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

doi:10.11728/cjss2023.01.210409047

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/cjss2023.01.210409047

郑香脂^{1, 2,},
张爱兵^{1, 2, 3},
孔令高^{1, 2},
WIESER Martin⁴,
KALLA Leif⁴,
仇通胜^{1, 2},
王文静^{1, 2},
田峥^{1, 2}

1.
中国科学院国家空间科学中心　北京　100190
2.
天基空间环境探测北京市重点实验室　北京　100190
3.
中国科学院大学　北京　100049
4.
Swedish Institute of Space Physics, Kiruna 98192

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
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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

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

ZHENG Xiangzhi^{1, 2
,},
ZHANG Aibing^{1, 2, 3},
KONG Linggao^{1, 2},
WIESER Martin⁴,
KALLA Leif⁴,
QIU Tongsheng^{1, 2},
WANG Wenjing^{1, 2},
TIAN Zheng^{1, 2}

1.
National Space Science Center, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190
2.
Beijing Key Laboratory of Space Environment Exploration, Beijing 100190
3.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049
4.
Swedish Institute of Space Physics, Kiruna 98192

摘要

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。
- 火星探测 /
- 离子 /
- 中性粒子 /
- 数据合并 /
- 对数压缩 /
- 无损压缩
Abstract:
An integrated ion and neutral particle analyzer is built for the first Chinese Mars exploration project, which has ten detecting modes. Most detecting modes of the analyzer produce data far more than data capability of the Mars project. A special data-processing method is presented, including data merging, logarithmic compression and lossless compression. By setting symbols in FPGA, all the three compression algorithms can be used serially, or only requisite algorithms are selected, making data-processing flexible. The compression ratio of data merging is 2 or 4, and logarithmic compression is 2. The compression ratio of lossless compression is necessarily related to data characteristic in different detecting mode. Furthermore, the experiment results show that the data-processing method has good performances and the data rate fulfills the requirements for the project.
- Mars exploration /
- Ion /
- Neutral particle /
- Data merging /
- Logarithmic compression /
- Lossless compression

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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

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图 2 原始科学数据组成

Figure 2. Composition of science data

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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

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图 4 对数压缩算法量化误差

Figure 4. Quantization error of logarithmic compression

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图 5 预处理器结构

Figure 5. Diagram of preprocessor

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图 6 自适应熵编码器结构

Figure 6. Diagram of the adaptive entropy coder

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图 7 仪器定标系统

Figure 7. Composition of calibration system

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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 express	MAVEN
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
1	默认	中性：8 E×3 M×16 A×1 D	8	开机后默认工作模式，可在全轨道采用
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
2	高能量分辨	中性：8 E×3 M×8 A×1 D	8	高能量分辨要求下的太阳风或磁鞘区探测
3	磁尾	离子：64 E×8 M×16 A×4 D	12	远火点前后开启
3	磁尾	中性：8 E×3 M×8 A×1 D	6	远火点前后开启
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
5	高时间分辨	中性：8 E×1 M×16 A×1 D	6	部分轨道段采用
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
6	全分辨	中性：8 E×3 M×16 A×1 D	116	最全分辨率的探测，可在全轨道采用
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
10	自诊断	中性：8 E×1 M×16 A×1 D	4	仪器自检测
注　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 ratios of data merging in different detecting modes

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到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 code	Decompressed 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	122.8	16.05	3.16
2	高能量分辨	194.8	25.05	4.39
3	磁尾	259.6	33.26	5.64
4	低能离子	256.4	32.42	5.50
5	高时间分辨	293.2	37.69	6.32
6	全分辨	27.1	13.71	2.52
7	太阳风	96.4	48.42	8.09
8	电离层	72.4	9.42	2.05
9	中性粒子	2.67	0.98	0.76
10	自诊断	11.2	11.2	11.2

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