CN111683050B - 一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法及*** - Google Patents
一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法及*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法及***,在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区存放设定的参考包,将获得的当前遥测数据包的数据域与参考包的数据域逐字节进行纵向比对,同字节位置若数据不同写1、相同写0,可得到一组二进制数,若该组数全为0,代表当前遥测数据包与参考包的数据域一致,小卫星仅将当前遥测包的包头修改并下传地面;若二进制数中不少于总字节的7/8为1,则对当前遥测数据包不进行数据压缩,直接下传;其余情况,先将二进制数改写成十六进制,作为压缩包数据域的前缀,再将遥测数据包中与参考包不同的字节数据依次排列,以“前缀+不同字节”的形式构成压缩包数据域,与修改后的包头组包下传。
Description
技术领域
针对小卫星的遥测数据存在大量冗余的问题,本发明提出一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法及***,属于遥测数据处理技术领域。
背景技术
小卫星在轨期间各单机的开关机状态、温度、电压等信息都属于遥测数据,由遥测信道下传至地面站,用于监测小卫星的运行状态。随着小卫星的在轨飞行任务日益多元化、复杂化,需传输的遥测数据也越来越多,仅靠现有的遥测码速率已难以满足需求,这就要求星务主机对冗余信息进行压缩,在不增加信道宽度的同时传输更多有用信息。
在通用数据压缩领域,广泛应用的压缩算法是Huffman编码、LZ系列编码和RLE编码。Huffman编码提出用最短的代码代替出现最多的数据,方法虽然简单但压缩速度很慢。LZ系列编码在压缩初期由于字典词条和输入数据匹配度很低压缩效果不好,而在数据量较大时又因编码长度固定也没有显著的压缩效果。RLE编码只有当同一字符串重复出现3次以上压缩效果才比较好,其他情况下反而会造成数据膨胀。
不仅如此,传统遥测数据压缩算法最大的问题是误码扩散,由于算法是根据前后包的字节对比将下一包数据用偏移量和字节数据表示,因此一旦出现一比特误码,在解码时不但本包遥测无法恢复,更会影响后续遥测包的正确解码。
发明内容
本发明的目的在于:克服现有技术的不足,依据小卫星遥测数据的前后包之间大部分字节长期保持不变的特性,提供一种适合小卫星遥测特性的数据压缩方法及***。将当前遥测数据包与参考包的数据域逐字节纵向对比再应用压缩算法,得到需下传的当前压缩包。当一包的数据产生误码后,只会对本包的解码造成影响,而不影响下一包数据的恢复,解决了传统压缩算法的误码扩散问题。在遥测数据包的7/8字节数据与参考包不一致时直接下传原始遥测数据,不会造成数据膨胀。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的:
一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法,包括如下步骤:
(1)在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区中存放设定的参考包,将获取的当前遥测数据包的数据域与缓存区参考包的数据域按字节比对是否相同,相同写0、不同写1,得到一组二进制数;
对该组二进制数进行判别,如果该组二进制数全为0,则进入步骤(2);如果少于总字节的预设比例为1且不全为0,则进入步骤(3);如果不少于总字节的预设比例为1,则进入步骤(4);
(2)当前遥测数据包的包头按压缩包格式将最高位改为1、包长改为0,只将包头下传至地面站;
(3)将二进制数改写为十六进制,2位十六进制数为1字节,不足位向后添0,构成压缩包数据域的前缀;再将遥测数据包数据域中与参考包数据域不同字节的数据依次排列,以“前缀+不同字节”的方式构成压缩包的数据域;包头部分按压缩包格式修改,与数据域组包下传至地面;
(4)当前遥测数据包不进行数据压缩,将原始数据全部下传。
进一步的,小卫星下传的遥测帧中既包括压缩包,也包括原始遥测数据包,在包头的包类型字段也就是包头最高位予以标识,压缩后的包类型设置为1,未压缩的包类型设为0。
进一步的,缓存区的参考包可以在轨修改和更新。
进一步的,所述预设比例为7/8。
进一步的,小卫星星务主机的遥测数据包格式具体为:遥测数据包由包头和数据域组成,包头固定为6个字节,包含包识别、包顺序控制、包长三部分;
包识别分成四部分:
a.版本号:占用3位,指明分包遥测协议的版本号;
b.包类型:占用1位,用于区分该数据的类型;
c.副导头标志:占用1位,用于指示遥测包中有无副导头;
d.应用过程识别:占用11位,最高位为“0”表示实时遥测数据包,最高位为“1”表示延时遥测数据包,全“1”表示空数据包;低10位用于识别遥测数据包的种类;
