CN103245332A - 大视场空间相机行周期实时调整系统和方法 - Google Patents

Abstract

大视场空间相机行周期实时调整系统和方法，涉及大视场空间相机行周期实时调整方法基于地球椭球模型并考虑大视场空间相机不同视场位置的像移速度差异，解决了现有方法存在的仅适用于小视场空间相机、未考虑地球扁率、与真实情况不符及难以保证实时性等问题。大视场空间相机行周期实时调整系统由卫星总线接口、嵌入式处理器、温补晶振、FPGA和电平转换芯片组成，通过FPGA完成多路行周期信号的产生和输出使能控制，和传统方法相比，能够有效地减少大视场空间相机控制器的体积、功耗和嵌入式处理器的机时占用。

Description

大视场空间相机行周期实时调整系统和方法

技术领域

本发明涉及以遥感卫星为平台对地球进行观测的大视场空间相机，具体涉及大视场空间相机在轨摄影时行周期的实时调整方法和系统。

背景技术

在空间相机对地摄影时，在地球的自转运动和卫星的轨道运动等的综合作用下，相机和地物点的相对运动产生像移，导致成像质量的下降。目前传输型遥感卫星主要通过调整空间相机成像传感器的行转移周期(简称行周期)和像移速度的大小相匹配，来消除像移导致的成像质量下降。行周期表征了成像传感器通过光电转换产生的电荷包在沿轨方向的转移频率，为了与像移速度匹配，需要在轨实时调整。

当遥感卫星的轨道高度一定时，其覆盖宽度随着空间相机视场角的增大而增加，大视场空间相机可以在保持较高的空间分辨率的同时，实现对感兴趣目标的大范围快速搜索，在军事和救灾等领域具有十分重要的意义和价值。

当空间相机的视场角较小时，可以采用目前已经提出的基于圆地球的空间相机像移计算模型，用中心视场的像移速度代替其他视场位置的像移速度进行全视场的像移补偿(孔德柱,刘金国,吕世良等.空间相机像移速度计算方法及DSP实现.光学精密工程,2009,17(8):1935-1941.王家骐,于平,颜昌祥等.航天光学遥感器像移速度矢计算数学模型.光学学报,2004，24(12):1585-1589)。这种方法仅适用于小视场空间相机，而且由于地球实际为椭球体，存在较大的误差。发明人曾提出一种基于地球椭球模型的三线阵立体测绘相机像移计算方法(武星星，刘金国.应用地球椭球的三线阵立体测绘相机像移补偿.光学精密工程，2011(8):1793-1800),但该方法仅适用于小视场空间相机，大视场空间相机的问题要复杂得多。

在大视场空间相机摄影过程中，不同视场位置对应的地物点存在较大的经度差和纬度差，导致地球自转引起的像移速度的大小和方向不同。而地球实际为椭球体，地物和投影中心的距离随视场位置、星下点与升交点夹角而变化，使卫星轨道运动产生的像移速度随之变化。在这些因素的综合作用下，大视场空间相机的像移速度随视场位置的不同有显著的变化。

而大视场空间相机的焦平面狭长，一般由多片成像传感器在一块像面基板上拼接而成，不同片成像传感器对应的视场位置不同。如果仍以中心视场的像移速度调整各片成像传感器的行转移周期，会导致大的像移匹配残差而使成像质量下降。

针对现有像移计算模型基于圆地球，未考虑地球扁率而存在较大误差的问题，授权专利CN100565105C提出在地面用STK软件进行轨道仿真，对仿真数据进行分析，得到地物点移动速度，进而得到像移速度，再通过卫星地面站上注给卫星使用。这一方法的主要问题在于，轨道仿真的数据并非卫星在轨运行时的真实数据，因而很可能和真实情况不符。另外由于需要先在地面仿真、分析，而后通过卫星地面站上注给卫星使用，难以保证在轨实时调整行周期的需要，且使用范围受限于卫星地面站的分布，并给卫星地面站额外增加大量的工作量。

