Implementación sobre FPGA de un algoritmo de compresión de imágenes hiperespectrales bajo el estándar CCSDS 123.0-B-1

A lo largo de la historia, nuestro planeta ha atravesado numerosas y diferentes etapas. Sin embargo, desde finales del cretácico no se vivía un cambio tan rápido como el actual. Y a la cabeza del cambio, nosotros, el ser humano. De igual manera que somos la causa, debemos ser también la solución, y el análisis a gran escala de la tierra está siendo un punto de interés para la comunidad científica en los últimos años. Prueba de ello es que, cada vez con más frecuencia, se lanzan gran cantidad de satélites cuya finalidad es el análisis, mediante fotografías, de la superficie terrestre. Una de las técnicas más versátiles para este análisis es la toma de imágenes hiperespectrales, donde no solo se captura el espectro visible, sino numerosas longitudes de onda. Suponen, eso sí un reto tecnológico, pues los sensores consumen más energía y las imágenes más memoria, ambos recursos escasos en el espacio. Dado que el análisis se hace en tierra firme, es importante una transmisión de datos eficaz y rápida. Por ello creemos que la compresión en tiempo real mediante FPGAs es la solución idónea, combinando un bajo consumo con una alta tasa de compresión, posibilitando el análisis ininterrumpido del astro en el que vivimos. En este trabajo de fin de grado se ha realizado una implementación sobre FPGA, utilizando VHDL, del estándar CCSDS 123. Este está diseñado para la compresión sin pérdida de imágenes hiperespectrales, y permite una amplia gama de configuraciones para adaptarse de manera óptima a cualquier tipo de imagen. Se ha comprobado exitosamente la validez de la implementación comparando los resultados obtenidos con otras implementaciones (software) existentes. Las principales ventajas que presentamos aquí es que se posibilita la compresión en tiempo real, obteniendo además un rendimiento energético muy prometedor. Estos resultados mejoran notablemente los de una implementación software del algoritmo, y permitirán la compresión de las imágenes a bordo de los satélites que las toman.

星地链路加密影响仿真分析

星地链路加密通信是卫星通信系统安全防护的重要内容，在军事和商业中都有明确的需求，而安全技术对星地链路传输过程的影响分析则是卫星系统设计中必须考虑的问题，本文就是针对星地链路通信加密的影响问题进行研究。本文通过对星地链路安全威胁和安全通信需求的分析，建立了星地链路加密通信过程系统模型和丢包模型，分析了加密对数据误比特数和丢包率的影响，并利用仿真验证了分析结果的正确性。本文的主要成果如下： （1）建立了星地链路加密通信过程系统模型。通过分析星地链路的安全威胁和安全需求，为星地链路选择了合适的安全实施层次和密码方案，在此基础上建立了星地链路安全通信过程系统模型，该模型可以很好地描述星地链路加密通信过程，模拟加密、编码、交织、调制和加性噪声干扰等功能。 （2）总结了密文反馈模式下加密通信信道模型误比特数和丢包率的变化规律，预测了交织RS编码信道丢包率存在上限值。通过分析CCSDS传送帧模型和星地链路丢包策略，建立了星地链路丢包事件模型，并以密文反馈模式为例，分析了密文反馈模式下错误传播的特点与加密通信信道模型误比特数和丢包率的变化规律。分析表明，加密会使星地链路数据误比特数增加2个数量级；不同信道模型下，加密对丢包率的影响不同，且在交织RS编码信道下，丢包率存在上限值。 （3）仿真实现了星地链路加密通信过程，验证了加密影响分析结果的正确性。利用模块化建模方法建立了星地链路仿真模型，并仿真实现了该模型，通过仿真试验，对加密通信信道的误比特数和丢包率进行了测试，测试数据分析结果表明，密文反馈模式下交织RS编码加密通信信道丢包率确实存在上限值，上限值接近错误帧率，从而验证了预测结果的正确性。