包顺序控制分成两部分:
a.分段标志:占用2位,用于指示该遥测包是否分段;
b.包顺序计数:占用14位,应用过程每产生一个数据包,源包顺序计数加1,数值计满后归零;
包长占用16位,指不含主导头的源包长度,等于数据域的字节数减1;
数据域包含应用过程产生的数据,其长度为整数字节,长度可变,与包长对应。
进一步的,进行数据压缩后的压缩包的格式具体为:压缩包由包头和数据域构成,包头中包类型写1代表压缩包,包长按压缩包的数据域的有效长度修改,其余与小卫星星务主机的遥测数据包格式一致;数据域由进行数据压缩后的前缀和不同字节数据构成。
进一步的,本发明还提出一种数据压缩***,包括:
数据包字节比对模块:在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区中存放设定的参考包,将获取的当前遥测数据包的数据域与缓存区参考包的数据域按字节比对是否相同,相同写0、不同写1,得到一组二进制数;
二进制判别模块:对该组二进制数进行判别,
如果该组二进制数全为0,则当前遥测数据包的包头按压缩包格式将最高位改为1、包长改为0,只将包头下传至地面站;
如果少于总字节7/8为1且不全为0,则将二进制数改写为十六进制,2位十六进制数为1字节,不足位向后添0,构成压缩包数据域的前缀;再将遥测数据包数据域中与参考包数据域不同字节的数据依次排列,以“前缀+不同字节”的方式构成压缩包的数据域;包头部分按压缩包格式修改,与数据域组包下传至地面;
如果不少于总字节7/8为1,则当前遥测数据包不进行数据压缩,将原始数据全部下传。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果:
(1)本发明提出的基于小卫星遥测特性的数据压缩算法结合了小卫星遥测数据前后包之间大部分字节基本不变的特性设定了参考包,采用以字节为单位的纵向比较方法,与参考包相同字节越多的遥测数据包压缩效率越高,与参考包完全不一致的也不会造成数据膨胀,因而具有较高的应用价值;
(2)本发明的基于小卫星遥测特性的数据压缩算法将当前遥测数据包与参考包对比,遇到当前包误码时只对本包的解码产生影响,而不会造成下一包数据无法恢复。
附图说明
图1为本发明提出的小卫星遥测数据压缩方法示例;
图2为遥测数据包中数据信息出现误码后应用本发明的示例;
图3为遥测数据包中位置信息出现误码后应用本发明的示例;
图4为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述:
本发明中小卫星遥测数据包格式如下表示。
遥测数据包由包头和数据域组成,包头固定为6个字节,包含包识别、包顺序控制、包长三部分。
包识别分成四部分:
a.版本号:占用3位,指明分包遥测协议的版本号,一般为000。
b.包类型:占用1位,用于区分该数据的类型,遥测包写0。
c.副导头标志:占用1位,用于指示遥测包中有无副导头,有填1。
d.应用过程识别:占用11位,最高位为“0”表示实时遥测数据包,最高位为“1”表示延时遥测数据包,全“1”表示空数据包。低10位用于识别遥测数据包的种类,如配电器下位机遥测包为27H。
包顺序控制分成两部分:
a.分段标志:占用2位,用于指示该遥测包是否分段,假设某小卫星所有数据包均不分段,填“11”。
b.包顺序计数:占用14位,应用过程每产生一个数据包,源包顺序计数加1,可以根据此值对数据包的连续性、完整性进行检查。数值计满后归零。
包长占用16位,指不含主导头的源包长度,等于数据域的字节数减1。
数据域包含应用过程产生的数据,其长度为整数字节。长度可变,与包长对应。
由于遥测数据包的包头用于识别该遥测包在遥测帧中的位置,因此本发明的遥测数据压缩算法只在数据域进行,而包头部分按格式要求对包类型和包长做适应性修改。
小卫星在轨运行一段时间后,由于空间环境的改变或任务更改,遥测数据包中长期不变的字节可能会变成其他数值,如果参考包不做修改压缩率就会下降。本发明方法可以有效解决这种问题。
如图4所示,本发明提出的一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法,包括如下步骤:
(1)在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区中存放设定的参考包,将获取的当前遥测数据包的数据域与缓存区参考包的数据域按字节比对是否相同,相同写0、不同写1,得到一组二进制数;
对该组二进制数进行判别,如果该组二进制数全为0,则进入步骤(2);如果少于总字节的预设比例为1且不全为0,则进入步骤(3);如果不少于总字节的预设比例为1,则进入步骤(4);本发明中预设比例为7/8,在遥测数据包的7/8字节数据与参考包不一致时直接下传原始遥测数据,不会造成数据膨胀。
(2)当前遥测数据包的包头按压缩包格式将最高位改为1、包长改为0,只将包头下传至地面站;
