临近空间科学探测数据的共享与实践

为促进鸿鹄专项临近空间科学探测数据资源的有效应用，为国家科学数据资源增加新的数据成员，开展临近空间科学探测数据共享相关技术研究.依据相关元数据国家标准与规范，借鉴参考多个领域科学数据元数据的构建方法，通过分析临近空间科学探测数据的数据特征，研究设计了符合临近空间科学探测数据共享需求的核心元数据模型，从不同角度描述了临近空间科学探测数据的数据特征和用户访问数据时所关心信息，并基于该模型实现了临近空间科学探测数据资源目录服务，设计了临近空间科学探测数据共享服务平台，实现了临近空间科学探测数据的归档管理和共享分发，为使用鸿鹄专项数据开展科学研究和有效应用提供了有效支撑.      

大容量信息实时传输技术研究

在信道带宽受限的条件下,实现大容量信息的实时传输是面向空间应用的遥科学技术要解决的核心问题之一。提出了将双总线寻址与双Ｂｕｆｆｅｒ相结合的技术结构,从而实现了在规定的传输协议、规定的信息道链路带宽的约束条件下,视频图像的实时无缝传输与主动遥操作。通过一些关键性技术难点的突破,达到了在２Ｍｂｉｔ／ｓ码速率下按ＣＣＳＤＳ（空间数据系统协调委员会）的位流协议在地基上实时复现出高质量的视频图像序列。     

毫米波大气窗口在临近空间等离子体鞘套中的传播特性

针对飞行器再入和以高超声速在临近空间飞行时出现的通信黑障问题,依据RAM C提供的飞行试验数据建立等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体厚度及等离子体碰撞频率和等离子体电子密度等参数对毫米波大气窗口传输的反射和衰减特性.综合分析表明,可以采用大气窗口35 GHz所在的Ka波段作为临近空间主通信平台,辅以大气窗口0.22 THz所在的太赫兹波段天基中继平台,以期实现飞行器在临近空间飞行时的实时测控.     

基于日心坐标系的三维立体剖分模型及编码

随着空间数据的大量增长,对数据可视化和数据存取效率提出了更高要求,迫切需要对数据进行有效的组织和管理.对庞大的日地空间,采用SDOG-R方法将日地空间剖分为不同分辨率等级的格网,并针对该网格提出相应的编码方案.以太阳风模型数据为例,给出了具体的组织实例,经实验验证,该剖分模型不仅解决了球心处网格过密问题,还满足了径向分辨率大于经纬球面分辨率的需求.基于三维立体剖分的太阳风LOD空间数据模型,不但能提供多分辨率数据,而且显著提高了大规模数据检索和存取速度,有效地支持海量空间数据的组织管理.     

空间天气模式集成可视化演示软件设计

空间天气模式集成是空间天气预报业务化的基础, 空间天气模式集成可视化演示软件系统是其中重要的研究内容之一. 空间天气模式种类繁多, 要素多样, 模型复杂, 且各模式可视化形式及方法具有差异性. 本文综合当前中国空间天气模式的特点, 构建了一套空间天气模式集成可视化演示系统. 该系统兼容性好、可扩展性高, 能够集成当前中国空间天气中大多数模式. 讨论了空间数据管理方法, 基于Visual C++ 软件平台和OpenGL可视化软件模块,以动态加载方式初步实现了多个空间天气模式的可视化集成.      

基于STK的高超声速飞行器可视化仿真平台研究

 论证了利用STK软件建立高超声速飞行器可视化仿真平台的可行性,研究了创建高超声速飞行器结构模型以及模拟其所处空间地理环境的方法,提出了利用STK/Connect模块功能实现分布式实时可视化仿真的策略,仿真结果表明基于STK的仿真平台能够满足任务需求。     

航空电子系统机载网络实时性能评价技术

机载网络是航空电子系统中实现信息实时可靠传输的手段，其发展程度和能力决定了航空电子系统的总体构型及信息综合效能。不同于一般计算机网络，机载网络更加强调组网的实时性，需要采用苛刻高效的方法实现其实时性能的分析与评价。以交换式网络中消息传输过程为分析对象，研究了消息端到端传输延迟模型，给出了实时性能评价方法在评估悲观性和计算紧性的对比指标；对解析分析、行为仿真和模型检查等典型机载网络实时性评价关键技术进行了梳理和分析，给出了各种实时性能评价方法在计算紧性和效率等方面的差异和实现途径。以简单网络和工业规模网络为研究案例对上述方法进行了验证说明，并对比分析了各种方法在计算紧性的差异，探讨了航空电子系统机载网络实时性能评价技术的发展趋势。      

