中國首次火星探測|「天問一號」拍到了啥 要由他們「打包」傳回

    「天問一號」火星探測器成功發射後，地面上的我們最希望看到的可能就是探測器拍攝的火星照片了。那麼這些照片怎樣才能傳回地面呢?

　　近日，華商報記者採訪了西安電子科技大學信息與通信工程學科博士生導師李雲松教授，他所負責的圖像傳輸與處理團隊參與了本次火星探測中多個科學載荷的圖像和數據壓縮任務。

　　五個載荷多種類型圖像和數據 都要壓縮後傳回

　　為什麼要對圖像進行壓縮?李雲松教授介紹，圖片等數據的傳輸，首先要把通道建立起來。火星車上和環繞器上都是有天線的，數據的傳輸過程，就是從火星車傳輸到環繞器，再從環繞器傳回到地面。有天線、有發射，物理鏈路就建立起來了。這就相當於修了一條從火星到地球之間的路，數據就相當於這條路上跑的車。但問題在於想運的東西很多，道路又很窄。火星距離地球，最遠距離4億多公裡，最近距離也有約5500萬公裡。能量的損耗是跟傳輸距離的平方是成反比的，這麼遠的距離意味著信噪比就很低了，導致有效傳輸速率很低。為解決這個問題，要麼把路修寬一點，要麼把貨物進行壓縮處理。我們做圖像壓縮，就是要把這個『貨物』壓得緊一點。這樣才可以實現在有限寬度的道路上，傳輸的東西更多一點。」

　　「這次是我們處理數據類型最多的一次，有彩色的，有高光譜的，還有雷達的，每種類型對壓縮的要求都不一樣。火星探測一共是13個科學載荷。所謂科學載荷，就是有一定科學目的的探測設備。其中有5個載荷是需要進行數據壓縮的，我們參與了全部壓縮任務。」

　　核心算法大部分在前期已驗證 難度在於資源受限下的性能提升

　　圖像壓縮任務難點主要在哪裡?李雲松教授介紹，受到能源、體積重量以及可靠性等硬性條件的限制，能夠用於壓縮處理的硬體資源很少。

　　「所以我們面臨的最大挑戰，就是資源非常受限。大部分核心算法其實在探月以及其它的對地觀測任務中都是驗證過的。主要的難度在於怎樣按照火星科學應用對於數據質量的更高要求，進一步對算法進行優化，一方面提升壓縮質量，另一方面要在更小的資源裡實現出來。這就好比房子就這麼大，但又想放進很多東西，這時候就需要把所有的空間都利用充分。所以在把東西放進去前，需要把任務分解得很細。」

　　「雖然數據壓縮得越小，就越方便信息傳送，但壓得太小可能就會有損耗，不能完全恢復原來的數據。好比要快遞一條被子，把它壓緊了，所佔的空間就會小一點。回來一打開它又恢復到原來的狀態，這就是所謂的『無損』。但若是快遞一盆花，枝葉很多，有的地方可能就要裁剪以後再運輸，那它就跟原來就不一樣了。這就要考慮，怎樣做才能儘可能地沒有損害。

　　對照片進行拼接 目的是為了建全景地圖

　　是不是也會有全景照片或AR模式的照片，可以讓人們在地球上沉浸式體驗火星地貌?

　　李雲松教授介紹，之前的嫦娥3號上就有全景相機，嫦娥4號上也有，數據是傳回來以後在地面拼接處理的。但火星車以後可能會有一些直接拼接的工作。直接拼接的目的，實際上是為構建一個完整的地圖。因為火星車在火星上會面臨很多未知，不知道下一步會掉不掉到坑裡，也不知道路線應該怎麼走，因為上面也沒有標準的路。這時就需要首先要分析清楚。只有把地圖建起來，才能夠決定從這個點到那個點應該怎麼走，怎樣選一條比較比較可靠的路線。當然傳到地面的話，是希望探測到的東西最後是一張大圖。

