El IUMA ha terminado el desarrollo de los IPs de compresión de datos e imágenes hiperespectrales SHyLoC

El pasado 30 de noviembre, el IUMA y la Agencia Espacial Europea han cerrado satisfactoriamente el proyecto que se ha dedicado al desarrollo de los IPs denominados SHyLoC. Bajo esta denominación se encuentran dos IPs de compresión, uno de datos que actúa bajo el estándar CCSDS 121.0-B-3, y otro de compresión de imágenes multi e hiperespectrales siguiendo el estándar CCSDS 123.0-B-1. Los circuitos de compresión diseñados son compatibles con la tecnología que se utiliza actualmente en el espacio, y forma parte de un catálogo de componentes virtuales que la ESA pone a disposición de la industria espacial europea, de modo que la compresión de imágenes hiperespectrales se incluya en las futuras misiones espaciales.
Los IPs se encuentran disponibles el repositorio de IPs de la ESA en la dirección:

• SHyLoC IP Core

Se culmina así el trabajo de casi una década, que empezó a mitad del año 2012 con el acuerdo de colaboración firmado entre el IUMA y la empresa española Thales Alenia Space en España (TASiS). Ese acuerdo de colaboración dio lugar a la realización de una primera versión, pensada para FPGAs tolerantes a la radiación de Microsemi o de Xilinx que utilizaba pocos recursos computacionales, denominada HyLoC [1]. Esos trabajos pioneros hicieron posible que el IUMA, como principal contratista, ganara el proyecto CCSDS Lossless Compression IP-Core Space applications (ITT No. AO/1-8032/14/NL/AK), publicado por la Agencia Espacial en 2015. En este proyecto también participaban TASiS y la empresa griega Teletel, que fue la encargada de hacer un demostrador. Este proyecto dio lugar a SHyLoC 1.0 [2], dos IPs que eran compatibles con el estándar CCSDS 123.0-B-1, y que incluían un predictor y dos codificadores (sample-adaptive encoder, definido en el estándar 123.0-B-1 y el block-adaptive encoder, definido en el CCSDS 121.0-B-2).

En 2018, la Agencia Espacial Europea concedió al IUMA un nuevo proyecto, titulado SHyLoC-e: Extension CCSDS Lossless Compression IP-Core Space applications, para mejorar aspectos específicos de los IPs de compresión. En concreto, el proyecto se estableció para conseguir mejoras tanto en la eficiencia como en la velocidad de compresión (throughput) de los IPs. Así nació la nueva versión de SHyLoC, la 2.0 [3], que incluye un IP de compresión de datos completo, añadiendo al block-adaptive encoder el predictor definido en el estándar 121.0-B-2 (así, el IP de compresión de datos es totalmente compatible con dicho estándar) y una importante mejora en la compresión de imágenes hiperespectrales en aquellos casos en los que se necesita utilizar memorias externas para el almacenamiento de datos intermedios de compresión.

Finalmente, en 2021 la ESA ha financiado la terminación completa de los IPs con el proyecto SHyLoC-FT: Extension CCSDS Lossless Compression IP-Core Space applications, lo que ha permitido al IUMA completar la versión definitiva de los IPs. SHyLoC 3.0 [4] consiste en dos IPs desarrollados en VHDL tecnológicamente independiente, que pueden ser configurados en tiempo de compilación o en tiempo de ejecución (run-time). Esta configuración le permite adaptarse a todos los sensores existentes en la actualidad habilitando, en su caso, los modos de BSQ (Band Sequential), BIL (Band Interleaved per Line) o BIP (Band Interleaved per Pixel) y aceptando todos los tamaños de imágenes definidos en el estándar. Los IPs han sido extensivamente verificados (consiguiendo un 100% de cobertura de código) e incluyen un mecanismo de detección y corrección de errores (EDAC) en las memorias internas. Además, han sido sintetizados en una multitud de plataformas, incluyendo entre ellas la muy novedosa Xilinx KU060 o las FPGAs Brave de la empresa europea NanoXplore (NG-Medium y NG-Large).

Dado el auge que están teniendo los sensores multi e hiperespectrales en muchos aspectos de observación de la Tierra y en misiones de exploración de otros planetas, estos IPs se muestran como un complemento indispensable para la compresión sin pérdidas de la información previa a su envío a las estaciones terrenas, por lo que serán ampliamente utilizados en misiones espaciales futuras.

• [1] Lucana Santos, Luis Berrojo, Javier Moreno, José Fco López, and Roberto Sarmiento. Multispectral and hyperspectral lossless compressor for space applications (HyLoC): a low-complexity FPGA implementation of the CCSDS 123 standard. IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, 9(2):757–770, 2015.
• [2] Lucana Santos, Ana Gómez, and Roberto Sarmiento. Implementation of CCSDS standards for lossless multispectral and hyperspectral satellite image compression. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 56(2):1120–1138, 2019.
• [3] Yubal Barrios, Antonio J Sánchez, Lucana Santos, and Roberto Sarmiento. SHyLoC 2.0: a versatile hardware solution for on-board data and hyperspectral image compression on future space missions. IEEE Access, 8:54269–54287, 2020.
• [4] SHyLoC 3.0 IP Datasheet, IUMA, November 2021.

¿Qué es la Agencia Espacial Europea?
La ESA es una organización internacional que se dedica a la exploración espacial, constituida en 1975, en la que participan 22 estados. El objetivo de la ESA es elaborar el programa espacial europeo y disponer los medios humanos y materiales necesarios para llevarlo a cabo. Los programas de la Agencia se diseñan con el fin de conocer más a fondo la Tierra, el entorno espacial que la rodea, el Sistema Solar y el Universo, así como para desarrollar tecnologías y servicios basados en satélites y fomentar la industria europea. La ESA también trabaja en estrecha colaboración con organizaciones espaciales no europeas. Cuenta con ocho sedes repartidas por Europa. Su centro más grande es el Centro Europeo de Investigación y Tecnología (ESTEC, en inglés), situado Noordwijk (Holanda), donde se conciben la mayoría de los proyectos. Entre sus misiones más populares, se encuentra la sonda Rosetta, que orbitó alrededor del cometa 67P/Churiumov-Guerasimenko; el sistema global de navegación Galileo y el programa ExoMars para la búsqueda de vida en Marte, que se lleva a cabo conjuntamente con la agencia rusa Roscosmos.

¿Qué es el CCSDS?
El Comité Consultivo para los Sistemas de Datos Espaciales (CCSDS, del inglés, Consultative Committee for Space Data Systems, https://public.ccsds.org/), es un comité multinacional para el desarrollo de estándares de comunicaciones y sistemas de datos para vuelos espaciales. Está formado por los representantes más relevantes de las agencias y la industria espacial mundial (solo un representante por país). Está formado por 6 CESG (CCSDS Engineering Steering Groups), cada uno de los cuales está constituido por grupos de trabajo dedicados a temas específicos. El Data Compression Working Group (SLS-DC), perteneciente al CESG de Space Link Services Area, ha desarrollado diversos estándares para impulsar y facilitar el uso de algoritmos para reducir el volumen de datos en las misiones espaciales, entre los cuales están el CCSDS 123.0-B-1 y el CCSDS 121.0-B-3.