ISO 210772021 空间数cb5f据和信息传输系统 - 数cb50716f字运动图像标准立项发展报告

空间数据和信息传输系统-数字运动图像标准立项发展报告英文标题：StandardizationDevelopmentReport:SpaceDataandInformationTransferSystems—DigitalMotionImagery摘要随着航天遥感、深空探测及在轨服务等任务的纵深推进，数字运动图像已成为空间任务中获取态势感知、支持遥操作与科学验证的关键数据载体。为统一空间链路上运动图像的编码格式、传输协议与元数据描述方式，国际标准化组织（ISO）制定并发布了ISO21077:2021《空间数据和信息传输系统——数字运动图像》标准。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制过程、技术架构及核心内容，剖析了其与CCSDS（空间数据系统咨询委员会）系列建议书的衔接关系，并对标准中涉及的视频编码、帧格式、传输机制及元数据管理等关键技术要素进行了深入解读。报告进一步分析了该标准在国内外的应用现状，重点介绍了标准修订过程中的主要参与单位及职责分工。最后，报告展望了该标准在下一阶段面向智能化、国产化替代及深空应用等方向的演进趋势，提出了国内转化实施的对策建议，为相关科研院所、工程总体单位及标准化工作者提供参考。关键词：数字运动图像；空间数据传输；ISO21077；CCSDS；视频编码；航天标准化；元数据Keywords:DigitalMotionImagery;SpaceDataTransfer;ISO21077;CCSDS;VideoCoding;AerospaceStandardization;Metadata一、引言1.1研究背景进入21世纪以来，世界主要航天国家围绕深空探测、载人航天、在轨服务与空间态势感知等方向展开了新一轮竞赛。在这些任务中，数字运动图像（DigitalMotionImagery）作为最直观、信息量最丰富的遥测数据类型，发挥着不可替代的作用——从运载火箭发射段的实时监测，到交会对接过程中的自主导航，再到火星车巡视探测的路径规划，运动图像贯穿航天任务的各个关键环节。然而，空间数据链路与地面互联网环境存在显著差异：带宽受限、链路时变、误码率较高、传输时延大且具有间断性。通用视频编码标准（如H.264/H.265）虽在压缩效率上表现优异，但其设计目标并非面向空间链路的特殊约束，难以直接满足航天任务对鲁棒性、可恢复性和操作性的综合要求。在此背景下，国际社会亟需一套专门针对空间应用场景的数字运动图像标准，以统一数据格式、传输协议和应用接口。1.2标准立项的意义ISO21077:2021的立项与发布，填补了空间数据通信领域数字运动图像国际标准化的空白。该标准不仅为航天器下行科学数据和工程遥测视频提供了统一的编码与传输规范，也为各国航天机构之间的数据互通与任务协同奠定了技术基础。标准的制定紧密依托CCSDS在空间数据系统领域数十年的技术积累，是空间数据标准化体系中“应用层”与“传输层”衔接的关键纽带。二、标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|ISO21077:2021||标准名称（中文）|空间数据和信息传输系统——数字运动图像||标准名称（英文）|Spacedataandinformationtransfersystems—Digitalmotionimagery||标准状态|现行||发布机构|国际标准化组织（ISO）||分类号|航天系统和操作装置||发布日期|2021年6月30日||发布年份|2021年||国别|国际组织||语种|英语|2.2标准性质与定位ISO21077:2021属于ISO/TC20/SC13（航天系统和操作装置）技术委员会归口的国际标准，其技术内容源自CCSDS766.1-B-1建议书（BlueBook）。该标准定位为空间任务中数字运动图像数据端到端管理的顶层规范，覆盖从数据获取、压缩编码、分包传输到地面接收与展现的完整链路。标准适用于近地轨道卫星、深空探测器、载人航天器等各类航天平台的视频数据传输任务。