面向空间应用的图像压缩技术研究

在空间图像传感器技术向高分辨率、高精度的应用领域迈进的同时，图像数据量的增长向空间飞行器数据存储和传输设备的性能提出了挑战。 为了解决图像质量和系统瓶颈之间的矛盾， 在地面广泛应用的图像压缩技术也在空间领域逐步取得应用。 空间传感图像的关键性和复杂性使得空间图像系统的设计倾向于选择无损或近无损的图像压缩技术。 尽管本文研究的目的是针对特定工程项目进行图像压缩算法的选型和实现，对空间图像压缩技术特点和算法选型策略进行总结也是本文的一项重要任务。JPEG-LS和CCSDS分别是基于预测的编码技术和基于变换的编码技术的典型代表，两者同样支持图像的无损/有损压缩；同样具有较高的压缩率和较低的复杂度；同样便于软硬件实现，并且已经在国内外的空间项目中获得应用。本文对这两种算法原理进行了详细的研究， 并在此基础上对两者的性能和适用环境进行了对比。本文总结了两种算法各自的优点，并提出了对算法局限性的改进方案。 FPGA在图像处理领域一直具有性能方面的优势。近年来随着技术的成熟，FPGA在空间设备中逐渐获得广泛应用。本文对选定的空间图像压缩算法进行了FPGA 实现，并在硬件平台上对算法进行了验证。测试结果表明，本文提出的FPGA实现性能超过国内外其它 FPGA实现，并接近甚至超过部分 ASIC实现。

航天器图像压缩小波变换的FPGA设计

中科院部博士资助基金项目( 0929361213) 资助

An Integrated Transmission-Media Noise Calibration Software For Deep-Space Radio Science Experiments

The thesis describes the implementation of a calibration, format-translation and data conditioning software for radiometric tracking data of deep-space spacecraft. All of the available propagation-media noise rejection techniques available as features in the code are covered in their mathematical formulations, performance and software implementations. Some techniques are retrieved from literature and current state of the art, while other algorithms have been conceived ex novo. All of the three typical deep-space refractive environments (solar plasma, ionosphere, troposphere) are dealt with by employing specific subroutines. Specific attention has been reserved to the GNSS-based tropospheric path delay calibration subroutine, since it is the most bulky module of the software suite, in terms of both the sheer number of lines of code, and development time. The software is currently in its final stage of development and once completed will serve as a pre-processing stage for orbit determination codes. Calibration of transmission-media noise sources in radiometric observables proved to be an essential operation to be performed of radiometric data in order to meet the more and more demanding error budget requirements of modern deep-space missions. A completely autonomous and all-around propagation-media calibration software is a novelty in orbit determination, although standalone codes are currently employed by ESA and NASA. The described S/W is planned to be compatible with the current standards for tropospheric noise calibration used by both these agencies like the AMC, TSAC and ESA IFMS weather data, and it natively works with the Tracking Data Message file format (TDM) adopted by CCSDS as standard aimed to promote and simplify inter-agency collaboration.

Modifiche al protocollo di trasporto LTP per migliorarne le prestazioni in presenza di perdite elevate

La presente tesi si pone come obiettivo quello di analizzare il protocollo LTP (in particolare in ION) e proporre dei miglioramenti utili al caso in cui siano presenti perdite elevate. Piu in dettaglio, una prima parte introduttiva motiva l'inefficacia del TCP/IP in ambito interplanetario e introduce l'architettura DTN Bundle Protocol (Cap.1). La tesi prosegue con la descrizione delle specifiche del protocollo LTP (Cap.2), in particolar modo evidenziando come un bundle venga incapsulato in un blocco LTP, come questo sia successivamente diviso in tanti segmenti LTP e come questi vengano successivamente inviati con il protocollo UDP o con un protocollo analogo. Viene quindi presentata un'approfondita analisi delle penalizzazioni dovute alle perdite dei segmenti LTP, sia di tipo dati che di segnalazione (Cap. 3). Quest'analisi permette di dimostrare la criticita degli effetti delle perdite, in particolare per quello che riguarda i segmenti LTP di segnalazione. Mentre in presenza di perdite basse tali effetti hanno in media un impatto minimo sul tempo di consegna di un blocco LTP (quindi del bundle in esso contenuto), in quanto avvengono raramente, in presenza di perdite elevate rappresentano un collo di bottiglia per il tempo di consegna di un blocco LTP. A tal proposito sono state proposte alcune modifiche che permettono di migliorare le prestazioni di LTP (Cap. 4) compatibilmente con le specifiche RFC in modo da garantire l'interoperabilita con le diverse implementazioni del protocollo. Successivamente nel Cap. 5 viene mostrato come sono state implementate le modifiche proposte in ION 3.4.1. Nel capitolo finale (Cap. 6) sono presenti i risultati numerici relativi ad alcuni test preliminari eseguiti confrontando la versione originale del protocollo con le versioni modificate contenenti i miglioramenti proposti. I test sono risultati molto positivi per elevate perdite, confermando cosi la validita dell'analisi e dei miglioramenti introdotti.