基于北斗短报文的图像步进传输技术研究*

2018-12-19王春梅林树青刘书伟

通信技术 2018年12期

周菲，王春梅，林树青，刘书伟

（1.广州市粤峰高新技术股份有限公司，广东广州 510663；2.广东金融学院互联网金融与信息工程学院，广东广州 510521；3.广州商学院信息技术与工程学院，广东广州 511363）

0 引言

近年来，我国北斗卫星开始向亚太大部分地区提供导航、持续无源定位和授时服务。特别是我国“北斗一号”卫星的短报文通信功能，是美国GPS（Global Position System）卫星和俄罗斯GLONASS卫星都不具备的功能，是全球首个除了定位、授时功能外，集短报文通信于一体的卫星导航系统。北斗卫星信号位于北纬5°～55°和东经70°～140°的范围，覆盖大部分亚太地区，并提供定位、授时和短报文通信服务。北斗卫星在赤道上空36 000 km高空的静止轨道，地面接收机仰角能在10°～75°的大范围调节，可减少地面障碍物的遮挡，特别适用于一些高山地区，应用前景广阔。北斗的授时精度为单向无源授时100 ns和双向有源授时20 ns，具有同步授时精度高、受环境干扰小、实时性好等优点。

短报文通信是“北斗一号”的一大特色，具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心间双向数字报文通信功能。一般的用户机可一次传输36个汉字，申请核准可以达到传送120个汉字或240个代码。短报文不仅可点对点双向通信，而且提供的指挥端机可进行一点对多点的广播传输，为各种平台应用提供了极大便利。指挥端机收到用户机发来的短报文后，通过串口与服务器连接，并以通信服务解析数据，通过短信网关转发至移动终端，以及通过通信服务实现移动终端往用户机发送短报文功能[1]。与定位功能相似，短报文通信的传输时延约0.5 s，通信的最高频度也为1 s/次。

开发北斗短报文通信的应用意义非凡。例如，定位功能结合短报文通信功能，不但能使用户知道自己在何处，而且可以让对方知道自己现在的位置信息。利用北斗短报文通信功能提出静态图像传输技术，广泛应用于遥感、遥测和应急救助等领域。本文是对拍摄遥感图像的JPG格式图像使用小波变换压缩技术（压缩为基础的图像），然后利用短报文通信采用按频率分量步进传输技术进行空间传输，接收后采用小波反变换技术进行还原，实现北斗卫星导航系统一代短报文功能在窄带条件下的图像传输。值得一提的是，北斗卫星的应用是我国的长期战略和国策。

1 北斗卫星系统

国际上图像空间信息传输技术刚刚起步。我国与发达国家的研究水平相比，硬件方面由于在基础理论研究和工业制造技术的欠缺，与发达国家差距较大，但在软件方面我国的人力资源丰富且软件开发成本较低，与发达国家差距不大。所以，总体看来，与发达国家的发展水平相当。在卫星定位系统方面，我国成功完成北斗卫星导航系统第1代后，继续投入北斗卫星导航系统第2代的研究，致力于解决北斗卫星导航系统第1代的有源主动定位应用的限制[2]。北斗卫星与地面接收示意图如图1所示。

图1 北斗卫星与地面接收

北斗卫星系统信号覆盖我国领土及周边地区，同时具备定位与通信功能，安全、可靠、稳定、保密性强，适合关键部门的应用[3]。目前，注册用户数量增长缓慢，资源闲置比较严重[4]。文献[5]指出北斗卫星导航系统在船载导航上的应用对我国的经济和国家安全显得尤为重要；文献[6]提出基于北斗卫星导航系统的导航终端已经广泛应用在各个行业和领域。目前，全球有GPS系统、GLONASS系统、GALILEO系统和北斗（BEIDOU）系统等多种导航系统。在未来，导航移动终端在中国的市场规模的年均增长率将高达到99%。目前，我国导航移动终端市面上的导航移动终端94%以上采用GPS技术，采用北斗卫星导航系统所占的市场份额不到中国总市场份额的3%。短报文通信是北斗卫星系统所独有的功能，包括美国GPS在内都只能实现定位，没有实现点对点通信功能。当前，北斗卫星通信短报文功能在军用和国家救援方面已经展示了卓越的成果。文献[7]中GPS/GSM组合被广泛应用于远程目标监视领域，但由于GSM等地面移动网络存在信号盲区，其应用范围受到限制。文献[8]论述在地面通信中断的情况下，北斗卫星系统可为快速救援提供巨大的助力。文献[9]指出基于北斗终端、GPS终端、智能PDA、北斗卫星通信网络和移动通信网络构建移动应急位置服务网，实现基于北斗的移动应急监控与指挥技术。目前，各种基于北斗通信电文的应用得到了极大的推广，用户迫切需要提高北斗通信电文数据容量[10]。北斗卫星短报文通信具有用户机与用户机、用户机与地面控制中心双向数字报文通信功能。

