探空火箭振動遙測數據壓縮算法設計

呂騰達，劉 成

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京100190；2.中國科學院大學 北京100190）

探空火箭振動遙測數據壓縮算法設計

呂騰達1，2，劉 成1

（1.中國科學院 國家空間科學中心，北京100190；2.中國科學院大學 北京100190）

目前探空火箭遙測數據下傳鏈路帶寬資源有限，振動采樣數據量大、信源冗余度高。分析振動數據得知其分布特點為：整體相對穩定、局部波動較大。為減少探空火箭振動采樣下傳數據量，設計了基于動態哈夫曼編碼的振動數據壓縮方法，實現了對振動數據的無損壓縮，壓縮率達到20%左右，各數據包編解碼樹相互獨立，丟包不破壞后續數據包解壓。通過對比實驗表明該方法壓縮效率優于基于字典的LZW編碼算法。

探空火箭；振動數據；數據壓縮；動態哈夫曼編碼

目前探空火箭的遙測數據鏈路帶寬資源有限，振動采樣遙測數據未經壓縮直接下傳地面，導致帶寬資源得不到充分利用。用于實時監測火箭飛行狀態的振動采樣數據具有采樣頻率高，單位時間下傳數據量大，信息冗余大等問題。為保持振動采樣的頻率和精度不變，減少下傳數據量，分析了探空火箭的振動數據概率分布不均勻的統計特性和采樣數據序列有大量重復的特點，結合CCSDS協議標準的數據包大小固定的特點，提出了基于動態哈夫曼編碼的數據包獨立編/解碼的方法，該方法適用于數據波動特點為：整體相對穩定，局部波動較大的采樣數據的壓縮。通過對比基于動態哈夫曼編碼的壓縮算法和基于字典的LZW編碼壓縮算法，實驗表明該方法具有較高的壓縮效率，發生丟包后不破壞后續數據包解壓等特點。

1　振動數據分布特性分析

在探空火箭飛行過程中，振動情況整體相對穩定，采樣值波動在幾個固定的振動量之間。當探空火箭進行如伸桿展開、頭體分離等動作時，振動量會出現較大波動，但波動時間較短。振動數據整體分布情況具有“長期穩定，短期波動”的特點。以下針對探空火箭的振動數據分布特點，分析了探空火箭振動采樣數據的概率分布特性和采樣序列排列特性。

1.1振動數據概率分布特性

通過分析探空火箭飛行過程中的振動量波動情況，其飛行過程可分平穩段和波動段。波動段主要包括探空火箭發生動作的時間段如頭體分離、伸桿展開、頭罩分離等動作期間，在波動段時間內振動量波動范圍較大，但持續時間短。在平穩段時間內振動波動范圍較小，但占據了飛行過程的絕大多數時間。通過分析以往探空火箭飛行過程的振動數據記錄，得到結論如下：在探空火箭飛行過程中95%以上的時間，振動量相對穩定在幾個固定的振動量內，具有短時間內穩定的特點；在飛行過程中小于5%的時間內，振動量波動范圍較大。所以探空火箭振動量有明顯的概率分布不均勻現象，概率分布如圖1，具有較高的信源冗余度。計算探空火箭振動數據的信源冗余度為：

其中M為信源中符號個數，1b x=log2x，P（x）為信源中符號x的概率值。因此探空火箭振動數據信源冗余度在平穩段為R=86.76%，在波動段冗為R=42.90%。在平穩段壓縮空間大，在波動段壓縮空間小。

圖1　振動量概率分布圖

1.2振動量采樣序列周期性

通過觀察以往探空火箭飛行過程中的振動數據分布情況，可知探空火箭在振動平穩段，振動量大多波動在某固定值上下，具有一定的周期性，經常出現振動采樣連續幾次保持不變或者幾個采樣值周期性交替出現，示例如下：

①AAAAAAAA或者②ABABABAB

其中A、B代表不同大小的振動量，①代表某采樣值連續幾次保持不變，②代表兩個采樣值周期性交替出現。此外還有其他采樣值周期性交替出現的情況，即探空火箭的振動采樣數據存在大量重復的數據序列。