最新CCSDS图像压缩算法研究与实现

2005年CCSDS(空间数据系统咨询委员会)推出了一项新的图像数据压缩算法标准,制定算法标准的目的是为了解决有效载荷设备的数据压缩以及如何分段压缩能使地面更好地接收图像数据和解压缩.算法的应用能够减少静态图像的数据量,这样不仅可以降低传输带宽,减少数据存储,而且在给定码率情况下能缩短传输时间,这对空间数据压缩具有重要意义.针对CCSDS最新推出的图像压缩算法进行了研究并对其性能进行了阐述,分析了算法硬件实现的可行性,并将算法软件实现的结果与其他图像压缩算法的实现结果进行了测试比较,结果表明在低码率下压缩性能与JPEG 2000,SPIHT相当,甚至更好,完全符合星载图像压缩在低码率下传输的要求.      

基于时间触发的1553B总线实时调度设计

为了优化1553B总线传输性能,降低总线消息传输的等待时间,提高总线带宽利用率和紧急消息响应的实时性,对1553B总线调度方法进行了研究,将周期性调度和抢占式调度策略相结合,设计了一种基于时间触发的1553B总线实时调度方法。在时间触发的基准下按优先级对总线消息进行集中调度,总线帧在总线上传输的时间内,处理器无需等待,可以继续处理其他任务。利用总线数据区分区的特性,设计了紧急消息打断普通总线消息传输的抢占式调度策略,避免了非重要数据较长时间占用总线通信信道,使得紧急消息能够快速响应。试验结果表明,该调度方法实现了总线消息尽最大能力传输,不仅能够较大幅度地提高1553B总线传输效率和带宽利用率,而且紧急消息的响应时间稳定在2ms以内,为紧急消息的实时响应提供了保证。     

一种空间目标高精度指向控制方法

针对空间动目标指向任务对卫星提出的高精度控制需求，研究了卫星星体/快反镜二级复合系统的指向控制问题，给出了一种空间运动目标高精度指向控制方法。首先，基于近圆轨道Clohessy Wiltshire方程获得追踪卫星与目标卫星的位置信息；然后，基于扩展Kalman滤波算法进行多信息融合确定追踪卫星姿态参数，并实时解算出追踪卫星载荷光轴与目标卫星的相对姿态，获得跟踪指向所需的方位角和俯仰角；最后，通过星体一级姿态控制和基于快反镜的载荷光轴二级指向控制，实现对目标卫星的快速、高精度指向。仿真结果表明，该方法可以在保证快速性的同时实现动态指向控制误差小于072″。该方法可以实现对空间目标的高精度指向控制，为未来空间中激光通信等航天任务提供技术支持。     

基于信息隐藏的遥感图像分块压缩

目前JPEG2000等图像压缩方法受制于压缩倍数的限制,无法满足用户对海量遥感数据的实时传输要求,需要进一步减少高分辨率遥感图像产生的数据量,以满足遥感图像数据的空间传输要求。针对此情况提出了一种基于信息隐藏的遥感图像分块压缩方法,利用图像块的相似性判决出基准图像块和相似图像块,将相似图像块的编号隐藏在基准图像块中,只对基准图像块进行JPEG2000压缩。采用标准图像库作为样本图像进行仿真,结果表明,该方法将样本图像压缩前的数据量减少1/3,同时将该样本图像的压缩比提高1.5倍。     

A mars communication constellation for human exploration and network science

This paper analyses the possibility of exploiting a small spacecrafts constellation around Mars to ensure a complete and continuous coverage of the planet, for the purpose of supporting future human and robotic operations and taking advantage of optical transmission techniques. The study foresees such a communications mission to be implemented at least after 2020 and a high data-rate requirement is imposed for the return of huge scientific data from massive robotic exploration or to allow video transmissions from a possible human outpost.     