　　傳輸誤碼可能會導致壞點 在一定範圍內可以修復

　　這麼遠的距離，傳回來的圖像會不會有壞點?李雲松教授說，壞點主要是由於傳輸過程中出現誤碼或數據丟失，誤碼就是1變成0，0變成1，這時候有的地方恢復以後可能就會出現壞點。為避免這種錯誤，一般會加一些糾錯的方式。也就是說雖然錯了，但在一定範圍內可以糾正過來。但如果超出限度了，也還是會出錯的。因為影響因素比較多，包括信道也並不是會一直穩定，有時還會斷掉。斷掉的這段時間，數據就全都沒有了。

　　環繞器搭載了高解析度拍攝設備 對特別關注目標的圖像不壓縮

　　常常看到有人在網上發個圖，說是火星上發現了什麼動物、建築的形象，但其實都是猜測的。那麼火星車拍攝的圖片像素能達到什麼程度?李雲松教授介紹，這次火星環繞器上搭載了一個高解析度的拍攝設備，具體解析度還需等官方正式公布。

　　「對我們的工作來說，解析度是會有影響的。我們在圖像壓縮上設置了很多參數，最好的是完全不去做任何壓縮，也不會有任何損失。這只是針對那些局部的特別關注的目標，才可能會選擇這種模式。但更多的還是巡視方式，所以還是要做大壓縮比，這樣才能保證比較快速地傳回來。由於各種數據的特性以及最後對質量的要求不一樣，我們這次在技術上的突破，主要就是針對不同類型的數據，根據其不同的特性和質量要求，開發設計了對應的高性能的壓縮方式，確保性能好、複雜度低、可靠性高。」

　　火星車會自動規划行進路線 自動尋找感興趣目標

　　李雲松教授介紹，為克服超遠距離帶來的信息傳遞延時問題，他們也在參與在做一些智能化處理。「就是讓火星車可以自主探測，不需要人來指揮，讓它能有一定的自主性。比如說火星車落到火星表面上以後，它會自動地去規划行走路線，會自動去找到它感興趣的目標。而為了讓火星車對有意義、有價值的東西『感興趣』，會提前做一些訓練，包括對各種地質、礦石、礦物，或者一些提前已設想到的目標。但不可能全都覆蓋，所以也會有所謂的異常檢測方式。這種方式不是預先設定要看什麼，而是說要來分析面前的東西有沒有可能會含有新信息或存在風險。」

　　環繞器探地雷達可穿透表層 探測火星有沒有水

　　那麼這次給火星探測車有沒有加載找水這樣的任務?李雲松教授表示是有的。這次在環繞器上裝了個探地雷達，可以穿透火星表層，探測十幾米或者幾十米深度範圍內有沒有水。

　　李雲松教授表示，美國的也好，歐洲的也好，相比來講，咱們這次探測方式是比較全面的。有拍火星表面圖像的，有拍地下水體的，也有拍地質和物質成分的，也有做微觀探測的，還有一些可能要探測火星上面的空氣，另外還有對聲音、磁力等各方面的探測。對咱們國家來說，可以叫一步到位的探測計劃。但與此相應，風險也很大。「只要能夠發射成功，火星車成功著陸，那麼後續工作的可靠性方面，就跟前面的探月階段很接近了，我們還是比較有把握的。期待是7個月以後，我們能夠看到來自火星的圖像。」

　　「通過智能化處理技術，希望火星車能走得更快更穩」

　　著陸之後火星車在上面主要開展什麼工作?李雲松教授表示，雖然著陸點是預先選好的，但這個區域的環境是未知的，火星車要開展相對比較自由的、有些可能是完全自主的活動和探測，會存在很多風險。「以前玉兔號在月球上的探測速度很慢，因為要保安全，又是通過遙控的方式。這次希望在後續通過智能化處理技術，讓我們的火星車能夠行走得更快更穩。」

　　華商報記者 馬虎振 文/圖

來源：華商網-華商報

編輯：報社方正