根據上述分析可得，探空火箭振動量具有以下特性：①明顯的概率分布不均勻特點。有95%以上的振動采樣數據分布在某固定左右，信息熵冗余較大；②采樣序列大量重復的特點。在振動相對平穩時，振動采樣數據波動具有一定周期性，存在大量重復的采樣序列。

2　振動遙測數據壓縮算法設計

本節結合了振動遙測數據的分布特性，其概率分布特點為在95%的采樣數據波動較平緩，不足5%的采樣數據波動較大，算法編碼部分采用哈夫曼編碼。設計了遙測數據包結構和壓縮算法流程。實現了對探空火箭的振動遙測數據的無損壓縮。采用數據包獨立編解碼的方法，避免了丟包對后續數據包的影響。

2.1振動遙測數據編碼方式

根據信息熵原理，可以把數據中出現頻率大的碼元用小的碼元長度表示，即占用比較少的比特數；把數據中出現概率小的碼元用大的碼元長度表示，即占用較大的比特數，這樣能大大地壓縮數據量［1］。哈夫曼編碼需要兩次遍歷數據能夠實現對原始數據的壓縮編碼，通過第一次遍歷統計各字符出現的概率，構建哈夫曼樹，用比特數小的碼元表示出現概率高的字符，用比特數大的碼元表示出現概率小的字符，第二次遍歷實現對數據的壓縮編碼。

在探空火箭飛行任務中為實時監測火箭振動情況，需要實時下傳振動數據，這表示不能夠先對振動數據進行概率統計然后進行編碼。本文的數據編碼算法采用動態哈夫曼編碼，克服了傳統哈夫曼編碼需要對原始數據進行二次遍歷的缺點，不需要統計數據的概率分布，可以在采樣的同時進行編碼，提高了編碼的實時性，而且壓縮效率與傳統哈夫曼編碼相當，甚至優于傳統哈夫曼編碼［2-4］。

2.2振動遙測數據包結構設計

探空火箭各振動點每個采樣數據分x軸、y軸和z軸3個分量，由于各方向的采樣精度不同位數不同，概率分布特性不同。本算法對3個分量的編碼獨立進行，即對每個分量的編解碼建立相互獨立的編碼樹。每次采樣完成后，分別按各自分量的編碼樹進行編碼，然后將編碼按照xyz順序存入數據包中，當數據包剩余空間的位數小于本次編碼的位數時，將本次編碼存入下一個數據包。

圖2　振動遙測數據包結構

探空火箭數據下傳系統采用符合CCSDS標準的遙測源包格式，該標準規定了數據段大小固定不變。本算法定義的振動遙測數據包結構如圖2所示。第一部分為數據包頭，包含了時間碼、數據類型、通道序號等數據包詳細信息；第二部分為采樣次數n，標記了第3部分包含的采樣數據的個數，每次采樣包含x、y和z 3個分量，由于哈夫曼編碼屬于不定長編碼，采樣次數n避免了在解碼時第4部分（空閑位）參與解碼。第3部分為數據包的n次振動采樣數據，從低位到高位按時間順序排列；第4部分為空閑位，由于哈夫曼編碼屬于不定長編碼，在當前數據包的空余位不足以保存下一次編碼的數據時，空閑位保持不變，將本次采樣的編碼數據存入下一個數據包中。

2.3振動遙測數據壓縮算法流程

數據傳輸過程中不可避免地會產生丟包現象，為防止數據丟包破壞后續數據的解壓縮產生錯誤的數據，本算法采用數據包獨立編/解碼的方法。

振動數據壓縮算法具體執行步驟如下：

步驟1：初始化數據包填充包頭新信息，如時間碼，數據類型等信息，初始化動態哈夫曼編碼樹；

步驟2：讀入一組振動數據并進行動態哈夫曼編碼，更新哈夫曼樹；

步驟3：比較當前數據包剩余bit位數與本次編碼bit位數大小關系，如果大于等于則把本次編碼按照xyx順序裝入數據包，返回到步驟2。如果小于則當前數據包完成填充，本次讀入的振動數據參與下個數據包的編碼。