(3)将二进制数改写为十六进制,2位十六进制数为1字节,不足位向后添0,构成压缩包数据域的前缀;再将遥测数据包数据域中与参考包数据域不同字节的数据依次排列,以“前缀+不同字节”的方式构成压缩包的数据域;包头部分按压缩包格式修改,与数据域组包下传至地面;
(4)当前遥测数据包不进行数据压缩,将原始数据全部下传。
由于小卫星下传的遥测帧中既包括压缩包,也包括原始遥测数据包。因此在包头的包类型字段也就是包头最高位予以标识,压缩后的包类型设置为1,未压缩的包类型设为0。缓存区的参考包可以在轨修改和更新。
当前遥测数据包与参考包一致的字节越多压缩率越大,全一致时可实现数据的全压缩,除此极限情况外,压缩率最大为7/8。由于每包遥测数据都是与参考包先比较再应用压缩算法,因此当前包的误码不会影响下一包的压缩结果。如果当前遥测数据包中存在一比特错误,在解码过程中不会造成误码扩散。
进一步的,本发明还提出一种数据压缩***,包括:
数据包字节比对模块:在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区中存放设定的参考包,将获取的当前遥测数据包的数据域与缓存区参考包的数据域按字节比对是否相同,相同写0、不同写1,得到一组二进制数;
二进制判别模块:对该组二进制数进行判别,
如果该组二进制数全为0,则当前遥测数据包的包头按压缩包格式将最高位改为1、包长改为0,只将包头下传至地面站;
如果少于总字节7/8为1且不全为0,则将二进制数改写为十六进制,2位十六进制数为1字节,不足位向后添0,构成压缩包数据域的前缀;再将遥测数据包数据域中与参考包数据域不同字节的数据依次排列,以“前缀+不同字节”的方式构成压缩包的数据域;包头部分按压缩包格式修改,与数据域组包下传至地面;
如果不少于总字节7/8为1,则当前遥测数据包不进行数据压缩,将原始数据全部下传。
应用本发明的遥测数据压缩方法处理后的压缩包的格式如下表所示。
压缩包也由包头和数据域构成,不同的是包头中包类型写1代表压缩包,包长按压缩包的数据域的有效长度修改,其余与原始遥测包格式一致。数据域由应用遥测数据压缩算法后的前缀和不同字节数据构成。本发明在星务主机的缓存区放置参考包,将当前遥测数据包与参考包逐字节比较,用前缀表示与参考包的一致性情况,并保留与之不同的字节,从而达到数据压缩的目的。而参考包放置在主机的SRAM中,用EDAC保证其可靠性,也可以按照任务需求的更改对参考包实现在轨的修改与更改,保证压缩率在飞行一段时间后也不会降低。
实施例1
如图1所示为本发明提出的基于小卫星遥测特性的数据压缩方法示例,在小卫星获得当前遥测数据包后,与缓冲区的参考包比对,用0和1表示每字节的一致性情况并改写为十六进制作为前缀,再提取出不同的字节,按照“前缀+不同字节”的方式排列,作为压缩包的数据域。将包头进行适应修改后,组包下传到地面站,如图1中的下传遥测数据所示,该遥测数据包的包长设置为0x0006,包类型设置为1。
图1中当前遥测数据与缓冲区的参考数据包相比,不同字节的数据:“D1”、“E1”“CC”、“41”、“E2”,得到二进制数为“1100010010001000”,因此前缀为“C488”,下传的遥测数据按照“前缀+不同字节”的方式排列:“C488D1E1CC41E2”。通过前缀的二进制形式中“1”的位置可将不同字节数据在当前遥测包中的位置表示出来。
实施例2
假设实施例1中小卫星在传输过程中遥测数据包有一字节的数据信息出现了误码。
如图2所示,当前遥测包中的“E2”误码为“E3”,仍与缓存区参考包该位置的“E1”数据不一致,只影响压缩包中该字节数据,而包头和数据域前缀部分均不变。因此一字节的“E2”误码造成了下传压缩包的数据域一字节错误。
实施例3
假设实施例1中小卫星在传输过程中遥测数据包有位置信息误码,图3所示“CC”、“41”的位置对调,原先这两处数据与参考包不同,误码后也与参考包不同,因此压缩包数据域的前缀不变,不同字节数据只有这两处对调,对其他位置无影响。则此误码共造成压缩包数据域两字节变化。
以上所述,仅为本发明最佳的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到的变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (8)
1.一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法,其特征在于包括如下步骤:
(1)在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区中存放设定的参考包,将获取的当前遥测数据包的数据域与缓存区参考包的数据域按字节比对是否相同,相同写0、不同写1,得到一组二进制数;缓存区的参考包可以在轨修改和更新;
对该组二进制数进行判别,如果该组二进制数全为0,则进入步骤(2);如果少于总字节7/8为1且不全为0,则进入步骤(3);如果不少于总字节7/8为1,则进入步骤(4);