极化复用方式下高性能数传基带奇偶合路实时处理方法

数传基带奇偶合路实时处理,是极化复用方式下卫星过境弧段即时判读星载设备状态及获取空间科学探测成果的前提和基础。面向空间科学卫星高速数传实时处理需求,针对传统合路处理方法受限于内存拷贝与排序操作导致处理性能较低的问题,提出一种使用环形队列对数据进行内存管理并基于各虚拟信道奇偶单路传输帧计数自然有序特征进行合路处理的新方法,有效规避频繁的内存移动与复杂耗时的排序操作,显著提升奇偶合路实时处理性能。空间科学卫星任务的工程实践结果表明,所提方法的实时合路性能满足ASO-S卫星1 Gbit·s–1和CASEarth卫星1.6 Gbit·s–1的高速数传实时处理需求。      

基于CCSDS的低码率图像压缩优化算法

为了提高空间数据系统咨询委员会（CCSDS）采用的图像压缩算法的编码效率,提出了一种二维预测模型。通过利用图像像素之间的空间相关性对直流系数的预测模式及其熵编码算法进行改进和优化,该算法在有效地提高了直流系数的压缩比的同时,也增强了其抗误码性能。试验结果表明,该算法在低码率条件下能获得更好的图像编码质量,与CCSDS原有算法相比,峰值信噪比值提高了0.1~0.3dB。算法可极大地满足星载图像压缩数据在低码率下传输的要求。     

图像压缩系统设计

对基于FPGA+DSP架构的图像压缩系统进行了介绍,描述了其系统结构、原理及实现。根据实际需求,采用FPGA+DSP的系统架构设计了一种高性能的图像实时压缩装置,并对系统硬件电路、软件、结构等方面进行了优化设计,实现了飞行试验环境条件下多路视频的采集、压缩、传输、按时序切换等功能,具有处理延时小、功耗低、环境适应性好等特点,并通过了高低温、振动冲击、电磁兼容等多项环境试验考核,具有较高的应用价值。     

基于三维Saab变换的高光谱图像压缩方法

高光谱图像中存储了丰富的光谱信息,具有极大的应用价值,但现有大部分高光谱图像压缩方法难以同时兼顾图像中的空间冗余与谱间冗余,导致压缩性能受到局限。针对该问题,提出了一种基于三维修正偏置的子空间(Saab)变换的高光谱图像压缩方法。采用三维Saab变换对高光谱图像的分块进行空间光谱信息融合的降维操作,同时去除谱间冗余和局部空间冗余;利用高效率视频编码(HEVC)中的帧内编码模块进一步去除空间冗余和统计冗余;实现低失真、高比率的高光谱图像压缩。在多个高光谱图像数据集上的实验结果表明,所提方法在同码率下重建图像的信噪比(SNR)比采用主成分分析(PCA)降维的方法至少提高0.62 dB,在高码率的情况下性能优于张量分解的压缩方法。同时,验证了不同降维方法对分类任务的性能影响,结果表明,所提方法更好地保留了图像中的重要特征,在低码率的情况下仍可以保持较高的分类精度。      

Preparing for space: Increasing technical readiness of low-cost high-performance remote sensing using high-altitude ballooning

Two widely available, small size, weight and power camera systems were flown above 97 % of Earth’s atmosphere and showed utility in single filter vegetation and soil analysis in a space analogue environment. The experiment was conducted as a low-cost verification and test analogue to flying on vastly more expensive low Earth orbit missions. Normalised Difference Vegetation Index (NDVI) was used as the metric by which performance was analysed for ground calibration testing, low and near-space altitude remote sensing. Ground calibration testing with a laboratory-grade spectrometer revealed that both cameras were able to return consistent NDVI results, and high-altitude balloon flight allowed similar data capture from an environment similar to space. Although compressed captured imagery had been processed using gamma correction and pre-image processing, these were able to be corrected provided that access to radiometrically-calibrated data was available. The two hobbyist cameras were shown to return scientifically useful results, demonstrating performance, and additionally their utility for citizen science applications in the near-space environment.     

基于日心坐标系的PDQG-R剖分模型及编码研究

随着空间数据的海量增长, 为了提高数据存取效率和数据可视化效率, 需要对 数据进行有效的组织和管理. 基于现有的二维表面剖分模型, 针对过太阳质心 的黄道面和子午面, 提出一种新的PDQG-R格网模型--平面退化四叉树格网, 并给出了相应的网格编码方案. 以太阳风模型数据为例, 给出了具体的组织实 例并验证, 结果表明该剖分模型不仅解决了日心附近网格过密问题, 还可以满足径向分辨率与经(纬)向分辨率不同步的需求, 同时还能提供多分辨率层次的数据, 有效地支持海量空间数据的组织管理.