CCSDS_study/test/Tianwen-1-frame-analysis-v2.md

# Tianwen-1-frame-analysis-v2.py 新手说明

这个文件是一个“天问一号遥测帧分析脚本”。如果用新手的话说，它做的事情就是：

> 读取一大包二进制遥测数据，把它拆成一帧一帧，再按航天器 ID、虚拟信道和 APID 分类，最后把不同数据字段画成图片保存下来，方便人工观察这些遥测字段怎么变化。

## 输入数据

脚本读取的数据文件是：

```text
/home/zjz/CCSDS_study/Tianwen/tianwen1_frames_20200730.u8
```

这个文件是一串连续的原始字节。脚本认为每 220 个字节是一帧 AOS frame，所以会把它整理成：

```text
帧数 x 220字节
```

也就是一个二维数组，每一行代表一帧。

## 依赖的本地模块

脚本主要依赖两个本地文件：

```text
Tianwen/ccsds.py
Tianwen/tianwen1_tm.py
```

`ccsds.py` 负责解析 CCSDS AOS 帧和 Space Packet。

`tianwen1_tm.py` 负责把天问一号的原始时间戳转换成 `numpy.datetime64`，这样 matplotlib 才能按时间画图。

## 为什么要设置 matplotlib 的 Agg 后端

WSL 下直接调用 `plt.show()` 经常会因为没有图形界面而报错。

所以脚本使用：

```python
matplotlib.use("Agg")
```

意思是：不要弹出图形窗口，只把图保存成 PNG 文件。

所有图片最后会保存到：

```text
/home/zjz/CCSDS_study/Tianwen/frame_analysis_figures
```

## 脚本整体流程

脚本主要分成以下几步：

1. 设置路径和 matplotlib 环境。
2. 读取 `tianwen1_frames_20200730.u8`。
3. 把原始字节按 220 字节切成 AOS 帧。
4. 用 `ccsds.AOSFrame.parse(...)` 解析每一帧。
5. 统计 AOS 主头中的版本号、航天器 ID、虚拟信道 ID。
6. 分别分析 `Spacecraft 82 / VC 1`、`Spacecraft 245 / VC 3`、`Spacecraft 245 / VC 1`。
7. 从 AOS 帧中重组 Space Packet。
8. 按 APID 把 Space Packet 分类。
9. 对多个 APID 的载荷字段按 `uint8`、`int16` 或 `float64` 解释。
10. 绘制时间序列图、帧丢失图、APID 热力图。
11. 用 `savefig(...)` 保存所有图片。

## 关键概念解释

### AOS Frame

AOS Frame 可以理解为“航天器遥测传输的一帧”。每一帧里有头部字段，也有承载的数据。

本脚本中每帧固定 220 字节。

### Spacecraft ID

`spacecraft_id` 用来区分数据属于哪个航天器或数据源。

脚本主要关注：

```text
82
245
```

### Virtual Channel

`virtual_channel_id` 是虚拟信道编号。同一个航天器 ID 下可以有多个虚拟信道。

脚本重点分析：

```text
Spacecraft 82, Virtual channel 1
Spacecraft 245, Virtual channel 3
Spacecraft 245, Virtual channel 1
```

其中 `Spacecraft 245 / VC 1` 是后面 APID 分析的主要数据来源。

### Space Packet

AOS 帧中承载的是 Space Packet 数据流。一个 Space Packet 可能跨越多个 AOS 帧，所以脚本调用：

```python
ccsds.extract_space_packets(...)
```

把它们重新拼接出来。

### APID

APID 是 Space Packet 里的应用标识。新手可以先把它理解成“数据类型编号”。

不同 APID 里的载荷含义可能不同，所以脚本会按 APID 分组分析。

## 图片保存逻辑

脚本新增了 `save_all_figures(output_dir)` 函数。

它会做这些事：

1. 找出当前 matplotlib 里所有还打开的 figure。
2. 从每张图的标题中生成文件名。
3. 调用：

```python
fig.savefig(path, dpi=150, bbox_inches="tight")
```