相机控制器在计算得到行周期的值后，需要产生行周期信号送往成像单元，行周期信号为周期与行周期一致的脉冲信号。成像单元收到行周期信号后，控制成像传感器光电转换产生的电荷包在沿轨方向的转移频率与之相同。为了避免潜通问题，行周期信号是否输出给成像单元还受成像单元开机指令和成像单元关机指令的控制，只有成像单元开机时才向成像单元输出行周期信号。目前主要由嵌入式处理器控制外接的定时/计数器芯片来产生行周期信号，通过外接的锁存器芯片来控制行周期信号的输出是否使能。对于大视场空间相机，由于需要根据不同视场位置的像移速度设置各个成像单元的行周期，而其焦面通常由十几甚至几十片成像传感器拼接而成，因此需要产生许多路不同的行周期信号。如果仍采用外接定时/计数器和锁存器芯片的方法，将需要大量外接的定时/计数器、锁存器芯片和地址译码电路，这无疑会大幅增加相机控制器的体积和功耗，并占用嵌入式处理器大量的机时。

发明内容

本发明为解决现有方法存在仅适用于小视场空间相机、未考虑地球扁率、且与真实情况不符及难以保证实时性的问题。提供一种大视场空间相机行周期实时调整系统和方法。

大视场空间相机行周期实时调整系统，该系统包括卫星总线接口、嵌入式处理器、FPGA、温补晶振和电平转换芯片；星务主机通过卫星总线接口发送数据或成像单元的开关机指令至嵌入式处理器，嵌入式处理器用于接收从卫星总线接口传送的数据或成像单元的开关机指令；根据接收数据中的卫星的当前位置、速度和时间数据，以及各成像单元有效像元中心位置对应的半视场角，实时计算各个成像单元对应的行周期码值；并将收到成像单元的开关机指令和行周期码值传送至FPGA；所述温补晶振用于产生稳定的时钟信号，同时将时钟信号传送至FPGA，所述FPGA根据接收嵌入式处理器传送的各成像单元的行周期码值和温补晶振传送的时钟信号，产生与行周期码值对应的多路行周期信号，并根据接收的成像单元的开机指令向电平转换芯片输出多路行周期信号，当FPGA重新上电或接收成像单元的关机指令后，停止向电平转换芯片输出行周期信号，输出低电平；所述电平转换芯片将FPGA产生的多路行周期信号由TTL电平转换为传输的差分电平传送至成像单元；

所述FPGA包括串行通信模块、周期信号发生模块、输出锁存模块和状态控制模块；

所述串行通信模块用于与嵌入式处理器进行异步串行通信，从串行总线的接收端接收数据，经串并转换后存入接收寄存器；将发送寄存器的内容转换成串行数据发送到串行总线的发送端；

状态控制模块在有限状态机的作用下，当从串行通信模块收到的是行周期码值时，将所述行周期码值存入周期信号发生模块中行周期计数器的最大计数值寄存器中；当收到的是成像单元开机指令时，将输出锁存控制模块中的成像单元状态寄存器设置为1，当收到的为成像单元关机指令时，将成像单元状态寄存器设置为0，并控制串行通信模块发送应答数据帧；

周期信号发生模块由多个行周期计数器组成，行周期计数器的数量和成像单元的数量相同，完成多路行周期信号的产生；行周期计数器以温补晶振输出的时钟信号为计数时钟源，上电或复位时，行周期计数器从0开始计数，当计数到行周期计数器最大计数值时，对行周期计数器清零；行周期信号为脉冲信号；

输出锁存模块在晶振时钟的上升沿，当成像单元状态寄存器的值为1时，将各个行周期计数器的输出的行周期信号送至电平转换芯片；当成像单元状态寄存器的值为0时，将低电平信号送至电平转换芯片。

大视场空间相机行周期实时调整方法，该方法由以下步骤实现：

步骤一、星务主机通过卫星总线接口（10）向嵌入式处理器（20）传送数据或成像单元的开关机指令，嵌入式处理器（20）对接收的数据或成像单元的开关机指令进行判断，如果接收的是成像单元的开关机指令，则执行步骤二，如果否，嵌入式处理器（20）判断接收的数据中是否包括卫星位置、速度和时间的数据，如果否，返回步骤一，如果是，执行步骤三；

步骤二、嵌入式处理器（20）将接收的成像单元开关机指令传送至FPGA（40），控制行周期信号输出的使能和禁止，返回步骤一；

步骤三、嵌入式处理器（20）从接收的数据中提取卫星位置、速度和时间的数据，计算卫星与地心距离RH、轨道倾角i₀、卫星轨道运动角速率ψ、升交点赤经Ω和星下点与升交点地心角γ；

步骤四、相机传感器投影面与地球椭球的交线构成椭圆，即交线椭圆；根据地球椭球的长半轴R₁、短半轴R₂和步骤三获得的轨道倾角i₀以及星下点与升交点地心角γ，计算交线椭圆的长半轴和短半轴，建立交线椭圆方程；

