Некоторые методы и устройства сжатия двоичных информационных массивов в бортовых информационно-измерительных системах научных космических исследований

• Автор: Геворков, Левон Георгиевич
• Шифр специальности: 05.11.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 1984
• Место защиты: Баку
• Количество страниц: 167 c. : ил

"Основные направления экономического и социального развития СССР на І98І-І985 годы и на период до 1990 г.", принятые ХХУІ съездом КПСС, предусматривают в качестве одной из важнейших задач развития науки и ускорения технического прогресса "дальнейшее изучение и освоение космического пространства в интересах развития науки, техники и народного хозяйства" [і] . Интенсивность
космических исследований все более возрастает, лавинообразно увеличивается количество научных и прикладных задач в исследовании космоса и соответственно увеличивается количество экспериментов, состав и качественные характеристики научной аппаратуры на борту космических аппаратов, предназначенной для исследования атмосферы.
Результаты прямых измерений физических величин в космосе, как правило, не могут быть непосредственно восприняты экспериментатором, что связано как с удаленностью и специфичностью объекта наблюдения, так и с большим количественным составом приборов, участвующих в эксперименте. Именно это обстоятельство и обусловило необходимость создания сложных многозвенных совокупностей бортовых и наземных технических средств и комплексов алгоритмов, обеспечивающих получение результатов научного космического эксперимента - информационно- измерительных систем научных космических исследований (ИИС НКИ).
Количество информации, поступающее с измерительных каналов бортовых научных приборов в единицу времени растет с ускорением научно-технического прогресса гораздо быстрее, нежели технические характеристики средств передачи данных с борта космического аппарата (КА) на Земшо . Поэтому к бортовой части ИИС НКИ предъявляется два противоречивых требования: при безусловном сохранении всех необходимых экспериментатору сведения с заданной погрешностью, она

должна описать их так, чтобы существующие бортовые средства передачи данных донесли их до пользователя без потерь.
Разрешение этого противоречия состоит в разработке методов и устройств сжатия информации. Поэтому задача сжатия информации на борту КА является сейчас одной из важнейших задач, решаемых бортовыми ИИС НКИ [з] , что и определяет актуальность темы диссертации. Существуют два класса методов сжатия информации - класс методов необратимого сжатия, носящих в литературе название "устранение избыточности" и "сжатие с потерями Г и класс методов обратимого, восстановимого преобразования исходной информации.
Методы необратимого сжатия основаны на работах по способам восстановления непрерывного сигнала по дискретным отсчетам и работах по вычислению 6 -энтропии класса функций, связанных, в первую очередь, с исследованиями В.М.Котельникова, А.Н.Колмогоро-ва, А.А.Харкевича, Р.Л.Добрушина, М.С.Пинскера, Ф.Е.Темникова и др.
Обратимое сжатие информации берет свое начало от работ К.Шен-нона, Р.Хартли, Р.Файнстейна, Р.Фано и перечисленных вше исследователей. Методы обратимого описания случайных последовательностей с известным распределением вероятности получили название оптимального статистического кодирования. Важнейшие результаты получены здесь Д.Хаффменом, Р.Крафтом, Л.Д.Девиссоном. Б.М.Фитингоф, Р.Е.Кричевский, Р.Гилберт, Ю.М.Штарьков и другие рассмотрели случайные последовательности с неизвестным заранее распределением вероятностей и разработали оптимальные для бесконечных последовательностей методы описания на основе наблюдения статистики первых символов последовательности. Это направление получило в литературе название оптимального универсального кодирования.
Результаты наблюдения статистики первых символов случайной последовательности дают верное представление о распределении вероятностей только тогда, когда не только относительные частоты символов сходятся к вероятностям, но эти символы и появляются "беспорядочно". Поэтому для определения границ применимости оптимального и универсального кодирований решающее значение имеет определение рамок применимости самой теории вероятностей,определение понятия "случайная последовательность". Впервые такую задачу поставил Р.Мизес; А.Н.Колмогоров в работе [4] предложил невероятностный, "алгоритмический" подход к описанию последовательностей с помощью вычислимых /частично-рекурсивных/ функций. Более того, на этой основе он поставил задачу обоснования теории вероятностей и, в частности, определения понятия "случайная последовательность", которое в дальнейшем и дал П.Мартин-Лёф.[99] После этих работ стало ясно, что не все последовательности, которые не являются детерминистическими, могут быть корректно описаны аксиоматическими вероятностными моделями, а алгоритмический подход к описанию последовательностей - наиболее универсальный и перспективный. Алгоритмические проблемы описания последовательностей рассматривали В.Н.Агафонов, И.М.Гельфанд, А.М.Яглом, А.К.Звонкин, Л.А.Левин, Д.В.Ловеланд, Т.М.Ковер и др. Практическая разработка методов описания, основанных на этой теории, затруднялась сложностью нахождения причины "неслучайности" по Мартин-Лёфу конкретных последовательностей и впервые была начата И.Я.Акушским, А.И. Амербаевым, И.Т.Паком и др., причем машины /частично-рекурсивные процедуры/ сжатия представляли из себя достаточно сложные и объемные программы для больших наземных ЭВМ. В бортовой ИИС НКИ имеется несколько этапов переработки информации, и, как следует из предыдущего, задача сжатия должна решаться в зависимости от характера последовательностей, возникающих на каждом этапе. Различным будет и аппарат определения эффективности сжатия. Для алгоритмических методов описания эффект будет иметь место в том случае,

I - номер символа ^ от начала последовательности, позиция в массиве, на которой находится 1-овый от начала символ
Если бы номер канала [.уб1у появлялся бы только в кадрах, соответствующих появлению события V , то, т.к. для геофизического КНА с известной орбитой КА функция V(к) известна, то количество различных (в единицах'Ьи^Тк ) "расстояний" между символами ^ = I— ^ было бы равно количеству различных расстояний между событиями V и, не превосходило бы количества событий V за время £изм . Однако, т.к. символы 1/ появляются "беспорядочно" и в кадрах, не соответствующих появлению события V , то единственная формализация упорядоченности некоторой части символов заключается в условии, чтобы мощность множества различных расстояний между одинаковыми символами была бы заведомо ограничена нетривиальной константой , т.е.:
РсфМ})=||{дп:(Я}11<Сс (г.е)
Два из трех описанных подходов не используют при кодировании статистику символов, и ни один не использует вероятностную меру. Поэтому, прежде чем приступить к разработке соответствующих методов кодирования, необходимо обосновать аппарат с помощью которых будет производиться оценка эффективности разработанных ниже методов описания последовательностей. Аппарат теории вероятностей в данном случае не годится. Действительно, массивы служебной и измерительной информации в типичной бортовой ИИС ЫКИ, как упоминалось выше, не являются случайными по Мизесу и, тем более по Мартин-Лефу, "Вероятность" для таких последовательностей не имеет физического смысла "предела статистики" и, следовательно, оценки эффективности кодирования на вероятностных выражениях, (напр.(58, 60,63,77,78,79,9^]и др. ) не дадут никаких гарантий (в данном