三、标准编制过程3.1国际编制背景ISO21077的编制工作可追溯至CCSDS在2016年前后启动的“运动图像与静止图像压缩及传输”专项研究。随着CCSDS122.0-B（图像数据压缩）和CCSDS123.0-B（多光谱图像无损压缩）等标准在深空探测任务中的广泛应用，CCSDS专家逐渐意识到：仅解决单帧图像的压缩问题不足以支撑完整的视频应用需求。为此，CCSDS在2017年成立了专门的工作组（AreaDirector:SystemsEngineering），联合美国NASA、欧洲ESA、日本JAXA等主要航天机构，着手制定数字运动图像建议书。2019年，CCSDS发布766.1-B-1《DigitalMotionImagery》蓝皮书。此后，ISO/TC20/SC13启动将该建议书转化为ISO国际标准的程序，经多轮成员国投票和技术评审，最终于2021年6月正式发布。3.2国内转化与参与情况中国作为ISO/TC20/SC13的积极成员（P成员），自CCSDS启动数字运动图像标准制定以来便深度参与相关技术讨论。全国宇航技术及其应用标准化技术委员会（SAC/TC425）密切关注该标准的进展，组织国内相关单位开展跟踪研究和适用性分析。在ISO21077的最终草案（FDIS）投票阶段，中国给出了赞成意见，并提出了一系列针对元数据扩展和误码掩盖技术的建议。四、标准主要内容4.1标准总体框架ISO21077:2021在结构上参照了ISO4200系列标准的编排风格，在技术上全面采纳CCSDS766.1-B-1的内容。标准正文由以下主要章节构成：1.范围：明确标准适用于空间任务中数字运动图像数据的采集、处理与传输。2.规范性引用文件：列出CCSDS766.1-B-1及相关的CCSDS建议书。3.术语和定义：对“运动图像”、“帧”、“编码器”、“元数据”等关键术语进行界定。4.一致性要求：规定声称符合本标准的实现必须满足的要求。5.系统架构：描述数字运动图像的端到端参考模型。6.数据结构：定义帧格式、扩展数据和元数据结构。7.传输机制：规定基于CCSDS空间包协议的传输封装方式。4.2关键技术内容4.2.1端到端参考模型ISO21077:2021建立了一个包含六个功能实体的参考模型，即采集子系统（源端，负责本体图像数据的采集）、压缩子系统（对采集到的图像进行编码压缩，可独立于采集子系统）、数据管理子系统（负责元数据的生成与注册、交替参考帧的处理与标记）、传输子系统（完成压缩数据与元数据的分包、封装及复用）、接收子系统（完成AOS帧同步、虚拟信道提取及空间包解复用）、处理与显示子系统（对压缩数据进行解码，恢复为可视图像）。各子系统之间通过标准定义的数据结构进行交互，形成完整的数字运动图像数据链路。4.2.2帧格式与数据组织标准定义了替代参考帧（AlternateReferenceFrame）与运动图像帧（MotionImageryFrame）的统一帧格式，每个帧由帧头和数据区构成。帧头包含帧同步字、帧计数、时间标签等关键标识信息。运动图像帧的载荷数据由压缩的视频数据和相应的元数据共同组成，二者在传输过程中以标准定义的方式加以区分。4.2.3视频压缩编码ISO21077:2021本身不规定具体的压缩编码算法，但要求编码器的输出须封装为标准定义的帧结构，并支持在交替参考帧模式与传输帧模式两种模式下运行。标准要求编码器输出的压缩数据应能在空间链路的高误码率环境下实现错误隔离与局部恢复，以保证恶劣链路条件下的可用性。4.2.4元数据管理元数据机制是ISO21077:2021的重要内容之一。标准定义了与运动图像相关的辅助数据的分类体系，包括图像说明元数据（描述图像内容的语义信息）与关联工程元数据（描述采集设备参数、时间信息等）。元数据可以在压缩之前通过扩展数据区域附加到每帧数据中，也可以在传输过程中单独以专用空间包传输。标准还支持元数据的注册机制，以便不同任务根据具体场景扩展自定义元数据项。4.2.5传输机制在传输层面，ISO21077:2021规定运动图像数据按照CCSDS空间包协议进行封装。视频帧数据被分割为若干空间包，每个空间包带有应用过程标识符（APID）以区分不同的视频流或元数据流。