所述相机传感器投影面和赤道面的夹角i'₀的计算公式为：

i'₀=cos^-1[cosγ·sin(π-i₀)]；所述交线椭圆的长半轴为R₁，短半轴为R₄

交线椭圆短半轴R₄的计算公式为：

$R_4=\frac{R_1\·R_2}{\sqrt{{\left(R_1\sin {i^{\′}}_0\right)}^2+{\left(R_2\cos {i^{\′}}_0\right)}^2}}=\frac{R_1\·R_2}{\sqrt{{R_1}^2+({R_2}^2-{R_1}^2)\·{\cos }^2\mathrm{\γ}{\·\sin }^2{i}_0}}$

交线椭圆方程为：

$\frac{{x_t}^2}{R_1^2}+\frac{{y_t}^2}{R_4^2}=1;$

步骤五、根据各成像单元有效像元中心位置对应的半视场角，采用地球椭球模型，计算各成像单元对应的像移速度主向量值；

具体的计算过程为：定义O’X’Y’Z’为地理坐标系，原点O’为星下点，X’轴指向天顶，Z’轴指向卫星轨道运动前向，Y’轴与X’轴和Z’轴呈右手系；设定一个成像单元有效像元中心位置对应的半视场角为θ，规定地物点在Y’轴上的坐标为正时θ的符号为正，否则θ的符号为负；则半视场角θ的视场位置对应的地物点与地心的距离R_G通过下述方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{RH}\·\sin {\mathrm{\γ}}^{\′}-y_t}{\mathrm{RH}\·\cos {\mathrm{\γ}}^{\′}-x_t}=\tan ({\mathrm{\γ}}^{\′}-\mathrm{\θ})\\ {x_t}^2+{y_t}^2=R_G^2\\ \frac{{x_t}^2}{R_1^2}+\frac{{y_t}^2}{R_4^2}=1\end{array}\right.$

其中γ'为星下点与交线椭圆和赤道交点间的地心角，计算公式为：

γ'=arctan[sinγ·tan(π-i₀)]

地物点与空间相机投影中心的距离H_G的计算公式为：

$H_G=\mathrm{RH}\·\cos \mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{RH}}^2\·{\cos }^2\mathrm{\θ}-{\mathrm{RH}}^2+R_G^2}$

地物点与交线椭圆和赤道交点间地心角γ'_G的计算公式为：

${{\mathrm{\γ}}^{\′}}_G={\mathrm{\γ}}^{\′}+{\cos }^{-1}\frac{R_G^2+{\mathrm{RH}}^2-H_G^2}{2\mathrm{RH}\·R_G}$

假设地球自转角速率为ω，则地物点绕地球自转轴转动产生的物移速度在地理坐标系X'轴、Y'轴和Z'轴的分量VX'_A、VY'_A和VZ'_A的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{VX}}^{\′}}_A\\ {{\mathrm{VY}}^{\′}}_A\\ {{\mathrm{VZ}}^{\′}}_A\end{array}\right]={\mathrm{RM}}_Y\·{\mathrm{RM}}_X\·{\mathrm{RM}}_Z\·\left[\begin{array}{c}-R_G\·\cos {\mathrm{\δ}}_G\·\mathrm{\ω}\·\sin {\mathrm{\α}}_G\\ R_G\·\cos {\mathrm{\δ}}_G\·\mathrm{\ω}\·\cos {\mathrm{\α}}_G\\ 0\end{array}\right]$

式中α_G和δ_G为地物点在赤道惯性坐标系中的赤经和赤纬，由γ'_G和i'₀根据球面三角形基本公式获得；所述RM_X、RM_Y和RM_Z为旋转矩阵，具体形式如下：

${\mathrm{RM}}_X=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \sin i_0& -\cos i_0\\ 0& \cos i_0& \sin i_0\end{array}\right]$

${\mathrm{RM}}_Y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\γ}& 0& \sin \mathrm{\γ}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\γ}& 0& \cos \mathrm{\γ}\end{array}\right]$

${\mathrm{RM}}_Z=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\Ω}& \sin \mathrm{\Ω}& 0\\ -\sin \mathrm{\Ω}& \cos \mathrm{\Ω}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

