■记者付一枫

2020年7月23日12时41分，中国首次火星探测任务“天问一号”探测器，在海南岛东北海岸中国文昌航天发射场，由长征五号遥四运载火箭发射升空。此次发射掀开中国自主开展行星探测新篇章，成为我国深空探索全新的里程碑。

西安电子科技大学通信工程学院李云松教授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。

7月23日，长征五号遥四运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空，实施我国首次火星探测任务（天问一号任务）。（图片来自新华网）

致力于探测器图像与数据压缩

将“天问”的答案“打包”回传

相对于地球的近邻“月球”，火星的距离实属遥远。想要让火星探测到的各类图像和数据“看得清”“收得回”，数据压缩必不可少。

“地球与火星距离最远4亿公里，最近时也有近6000万公里。因为能量的损耗是与传输距离的平方成反比的，这样就意味着信号衰减很厉害，信噪比就很低了，有效传输速率很低。”李云松介绍说。

此次发射的火星探测器共搭载了13台科学载荷即探测仪器，涉及空间环境探测、火星表面探测、火星表层结构探测等领域。其中，火星环绕器携带7台，火星车携带6台，它们的科学目标是实现对火星的表面形貌、土壤特性、物质成分、水冰、大气、电离层、磁场等进行科学探测，进而有利于建立起对火星全面而基础的认识。

“探测器与地面的信号传输方式是无线数传。火星车、环绕器上的天线发射信号，地面天线接收器接收信号，形成了信息传输的物理链路。”李云松介绍说。

“这条物理链路就相当于我们修了一条路，数据就是在这条路上要运输的货物。问题在于，想运送的东西很多，道路却很窄。这么一来，要么是修宽路，要么是把货物进行处理。我们做的工作就是把货物压得紧一点。这样就能在有限的带宽下，传输更多东西。”对团队承担的工作，李云松打了一个形象的比喻。

“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。”李云松进一步解释说。

参与全部5项压缩任务

资源受限下实现性能提升

“这次是我们处理数据类型最多的一次，有可见光的、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，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。”李云松表示。

这些探测设备，就是在深空中人类感知的极大延伸，充当人类在火星上的“眼耳鼻舌”，帮助我们更好更精准地认识火星。

如何确保图像和数据压缩质量？针对不同数据类型和压缩要求，李云松团队提出了不同的解决模块——

团队研发了中分辨率相机和高分辨率相机压缩模块，首次在我国航天器上使用300万门FPGA实现了基于JPEG2000算法的图像压缩和处理功能，支持有损压缩和无损压缩，支持多种图像模式和多个压缩比进行压缩，相比于现有深空探测卫星遥感图像编码器来说具有最好的图像压缩效率。

团队研发了矿物光谱分析仪图像压缩模块，针对火星矿物光谱分析仪图像谱段数据分布不均匀特性，提出了一种混合频段分析的光谱图像压缩方法，解决了不同维度光谱像素级有损无损混合压缩问题，在整体带宽受限情况，确保了重点光谱数据无失真编码。

团队研发了环绕器次表层探测雷达原始数据压缩模块，根据SAR数据的统计特性以及次表层回波小信号的保留要求，提出了在受限资源情况下可靠压缩软硬件方案，可对数据进行无损压缩、1.5倍-2.5倍有损压缩。

团队还承担了国家科技创新2030“新一代人工智能”重大项目“地外探测无人系统自主智能精准感知与操控”中的图像分割、检测、定位、跟踪和识别子课题。预计到2022年左右加载到火星车上，将显著提升中国火星车的自主能力。

在数据传输带宽和硬件资源受限的极端情况下，图像压缩的效率影响我们获取图像的质量和速度。“图像和数据压缩的部分核心算法在探月、对地观测中都已经检验过了。此次我们面临的主要挑战还是资源受限下进一步提高压缩效率的问题。我们做的，就是在处理资源非常少的情况下，针对不同数据特性和质量要求设计高性能压缩，不断优化算法，开发性能又好、复杂度又低、安全性和可靠性又高的算法。”李云松解释说。

传承探月精神

拥抱星辰大海

与国家需求和实际应用紧密结合，正是李云松及其团队开展科学研究的重要前提和最终目标。此次承担探火工程科研任务，离不开李云松团队多年来在深空探测领域的持续耕耘。

从2007年到2018年，嫦娥一号到四号通过四次任务逐步实现了月球的环绕、着陆和巡视。后期计划发射的嫦娥五号还计划实现从月球返回的目标。在探月工程“绕落回”三大步中，每一步都凝聚着李云松团队的智慧。

自从事星载图像、视频压缩编码的研究以来，李云松团队始终围绕国家航天领域重大需求，深入研究可见光全色图像、多光谱图像、立体图像、红外图像和视频图像等各类卫星遥感图像的成像特性分析、高效压缩编码方法以及高速星载硬件系统实现方法，解决了我国现阶段卫星图像数据传输和存储的瓶颈问题，在满足图像质量要求的前提下提高了压缩比和图像压缩解压缩实时处理能力。团队成功完成探月工程的各项任务，相关成果还获得2012年国家科技进步二等奖

在探月过程中的技术积累和实战经验，是李云松团队完成中国火星任务和接下来深空任务的最宝贵财富。“航天标准要求很高，责任也很重大。风险高、周期长、难度大，研发、生产、测试、维护，都要一步一个脚印，确保百分百成功。”

“希望能顺利到达。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的更快更稳。”李云松向“天问一号”送出美好祝愿。

你好火星！

中国首次火星之旅

2020年4月24日是第五个中国航天日，国家航天局宣布，将我国行星探测任务正式命名为“天问”，将我国首次火星探测任务命名为“天问一号”。这一天也是我国第一颗人造卫星“东方红一号”发射50周年纪念日，格外有“传承”的使命感。

“天问”源于屈原长诗《天问》，表达了中华民族对真理追求的坚韧与执着，体现了对自然和宇宙空间探索的文化传承，寓意探求科学真理征途漫漫，追求科技创新永无止境。

火星和地球都是环绕太阳的行星，两者的距离不断变化。即使是火星离地球最近的时候，也有月球的150倍远。

那么为何要“去火星”？

在太阳系的八大行星中，火星是离地球较近且环境最相似的星球，一直是人类走出地月系统开展深空探测的首选目标。火星跟地球有着相似的自转周期，为24小时37分。除此之外，在火星上还有春夏秋冬四季的更迭。正因为这些相似点，有人发出了“火星是地球的过去还是未来”之问。通过发射探测器了解火星的状况，获得更多信息，以此能够帮助人类更好地研究地球的演变与未来发展。

考虑到风险、成本等因素，地球航天器到火星的最佳路线为1925年提出的“霍曼轨道”。由于该轨道每26个月才能出现一次，且最近“霍曼轨道”形成时间为2020年夏，所以近期各国火星探测计划均集中在该时间段。

天问一号将是我国自主发射的第一颗火星任务，是绝对的重磅出击——一次探测，就要在完全陌生的火星环境实现火星环绕、火星表面降落、巡视探测三大任务。这样高起点、高难度的挑战，在世界航天史上是首例。

按照计划，探测器将在地火转移轨道飞行约7个月后，到达火星附近，通过“刹车”完成火星捕获，进入环火轨道，并择机开展着陆、巡视等任务，进行火星科学探测。