基于北斗短报文的图像传输方案如图2所示。CCD图像传感器采集空间图像，嵌入式处理器将图像进行压缩后将已压缩的图像送至北斗通信模块，北斗通信模块将已压缩的图像信息发送给北斗卫星或地面中心站，由地面中心站接收转发给其他北斗卫星或用户接收终端。用户接收终端接收到北斗或地面中心站发送的图像信息后，经解压逐步还原成图像。

图2 基于北斗短报文图像传输方案

2 短报文传输图像

先对数字图像压缩中具有代表性的几种图像编码方法进行统计，重点研究小波变换的压缩手段。小波变换算法研究包括小波变换的来源和具体变换公式，并应用到图像数据变换上，对图像经小波变换后得到的系数进行统计分析，得出小波系数的值大部分趋于零、各个高频子带的系数统计分布以及与拉普拉斯分布的符合度。高频子带也是小波图像压缩的重点。然后，对小波图像压缩技术和对零树编码算法进行研究，即嵌入式零树编码算法和多级树集合分裂算法，并对这两种算法进行比较和试验。在此基础上，根据图像数据变换后的高频小波系数的分布特点和人眼视觉特性，优化图像压缩算法，通过变长选取合适的阈值和小波基，使算法达到较好的压缩效果。

2.1 短报文通信可靠性

北斗报文通信相比其他卫星通信方式具有如下特点[11]。

2.1.1 北斗通信申请的信道分析

通信申请的用户机端通过“北斗”卫星与其他用户机建立通信申请链接，类似互联网通信的链路层，只不过北斗通信通过卫星无线互连。“卫星TCP/IP传输技术”中定义的链路层不仅指整个系统的通信链接，而是在其基础上高了一个层次。“北斗”卫星通信的实际链路中并没有实现链路控制功能，类似于互联网的物理层。可以类比，数据丢失率类似链路的差错率，通信频度类似于传播延迟，信息往返同样也存在信道的不对称性。

2.1.2 通信带宽和信息量的限制

根据北斗卡的不同级别，北斗卡可以支持的报文通信分为两个级别：普通用户通信频率为120汉字/次；三级北斗卡发送短报文时间频率为1 min/次。

2.1.3 数据格式的种类

根据需要可以选择北斗通信申请的短报文的两种数据类型，一种是通常汉字通信采用的ASCII，另一种为BCD码方式。

2.1.4 通信过程中的干扰因素和制约因素

北斗短报文通信除了易受天气等环境因素的影响和数据传输误码率较大的限制外，发送短报文的长度和频率也影响了其民用的灵活性，但其在救援救急上的应用起到了较好的补充和保障。

2.2 图像的压缩技术

为了实现短报文通信窄带传输图像，需要对图像信息进行压缩和采用步进传输来解决窄带传输问题，目的是减少图像数据中的冗余信息，用更加高效的格式存储和传输数据。

目前广泛使用的图像压缩是JPEG（Joint Photographic Exports Group）格式。JPEG开发了两种基本的压缩算法（有损数据压缩和无损数据压缩）、两种熵编码方法（Huffman编码和算术编码）和四种编码模式（基于DCT的顺序模式、基于DCT的渐进模式、无损模式和层次模式）。实际应用中，JPEG图像编码算法多使用的离散余弦变换、Huffman编码和顺序编码模式。

图3为图像压缩编码过程。图像编码的整个过程包括对图像数据进行量化，削弱或消解除了图像内部信息的关联性，从数据结构上降低冗余度；进一步减少输入图像对心理视觉的冗余；熵编码是生成一个可变长或固定的编码，由量化器输出，将格式调整到与编码一致。

图3 图像压缩编码过程

3 小波变换实现图像压缩方法

小波理论研究已成为应用数学的一个新方向。作为数学工具，小波被迅速应用到图像和语音分析等众多领域。小波变换的技术也越来越多地应用在图像压缩领域中。小波变换最成功的图像处理应用领域之一是图像压缩。因此，小波图像编码作为核心算法应用于新一代静止图像压缩JPEG2000标准中。

压缩编码原理中小波图像信息的能量主要集中在图像的亮度部分（即低频分量），而水平、垂直和对角线部分的能量则反映图像的细节。一帧图像进行小波图像编码可采用二维小波变换，也就是分别在行或列方向做一维小波变换，对水平方向或垂直方向的冗余去关联性。小波变换分解成为一系列不同频率、方向、空间局部变化的子带图像，可利于不同编码方式，获得更高图像压缩比。