半视场角θ对应的像点在沿轨方向的像移速度

和垂轨方向的像移速度

的计算公式分别为：

$V_{\mathrm{along}}^{\mathrm{\θ}}=[-R_G\·\mathrm{\ψ}\·\cos ({{\mathrm{\γ}}^{\′}}_G-{\mathrm{\γ}}^{\′})+{{\mathrm{VZ}}^{\′}}_A]\·\frac{f}{H_G\·\left|\cos \mathrm{\θ}\right|}$

$V_{\mathrm{across}}^{\mathrm{\θ}}={{\mathrm{VY}}^{\′}}_A\·\frac{f}{H_G\left|\cos \mathrm{\θ}\right|},$

其中f为大视场空间相机的焦距；某一成像单元对应的像移速度主向量值V_θ的计算公式为：

$V_{\mathrm{\θ}}=\sqrt{{V_{\mathrm{along}}^{\mathrm{\θ}}}^2+{V_{\mathrm{across}}^{\mathrm{\θ}}}^2},$

最终完成各成像单元对应的像移速度主向量值；

步骤六、根据步骤五获得的各成像单元对应的像移速度主向量值、成像传感器像元尺寸和温补晶振（30）的时钟周期计算获得各成像单元对应的行周期码值，打包成一帧后发送至FPGA（40）；返回步骤一；

所述行周期码值C_θ的计算公式为：

式中a为成像传感器像元尺寸，温补晶振（30）的时钟周期为T₂。

本发明的有益效果：

一、基于地球椭球模型并考虑不同视场位置的差异，解决了现有方法存在的仅适用于小视场空间相机、基于圆地球模型而未考虑地球扁率等问题。

二、行周期是卫星在轨摄影时根据星载GPS接收机等设备实际测量得到的数据实时计算并调整的，和地面仿真再上注使用的方法相比更符合真实情况，且实时性好。

三、由单片的FPGA接收串行总线数据实现多路行周期信号的产生和输出使能控制，和现有的用外接的定时/计数器以及锁存器芯片的方案相比，能够有效地减少大视场空间相机控制器的体积、功耗和嵌入式处理器的机时占用。空间的视场角越大，成像单元的数量越多，这种优势越明显。

附图说明

图1为本发明所述大视场空间相机行周期调整系统结构图；

图2为本发明所述大视场空间相机行周期调整系统中FPGA的组成原理图；

图3为本发明所述大视场空间相机行周期调整系统中状态控制模块主状态机的状态转移图；

图4为本发明所述大视场空间相机行周期调整系统中状态控制模块数据处理状态机的状态转移图；

图5为本发明所述大视场空间相机行周期调整方法的流程图；

图6为本发明所述大视场空间相机行周期调整系统和方法的大视场空间相机像移原理示意图；

图7为本发明所述大视场空间相机行周期调整系统和方法中相机传感器的投影面在地球椭球上的截面图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，大视场空间相机行周期实时调整系统，包括卫星总线接口10、嵌入式处理器20、温补晶振30、FPGA40和电平转换芯片50；

卫星总线接口10：由总线协议芯片和总线电平转换芯片组成，将星务主机通过卫星总线发送的数据和指令送至嵌入式处理器。

嵌入式处理器：接收从卫星总线接口10传送的数据和指令；根据数据中的卫星的当前位置和速度等参数，以及各成像单元有效像元中心位置对应的半视场角，实时计算各个成像单元对应的行周期码值。并将收到的成像单元开机指令、成像单元关机指令和计算得到的行周期码值由异步串行通讯口发送给FPGA。

温补晶振：产生稳定的时钟信号，送至FPGA，用于行周期信号的生成。

FPGA：从嵌入式处理器接收的各成像单元的行周期码值，同时从温补晶振接收时钟信号，产生与行周期码值对应的多路行周期信号。当收到成像单元开机指令后，向电平转换芯片输出多路行周期信号。当重新上电或收到成像单元关机指令后，停止输出行周期信号，输出维持常态低电平。

电平转换芯片：将FPGA产生的多路行周期信号由TTL电平转换为适合长距离传输的差分电平，以便后续各个成像单元的使用。

其中所述FPGA包含如下模块：

串行通信模块：与嵌入式处理器进行异步串行通信，从串行总线的接收端接收数据，经串并转换后存入接收寄存器。将发送寄存器的内容转换成串行数据发送到串行总线的发送端。

状态控制模块：在有限状态机的作用下，当从串行通信模块收到的为行周期码值时，将其存入周期信号发生模块中行周期计数器的最大计数值寄存器中。当收到的为成像单元开机指令时，将输出锁存控制模块中的成像单元状态寄存器设置为1，当收到的为成像单元关机指令时，将成像单元状态寄存器设置为0，之后控制串行通信模块发送应答数据帧。

