中国首次火星探测|“天问一号”拍到了啥 要由他们“打包”传回
华商报

    “天问一号”火星探测器成功发射后,地面上的我们最希望看到的可能就是探测器拍摄的火星照片了。那么这些照片怎样才能传回地面呢?

  近日,华商报记者采访了西安电子科技大学信息与通信工程学科博士生导师李云松教授,他所负责的图像传输与处理团队参与了本次火星探测中多个科学载荷的图像和数据压缩任务。


  五个载荷多种类型图像和数据 都要压缩后传回

  为什么要对图像进行压缩?李云松教授介绍,图片等数据的传输,首先要把通道建立起来。火星车上和环绕器上都是有天线的,数据的传输过程,就是从火星车传输到环绕器,再从环绕器传回到地面。有天线、有发射,物理链路就建立起来了。这就相当于修了一条从火星到地球之间的路,数据就相当于这条路上跑的车。但问题在于想运的东西很多,道路又很窄。火星距离地球,最远距离4亿多公里,最近距离也有约5500万公里。能量的损耗是跟传输距离的平方是成反比的,这么远的距离意味着信噪比就很低了,导致有效传输速率很低。为解决这个问题,要么把路修宽一点,要么把货物进行压缩处理。我们做图像压缩,就是要把这个‘货物’压得紧一点。这样才可以实现在有限宽度的道路上,传输的东西更多一点。”

  “这次是我们处理数据类型最多的一次,有彩色的,有高光谱的,还有雷达的,每种类型对压缩的要求都不一样。火星探测一共是13个科学载荷。所谓科学载荷,就是有一定科学目的的探测设备。其中有5个载荷是需要进行数据压缩的,我们参与了全部压缩任务。”

  核心算法大部分在前期已验证 难度在于资源受限下的性能提升

  图像压缩任务难点主要在哪里?李云松教授介绍,受到能源、体积重量以及可靠性等硬性条件的限制,能够用于压缩处理的硬件资源很少。

  “所以我们面临的最大挑战,就是资源非常受限。大部分核心算法其实在探月以及其它的对地观测任务中都是验证过的。主要的难度在于怎样按照火星科学应用对于数据质量的更高要求,进一步对算法进行优化,一方面提升压缩质量,另一方面要在更小的资源里实现出来。这就好比房子就这么大,但又想放进很多东西,这时候就需要把所有的空间都利用充分。所以在把东西放进去前,需要把任务分解得很细。”

  “虽然数据压缩得越小,就越方便信息传送,但压得太小可能就会有损耗,不能完全恢复原来的数据。好比要快递一条被子,把它压紧了,所占的空间就会小一点。回来一打开它又恢复到原来的状态,这就是所谓的‘无损’。但若是快递一盆花,枝叶很多,有的地方可能就要裁剪以后再运输,那它就跟原来就不一样了。这就要考虑,怎样做才能尽可能地没有损害。

  对照片进行拼接 目的是为了建全景地图

  是不是也会有全景照片或AR模式的照片,可以让人们在地球上沉浸式体验火星地貌?

  李云松教授介绍,之前的嫦娥3号上就有全景相机,嫦娥4号上也有,数据是传回来以后在地面拼接处理的。但火星车以后可能会有一些直接拼接的工作。直接拼接的目的,实际上是为构建一个完整的地图。因为火星车在火星上会面临很多未知,不知道下一步会掉不掉到坑里,也不知道路线应该怎么走,因为上面也没有标准的路。这时就需要首先要分析清楚。只有把地图建起来,才能够决定从这个点到那个点应该怎么走,怎样选一条比较比较可靠的路线。当然传到地面的话,是希望探测到的东西最后是一张大图。

  传输误码可能会导致坏点 在一定范围内可以修复

  这么远的距离,传回来的图像会不会有坏点?李云松教授说,坏点主要是由于传输过程中出现误码或数据丢失,误码就是1变成0,0变成1,这时候有的地方恢复以后可能就会出现坏点。为避免这种错误,一般会加一些纠错的方式。也就是说虽然错了,但在一定范围内可以纠正过来。但如果超出限度了,也还是会出错的。因为影响因素比较多,包括信道也并不是会一直稳定,有时还会断掉。断掉的这段时间,数据就全都没有了。

  环绕器搭载了高分辨率拍摄设备 对特别关注目标的图像不压缩

  常常看到有人在网上发个图,说是火星上发现了什么动物、建筑的形象,但其实都是猜测的。那么火星车拍摄的图片像素能达到什么程度?李云松教授介绍,这次火星环绕器上搭载了一个高分辨率的拍摄设备,具体分辨率还需等官方正式公布。

  “对我们的工作来说,分辨率是会有影响的。我们在图像压缩上设置了很多参数,最好的是完全不去做任何压缩,也不会有任何损失。这只是针对那些局部的特别关注的目标,才可能会选择这种模式。但更多的还是巡视方式,所以还是要做大压缩比,这样才能保证比较快速地传回来。由于各种数据的特性以及最后对质量的要求不一样,我们这次在技术上的突破,主要就是针对不同类型的数据,根据其不同的特性和质量要求,开发设计了对应的高性能的压缩方式,确保性能好、复杂度低、可靠性高。”

  火星车会自动规划行进路线 自动寻找感兴趣目标

  李云松教授介绍,为克服超远距离带来的信息传递延时问题,他们也在参与在做一些智能化处理。“就是让火星车可以自主探测,不需要人来指挥,让它能有一定的自主性。比如说火星车落到火星表面上以后,它会自动地去规划行走路线,会自动去找到它感兴趣的目标。而为了让火星车对有意义、有价值的东西‘感兴趣’,会提前做一些训练,包括对各种地质、矿石、矿物,或者一些提前已设想到的目标。但不可能全都覆盖,所以也会有所谓的异常检测方式。这种方式不是预先设定要看什么,而是说要来分析面前的东西有没有可能会含有新信息或存在风险。”

  环绕器探地雷达可穿透表层 探测火星有没有水

  那么这次给火星探测车有没有加载找水这样的任务?李云松教授表示是有的。这次在环绕器上装了个探地雷达,可以穿透火星表层,探测十几米或者几十米深度范围内有没有水。

  李云松教授表示,美国的也好,欧洲的也好,相比来讲,咱们这次探测方式是比较全面的。有拍火星表面图像的,有拍地下水体的,也有拍地质和物质成分的,也有做微观探测的,还有一些可能要探测火星上面的空气,另外还有对声音、磁力等各方面的探测。对咱们国家来说,可以叫一步到位的探测计划。但与此相应,风险也很大。“只要能够发射成功,火星车成功着陆,那么后续工作的可靠性方面,就跟前面的探月阶段很接近了,我们还是比较有把握的。期待是7个月以后,我们能够看到来自火星的图像。”

  “通过智能化处理技术,希望火星车能走得更快更稳”

  着陆之后火星车在上面主要开展什么工作?李云松教授表示,虽然着陆点是预先选好的,但这个区域的环境是未知的,火星车要开展相对比较自由的、有些可能是完全自主的活动和探测,会存在很多风险。“以前玉兔号在月球上的探测速度很慢,因为要保安全,又是通过遥控的方式。这次希望在后续通过智能化处理技术,让我们的火星车能够行走得更快更稳。”

  华商报记者 马虎振 文/图


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