Questão:
Quais algoritmos de compressão de dados foram usados ​​com sucesso em naves espaciais?
GreenMatt
2013-07-18 02:17:09 UTC
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A espaçonave científica pode gerar grandes quantidades de dados. No entanto, tanto o armazenamento disponível a bordo da nave espacial quanto a largura de banda disponível para transmitir os dados às estações terrestres são limitados. Portanto, a compactação de dados é necessária. Quais algoritmos foram usados ​​com sucesso em espaçonaves?

Para [a vida posterior da Voyager] (http://history.nasa.gov/computers/Ch6-2.html) (seção "Futuro da Voyarer"): "Os funcionários do Projeto Voyager decidiram usar o Sistema de Dados de Voo em modo de processador duplo para o primeira vez para o encontro de Urano para fornecer compressão de dados de imagem. Assim, o conteúdo da informação permaneceu alto, embora a taxa de transmissão tenha sido drasticamente reduzida. " "Avanços recentes na teoria de codificação para comunicações quase livres de erros" (Cheung et al.): "Técnica desenvolvida por R. F. Rice ... é essencialmente um código-fonte universal sobre as diferenças entre pixels sucessivos".
Eu editei a marcação, removendo a etiqueta do computador de vôo e adicionando a etiqueta dos sistemas de dados. Um computador de vôo é uma peça específica de hardware. Pode haver outros processadores a bordo de uma nave espacial. Para uma missão científica moderna, cada instrumento geralmente tem seu próprio processador; além disso, a compactação de dados geralmente é feita por esses processadores, de modo que o processador principal da nave espacial não precisa fazer esse trabalho extra.
Uma das coisas que sempre me incomodou é que as pessoas discutem sobre o quão pouca informação é perdida em vários esquemas de compressão com perdas ... e não como isso afeta a detecção de recursos. No entanto, até onde sei, não há arquivo de dados descompactados + as rotinas de detecção automatizadas que precisam ser executadas.
Esta é uma pergunta ampla e aberta, com quase tantas respostas quanto existiram e existirão espaçonaves. Ninguém será capaz de escrever uma resposta "completa", mas vários de nós podem descrever o que sabemos. (Este não é o tipo de pergunta ideal para sites do estilo StackExchange, embora seja uma pergunta boa e interessante de qualquer maneira.)
@DarenW: Má escolha de palavras de minha parte, obrigado por apontar isso. Isso pode explicar as respostas menos satisfatórias que recebi. Eu editei para substituir "técnicas" por "algoritmos".
Dois respostas:
#1
+15
Adam Wuerl
2013-07-18 09:07:23 UTC
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Os dados da imagem normalmente são compactados usando algoritmos de compactação de imagem padrão. Por exemplo, o National Imagery Transmission Format, MIL-STD-2500C, define um formato padrão extensível para a transmissão de dados de imagens dentro das forças armadas. O padrão indica vários tipos de compactação de imagem compatíveis com o padrão (como JPEG).

Os dados de telemetria nem sempre são compactados. Uma razão é que muitas vezes são várias ordens de magnitude menos dados do que o que está sendo gerado pela carga útil (seja imagens, comunicações ou dados de outro tipo de instrumento ou sensor) e, portanto, no amplo esquema de coisas que não vale a pena compactar . A telemetria também é frequentemente enviada como um fluxo de dados (em vez de um arquivo), o que limita os tipos de esquemas de compressão que podem ser usados.

Na verdade, os sinais de radiofrequência costumam aumentar intencionalmente de tamanho por meio de técnicas como correção de erros de encaminhamento (FEC) e codificação de convolução, que são meios de adicionar dados redundantes a um sinal para tornar a transmissão mais robusta a erros de transmissão endêmicos aos links de comunicação espacial.

Dito isso, existem padrões para a compactação sem e com perdas de dados de espaçonaves. O Comitê Consultivo para Sistemas de Dados Espaciais (CCSDS) publicou um conjunto de padrões para links de comunicação espacial. Atualmente, existem quatro padrões lançados que discutem a compactação de dados sem perdas e a compactação de dados de imagem.

Obrigado pelas fontes incríveis, o artigo sobre compressão sem perdas foi especificamente interessante para mim.
#2
+13
gerrit
2013-07-18 02:50:49 UTC
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Vou me concentrar em satélites meteorológicos. Eles são um excelente exemplo de satélites que medem grandes quantidades de dados (e um com o qual tenho experiência pessoal). O ponto principal é: eles realmente não compactam os dados, mas podem degradá-los / limitá-los. Uma propriedade específica dos satélites meteorológicos é que os usuários desejam os dados rápidos , de forma que possam fazer a diferença em comparação com outros tipos de satélites.

O Advanced Very High Resolution Radiômetro (AVHRR) é um gerador de imagens meteorológicas que voou em satélites meteorológicos da NOAA e EUMETSAT desde 1979. Ele imagens de toda a Terra com uma resolução de 1 km em cinco canais operados simultaneamente. Essa resolução é tão alta que o tempo relativamente curto durante o qual ele tem uma conexão de downlink não é suficiente para os satélites NOAA fazerem o downlink de todos os dados. Portanto, eles fazem downlink de dados globais apenas em um formato especial conhecido como Global Area Coverage (GAC): 4 pixels adjacentes são calculados e 2 de 3 scanlines são ignorados. Indiscutivelmente, este é um tipo de compressão com perdas. Os usuários que precisam de dados de resolução total para sua própria região podem baixá-los diretamente do satélite (e agências meteorológicas nacionais fazem) ou pré-encomendar dados de resolução total para regiões específicas (mas não globalmente).

Três propriedades são limitadas:

  1. largura de banda
  2. armazenamento
  3. poder computacional

Com poder computacional suficiente, os satélites NOAA poderiam compactar todos os dados e fazer o downlink de todos eles. Infelizmente, a série NOAA KLM data de 1999 e eles não têm o poder computacional. Desde então, todas as três propriedades mencionadas acima cresceram e, no que diz respeito aos satélites meteorológicos, parece que a largura de banda e o armazenamento aumentaram mais do que o poder computacional. Portanto, não acho que haja qualquer compressão avançada acontecendo para as vastas quantidades de dados medidos por satélites meteorológicos.

Claro, existem outros satélites que também coletam grandes quantidades de dados. Não tenho experiência nisso, mas talvez outras pessoas possam contribuir com respostas relevantes.

Você pode esclarecer que nenhuma compressão está acontecendo? Ou eles o estão comprimindo, por exemplo, com PNG, e que quaisquer ganhos adicionais exigiriam muita CPU / complexidade / equipamento mais novo? Acho difícil imaginar que eles estão enviando dados RAW!
Os satélites meteorológicos @NPSF3000 podem transmitir dados brutos continuamente, linha por linha. Isso permite que os usuários leiam as imagens diretamente, conforme o satélite passa por cima. A compactação faz sentido se você despejar os dados uma vez por órbita, mas isso causaria mais atraso do que a aplicação de previsão a curto prazo tolera.
mesmo se você estiver transmitindo dados, existem algumas técnicas de compactação muito simples que podem economizar um monte de dados. Não tenho conhecimento do que eles fazem, por isso estou perguntando.
@NPSF3000 Pelo que entendi, eles não se comprimem, tenho 99% de certeza, mas não 100%.


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