒子2.670.980.76
    10自诊断11.211.211.2
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-04-08
  • 录用日期:  2022-05-11
  • 修回日期:  2022-07-12
  • 网络出版日期:  2022-11-28

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