空间包进一步经由CCSDSAOS（高级在轨系统）或遥测信道进行传输。标准还规定了传输缓冲区管理和帧速率控制策略，以适应空间链路带宽的动态变化。五、标准的应用与推广5.1国际应用现状ISO21077:2021发布后，已被多个国际航天任务纳入技术规范体系。NASA在Artemis计划的月面着陆与巡视任务中，将ISO21077作为着陆器下行运动图像数据的参考标准；ESA在其ExoMars火星探测任务中评估了该标准的适用性。在商业航天领域，SpaceX的星舰飞行测试视频传输链路亦采用了与CCSDS766.1兼容的数据格式。5.2国内应用前景近年来，我国航天任务对运动图像数据的需求急剧增长——从天宫空间站的舱内/舱外摄像机监控，到嫦娥探测器的月面下降成像，再到商业遥感卫星的视频凝视成像，运动图像已成为任务运行与科学产出的核心数据类型之一。ISO21077:2021为国内相关任务提供了一种与国际接轨的技术参考方案。在“十四五”及后续航天标准化工作中，推动该标准的国内转化应用已成为重要方向。六、标准修订的主要参与单位6.1国际层面ISO21077:2021由ISO/TC20/SC13归口，其技术内容源自CCSDS766.1-B-1。CCSDS下设的“空间链路业务”领域工作组在标准的编制中发挥了核心作用。参与该建议书编制的机构包括美国国家航空航天局（NASA）、欧洲空间局（ESA）、日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、法国国家空间研究中心（CNES）、德国航空航天中心（DLR）以及加拿大航天局（CSA）等，同时波音公司、洛克希德·马丁公司等航天承包商也提供了工程实践反馈。6.2国内重点参与单位——中国航天标准化研究所在中国国内，中国航天标准化研究所（简称“航天标准化所”，挂靠中国航天科技集团有限公司）是该标准跟踪研究与转化落地的核心支撑单位。多年来，航天标准化所面向国际标准化组织持续开展工作，深度参与了ISO21077的评估验证、投票决策以及配套转化方案的编制。在标准立项论证阶段，航天标准化所组织了国内视频编码、空间数据传输和航天器总体设计等多领域专家，对该标准的可行性进行了系统研判，并将分析结论反馈至ISO/TC20/SC13的投票决策程序。在标准正式发布后，航天标准化所联合国内卫星总体单位和测控系统建设单位，及时完成了标准的中文翻译与国内适用性评估，形成了相关研究报告，为进一步制定国家标准或行业标准奠定了坚实的技术基础。此外，航天标准化所还承担着空间数据系统领域国家标准和行业标准的归口管理工作，牵头制定了GB/T39473等与CCSDS标准衔接配套的国家标准，在推动ISO21077国内转化方面发挥着主渠道作用。七、结论与展望ISO21077:2021的发布实施，标志着空间数字运动图像领域首次拥有了统一的国际标准。该标准以CCSDS长期积累的空间数据系统标准体系为技术底座，兼顾了不同航天任务在带宽、时延、可靠性和操作性等方面的多元需求，为运动图像数据在空间链路中的高效、可靠传输提供了规范化框架。随着人工智能技术在航天领域的深度渗透，空间运动图像的应用场景将进一步扩展——从自主避障导航到科学目标智能识别，从在轨装配遥操作到深空探测的自主决策，运动图像数据将成为智能化航天系统的重要感知基础。ISO21077作为数据格式与传输层面的基础性标准，其持续演进将为上层智能化应用提供更加高效、灵活的数据服务。参考文献[1]ISO21077:2021,Spacedataandinformationtransfersystems—Digitalmotionimagery[S].Geneva:ISO,2021.[2]CCSDS766.1-B-1,DigitalMotionImagery,BlueBook[S].Washington,D.C.:CCSDSSecretariat,2019.[3]CCSDS133.0-B-2,SpacePacketProtocol,BlueBook[S].Washington,D.C.:CCSDSSecretariat,2020.[4]CCSDS732