4. 保存成 PNG。
5. 保存后关闭 figure，释放内存。

文件名类似：

```text
figure_001_spacecraft_82_virtual_channel_1_frame_loss.png
figure_002_apid_1_spacecraft_82_virtual_channel_1.png
```

## 各分析段落在做什么

### Spacecraft 82 Virtual channel 1

这一段会：

- 筛选出 SC 82 / VC 1 的 AOS 帧。
- 检查帧计数是否连续。
- 打印插入区时间戳。
- 重组 Space Packet。
- 按 APID 分类。
- 为每个 APID 画载荷热力图。

### Spacecraft 245 Virtual channel 3

这一段主要检查 VC 3 是否像固定填充数据。

它会查看某些字节区间的唯一值，比如是否一直是 `0xaa`。

### Spacecraft 245 Virtual channel 1

这是主要遥测数据通道。

这一段会：

- 检查帧计数。
- 提取时间戳。
- 重组 Space Packet。
- 统计所有 APID。
- 按 APID 分组并画热力图。

### APID 1280 / 1281

这些 APID 的载荷被按大端 `int16` 解释。

也就是说，每两个字节被看成一个 16 位整数，然后画出这些整数随时间的变化。

### APID 1288 / 1287

这些 APID 的部分载荷被按大端 `float64` 解释。

脚本还对这些浮点序列做了 1 阶和 2 阶多项式拟合，并画出“原始值减拟合值”的残差。

新手可以理解为：

> 先把整体趋势去掉，再看剩下的小变化。

### APID 2 / 3

原 notebook 这里变量名写了 APID 2 和 APID 3，但代码实际两边都取了 APID 2。

脚本保留了原逻辑，并在代码注释里特别说明了这一点。

### APID 454 / 462 / 1536

这些段落分别按 `uint8` 或 `int16` 查看指定字节位置的变化。

目的不是完全解码每个遥测字段，而是先通过画图观察哪些字节像计数器、哪些字节像连续变化的遥测量。

## 运行方式

在项目根目录下可以运行：

```bash
/home/zjz/CCSDS_study/ccsds/bin/python /home/zjz/CCSDS_study/test/Tianwen-1-frame-analysis-v2.py
```

运行结束后，查看图片目录：

```text
/home/zjz/CCSDS_study/Tianwen/frame_analysis_figures
```

## 常见提示

运行时可能看到类似：

```text
Broken stream. Last frame count ..., current frame count ...
```

这是 `ccsds.py` 发出的 warning，意思是帧计数中间不连续，可能有丢帧或数据中断。

这不是 Python 程序崩溃，也不影响脚本继续保存图片。

## 新手视角总结

这个脚本不是一个“完整解码所有遥测含义”的程序，而是一个“探索和观察遥测数据结构”的分析脚本。

它先把原始二进制文件拆成 AOS 帧，再把 AOS 帧里的 Space Packet 拼出来，然后按照 APID 分组。分组之后，它把某些字节当成整数或浮点数画出来，让我们通过图片观察这些字段是否有规律。

简单说：

```text
原始二进制数据
  -> AOS 帧
  -> Space Packet
  -> APID 分组
  -> 字节/整数/浮点数曲线
  -> PNG 图片
```

如果你是新手，建议先从这几个变量看起：

- `frames`：原始帧字节数组。
- `aos`：解析后的 AOS 帧对象。
- `sc245_vc1`：筛选出的主要遥测虚拟信道。
- `sc245_vc1_packets`：从 AOS 帧中重组出来的 Space Packet。
- `sc245_vc1_by_apid`：按 APID 分类后的 packet 字典。
- `channels`：某个 APID 的载荷被解释成数值后的矩阵。
- `timestamps`：每个 packet 对应的时间戳。

理解这些变量后，整个脚本的结构就比较清楚了。