步驟4：判斷編碼是否完成，如果沒有完成則返回到步驟1。如果完成則結束程序。

解碼時，對每一個數據包進行獨立的動態哈夫曼解碼，即解碼樹相互獨立調整。

數據包獨立編解碼在每次生成新的數據包時，重新初始化動態哈夫曼樹，確保每個數據包之間的數據的獨立性，防止因為數據丟包引起的后續數據錯誤的解碼。

圖3　振動數據壓縮算法流程圖

3　壓縮算法性能分析

根據振動數據的兩個特性，在本文的算法設計壓縮編碼部分分別采用兩種編碼方式，動態哈夫曼編碼和基于字典的LZW壓縮算法［5］。考慮CCSDS標準遙測源包格式中數據域大小固定不變，我們分別用以上兩種算法對振動數據進行編碼，使壓縮數據量大小為400字節左右，經過多次試驗，記錄其壓縮率求平均，兩種算法壓縮比比較結果如表1。

表1　動態哈夫曼編碼與LZW編碼壓縮性能比較

對比兩種壓縮算法的壓縮率，無論在振動平穩階段還是在振動波動階段，動態哈夫曼編碼算法的壓縮效率均明顯高于LZW編碼。動態哈夫曼編碼算法的綜合壓縮率為19.01%，明顯優于基于LZW算法壓縮效率。動態哈夫曼編碼在壓縮效率方面，比LZW編碼更適合應用于探空火箭的振動數據壓縮。

此外本算法還具有丟包不破壞后續數據包解碼的特點。動態哈夫曼編解碼算法簡潔，大大提高了壓縮速度，提高了系統的實時性［6］。

4　結束語

文中分析了探空火箭振動數據的概率分布不均勻和振動量采樣序列大量重復的特點，針對兩個特點分別設計了基于動態哈夫曼編碼和基于LZW編碼的方法，通過對兩種算法的壓縮性能進行分析比較，表明基于動態哈夫曼編碼的算法具有較好的壓縮效率。提出了數據包獨立編解碼的方法，避免了丟包對數據解壓的影響，提高了系統的穩定性。

［1］劉新，潘振寬，于建.基于信息熵編碼的改進圖像編碼方法研究［J］.信息技術與信息化，2006（1）:108-110.

［2］Jeffrey Scott Vitter.Design and analysis of dynamic huffman codes［J］.Journal of the Association for Computing Machinery，1987，34（4）:825-845.

［3］方敏，秦曉新，劉本喜.動態哈夫曼編碼的數據壓縮方法［J］.計算機世界，1994（7）:29-33.

［4］朱懷宏，吳楠，夏黎春.利用優化哈夫曼編碼進行數據壓縮的探索［J］.微機發展，2002（5）:1-6.

［5］楊國梁，張光年.無損LZW壓縮算法及實現［J］.首都師范大學學報；自然科學版，2004（S1）:11-13，17.

［6］李曉飛.Huffman編解碼及其快速算法研究［J］.現代電子技術，2009（21）:102-104，108.

Design of sounding rocket telemetry vibration data compression algorithm

LV Teng-da1，2，LIU Cheng1
（1.National Space Science Center，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China；2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China）

The sounding rocket telemetry downlink has limited bandwidth，while the amount of vibration sampling data with much redundancy is very large.By analyzing the vibration data we geta conclusion that:the vibration fluctuation is generally stable and seldom has large fluctuation.In order to reduce the amount of vibration data of sounding rocket，we designed a compression method based on dynamic Huffman encoding，achieving the lossless compression of vibration data，and the compression rate reached 20%.Each data packet is encoded independently，so when a packetmissed other data packet's decodingwillnotbe affected.By comparing，it truns that the proposedmethod isbetter than the LZW based coding algorithm.

sounding rocket；vibration data；data compression；dynamic Huffman encoding

TN99

A

1674-6236（2016）19-0028-03

2015-09-06稿件編號：201509040

呂騰達（1989—），男，河北邢臺人，碩士。研究方向：圖像及信號處理。