3.1 小波变换过程

一帧图像经过一次小波变换后生成以下4个子带图像：

（1）LL表示原图像的最佳逼近，反映了原图像的基本特征；

（2）HL表示水平高频分量，反映图像信号水平方向的特征；

（3）LH表示垂直高频分量，反映图像垂直方向的特征；

（4）HH表示对角线高频分量，反映对角线方向的边缘、轮廓和纹理。

由于LL子带集中了图像的大部分能量，下一级的小波变换是在上一级变换产生的低频子带（LL）再进行一次小波变换，如图4所示。

图4 逐层小波变换

与FFT、Gabor变换相比，小波变换是一个时间和频率的局域变换，能从原始信号中提取有效信息，通过伸缩和平移等运算对原始信号进行多尺度细化分析（Multiscale Analysis），克服了FFT栅栏效应、频谱泄露等问题，为此称小波变化为“数学显微镜”。除了求解微分方程之外，一般用FFT分析的场合都能用小波分析，甚至能获得更好的效果。

小波变换的原理如下。设具有有限能量的时间函数f(t)，f(t)∈L2(R)，其小波变换定义为函数族。

其中a、b是t的连续变量，a为尺度参数，b为时移参数，称函数Ψ(t)为母小波。小波Ψa,b(t)是复变函数。改变a的值，对函数Ψa,b(t)具有伸展（a＞1）或收缩（a＜1）特性，如图5所示。

图5 Ψ(t)函数的伸缩特性

3.2 小波选择的条件

定义域是所支持的（Compact Support）在一个很小的区间之外函数为零，即函数应有速降特性，以便获得空间局域化使平均值为零：

甚至Ψ(t)的高阶矩阵也应为零，即：

平均值为零的条件称作小波的容许条件。

3.3 离散小波变换

离散系统中，需要对尺度参数a和时移参数b进行离散化。可以选取a=a0m，m为整数，a0为大于1的固定伸缩步长。因为Ψa,b(t)=aΨ1,b，可选b=nb0a0n，n为整数，b0＞0且与小波Ψ(t)具体形式有关。在一个特定的位置观察信号变化过程，然后再平移到另一位置进行观察，选择适当的放大倍数a=a0-m。如果放大倍数过小，也就是尺度太大，可以按大步长移动一个距离；反之，亦然，通过选择递增步长反比于放大倍数来实现。而该放大倍数的离散化是平移定位参数b的离散化实现的，那么离散小波可定义为：

相应的小波变换为：

称为离散小波变换。

对一帧N×N图像，每进行一次变换，都将图像分解成4个1/4大小的小图像，这4个图像都是由原图像与一个小波基图像内积后再经过在x和y方向都进行2倍的间隔抽样生成的，如图4所示。设原图像为f1(x,y)，对第一层次j=1：

以后的每一层次（j＞1）依次类推。

3.4 压缩技术的过程

二维图像的小波分解过程是选择适当的尺度参数a、时移参数b以及恰当的分解层数（项目选择2层分解，N=2），计算图像在各个尺度上的小波系数。其次，量化各尺度细节，包括高频分量的小波系数，并进行压缩操作。最后，恢复信号的过程，即利用第N层的近似（低频）小波系数和1～N各层量化的细节小波系数恢复图像。以上技术主要研究小波变换在图像压缩中的应用，以窄带短报文通信的工程项目为基础，探索小波变换在图像压缩中的技术。

3.5 嵌入式变长编码

研究基于小波提升的嵌入式编码技术，针对EZW数据等长编码的不足进行变长编码研究。变长编码手段，并对零树结构采用SPIHT算法的分裂方法进一步减少数据冗余，逐行步进传输和还原图像。变长编码算法的目的是提高图像的压缩率用于固定码率时保证解码质量。

3.6 小波反变换及图像的重建

图像数据压缩首先对源图像进行离散小波变换，然后进行量化、熵编码，最后形成输出码流。解码器是编码器的逆过程，先对码流进行熵解码，然后解量化和小波反变换，最后重建图像数据，如图6所示。

图6 小波变换和反变换过程

4 图像数据步进传输研究

4.1 北斗通信模块异步通信格式

北斗短报文的通信技术原理是指挥机端可通过串口获取发送至其的数据，并通过程序接收并处理数据，以实现各种应用。需要注意，串口异步传送。主要包括传输速率19 200 bit/s（默认），可根据用户机具体情况设置其他速率、1 bit开始位、8 bit数据位、1 bit停止位和无校验等参数。信号处理系统模块STM32F407具有异步串行接口，便于北斗通信模块串行口兼容。

4.2 按频谱步进传输

图像的小波变换具有内在多尺度结构。所以，基于小波变换图像的压缩操作不需要对图像进行分块操作，也就不存在以往基于分块变换而导致的分块效应。小波基的紧支集特性和小波变换的多尺度展开结构，使得小波变换同时又是一种时频分解。每个小波系数反映图像的一个特定空间范围和特定的频率范围内的信息内容。小波变换将图像的绝大部分能量集中到低频子带，少数能量分布在高频子带。图7为步进传输（先传输图像轮廓数据低频成分，然后再步进方式传输图像更高频成分），不断提高图像的清晰度。