(2)当前遥测数据包的包头按压缩包格式将最高位改为1、包长改为0,只将包头下传至地面站;
(3)将二进制数改写为十六进制,2位十六进制数为1字节,不足位向后添0,构成压缩包数据域的前缀;再将遥测数据包数据域中与参考包数据域不同字节的数据依次排列,以“前缀+不同字节”的方式构成压缩包的数据域;包头部分按压缩包格式修改,与数据域组包下传至地面;
(4)当前遥测数据包不进行数据压缩,将原始数据全部下传。
2.根据权利要求1所述的一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法,其特征在于:小卫星下传的遥测帧中既包括压缩包,也包括原始遥测数据包,在包头的包类型字段也就是包头最高位予以标识,压缩后的包类型设置为1,未压缩的包类型设为0。
3.根据权利要求1所述的一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法,其特征在于:小卫星星务主机的遥测数据包格式具体为:遥测数据包由包头和数据域组成,包头固定为6个字节,包含包识别、包顺序控制、包长三部分;
包识别分成四部分:
a.版本号:占用3位,指明分包遥测协议的版本号;
b.包类型:占用1位,用于区分该数据包的类型;
c.副导头标志:占用1位,用于指示遥测包中有无副导头;
d.应用过程识别:占用11位,最高位为“0”表示实时遥测数据包,最高位为“1”表示延时遥测数据包,全“1”表示空数据包;低10位用于识别遥测数据包的种类;
包顺序控制分成两部分:
a.分段标志:占用2位,用于指示该遥测数据包是否分段;
b.包顺序计数:占用14位,应用过程每产生一个数据包,源包顺序计数加1,数值计满后归零;
包长占用16位,指不含主导头的源包长度,等于数据域的字节数减1;
数据域包含应用过程产生的数据,其长度为整数字节,长度可变,与包长对应。
4.根据权利要求3所述的一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法,其特征在于:进行数据压缩后的压缩包的格式具体为:压缩包由包头和数据域构成,包头中包类型写1代表压缩包,包长按压缩包的数据域的有效长度修改,其余与小卫星星务主机的遥测数据包格式一致;数据域由进行数据压缩后的前缀和不同字节数据构成。
5.一种基于权利要求1所述的一种基于小卫星遥测特性的数据压缩方法实现的数据压缩***,其特征在于包括:
数据包字节比对模块:在小卫星星务主机的遥测数据包缓存区中存放设定的参考包,将获取的当前遥测数据包的数据域与缓存区参考包的数据域按字节比对是否相同,相同写0、不同写1,得到一组二进制数;缓存区的参考包可以在轨修改和更新;
二进制判别模块:对该组二进制数进行判别,
如果该组二进制数全为0,则当前遥测数据包的包头按压缩包格式将最高位改为1、包长改为0,只将包头下传至地面站;
如果少于总字节7/8为1且不全为0,则将二进制数改写为十六进制,2位十六进制数为1字节,不足位向后添0,构成压缩包数据域的前缀;再将遥测数据包数据域中与参考包数据域不同字节的数据依次排列,以“前缀+不同字节”的方式构成压缩包的数据域;包头部分按压缩包格式修改,与数据域组包下传至地面;
如果不少于总字节7/8为1,则当前遥测数据包不进行数据压缩,将原始数据全部下传。
6.根据权利要求5所述的数据压缩***,其特征在于:小卫星下传的遥测帧中既包括压缩包,也包括原始遥测数据包,在包头的包类型字段也就是包头最高位予以标识,压缩后的包类型设置为1,未压缩的包类型设为0。
7.根据权利要求5所述的数据压缩***,其特征在于:小卫星星务主机的遥测数据包格式具体为:遥测数据包由包头和数据域组成,包头固定为6个字节,包含包识别、包顺序控制、包长三部分;
包识别分成四部分:
a.版本号:占用3位,指明分包遥测协议的版本号;
b.包类型:占用1位,用于区分该数据包的类型;
c.副导头标志:占用1位,用于指示遥测包中有无副导头;
d.应用过程识别:占用11位,最高位为“0”表示实时遥测数据包,最高位为“1”表示延时遥测数据包,全“1”表示空数据包;低10位用于识别遥测数据包的种类;
包顺序控制分成两部分:
a.分段标志:占用2位,用于指示该遥测数据包是否分段;
b.包顺序计数:占用14位,应用过程每产生一个数据包,源包顺序计数加1,数值计满后归零;
包长占用16位,指不含主导头的源包长度,等于数据域的字节数减1;
数据域包含应用过程产生的数据,其长度为整数字节,长度可变,与包长对应。
8.根据权利要求7所述的数据压缩***,其特征在于:进行数据压缩后的压缩包的格式具体为:压缩包由包头和数据域构成,包头中包类型写1代表压缩包,包长按压缩包的数据域的有效长度修改,其余与小卫星星务主机的遥测数据包格式一致;数据域由进行数据压缩后的前缀和不同字节数据构成。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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