周期信号发生模块：由多个行周期计数器组成，行周期计数器的数量和成像单元的数量相同，完成多路行周期信号的产生。行周期计数器以温补晶振输出的时钟为计数时钟源，上电或复位时，计数器从0开始计数，当计数到行周期计数器最大计数值时，对计数器清零。行周期信号为脉冲信号，假设要求的行周期信号高电平宽度为T₁,温补晶振时钟周期为T₂，则当行周期计数器值为0时，设置其输出为高电平，当行周期计数器值超过T₁/T₂时设置其输出为低电平。

输出锁存模块：在晶振时钟的上升沿，当成像单元状态寄存器的值为1时，将各个行周期计数器的输出的行周期信号送至电平转换芯片。当成像单元状态寄存器的值为0时，将低电平信号送至电平转换芯片。

本实施方式中卫星总线为CAN总线，卫星总线接口10由CAN总线协议芯片SJA1000和CAN总线电平转换芯片PCA82C250组成；嵌入式处理器20采用Atmel公司的32位处理器TSC695F,温补晶振30采用航天科工二院203所生产的ZC510,晶振频率8MHZ。FPGA40采用ACTEL公司的RT54SX72S,RT54SX72S是专门为空间应用设计的耐辐射FPGA。由于本实施例中行周期信号采用低压差分信号(LVDS)电平传输，因此电平转换芯片50采用UT54LVDS031LV。

结合图2说明本实施方式，FPGA40包含串行通信模块41、状态控制模块42、周期信号发生模块43和输出锁存模块44。这些模块用VHDL硬件描述语言编写，使用LiberoIDE9.1集成开发环境，最终在RT54SX72S上实现；TSC695F内部包含两个异步串行通讯口UARTA和UARTB，串行通信模块41与TSC695F的UARTA进行异步串行通信，接收数据，经串并转换后存入接收寄存器；将发送寄存器的内容转换成串行数据发送到串行总线的发送端，RT54SX72S的串行总线接收端和TSC695F的TXA端相连，串行总线发送端和TSC695F的RXA端相连。

本实施方式所述的状态控制模块42的功能通过主状态机和数据处理状态机两个有限状态机来实现。结合图3，主状态机包含初始态（Init_state）421、接收态(Receive_state)422、处理态(Process_state)423、应答态(Answer_state)424和发送计数态(Count_trans_state)425共五个状态。

结合图4，数据处理状态机包含译码态(Ymcode_state)4201、行周期态(Row_per_state)4202、成像单元开机态(Cam_poweron_state)4203、成像单元关机态(Cam_poweroff_state)4204和结束处理态(Endprocess_state)4205共五个状态。

所述主状态机的状态转移过程：当上电或复位信号为高电平时，进入Init_state421。当复位信号为低电平，由Init_state421切换到Receive_state422。当串行通信接收完一帧数据时，由Receive_state422切换到Process_state423。当数据处理状态机的当前状态为Endprocess_state4205,即数据处理完毕时主状态机由Process_state423切换到Answer_state424。在Answer_state424状态对串行通讯的帧标识进行判断，当收到的为成像单元开机或成像单元关机指令时，由Answer_state424切换到Count_trans_state425，发送串行通讯的应答帧；否则由由Answer_state切换到Receive_state422，准备接收下一帧数据。当串行通讯发送完一帧数据时，主状态机由Count_trans_state425切换回Receive_state422。不论主状态机当前处于那个状态，在复位信号为高电平时都切换为Init_state421。

数据处理状态机的状态转移过程：上电或系统复位时，数据处理状态机进入Ymcode_state4201；当主状态机为Process_state423而数据处理状态机当前状态为Ymcode_state4201时，根据串行通信接收到的帧标识对当前帧的类型进行判断。如果为行周期数据，数据处理状态机由Ymcode_state4201切换为Row_per_state4202；如果为成像单元开机指令，由Ymcode_state4201切换为Cam_poweron_state4203；如果为成像单元关机指令，由Ymcode_state切换为Cam_poweroff_state4204。当主状态机为Process_state423，而数据处理状态机当前状态为Row_per_state4202、Cam_poweron_state4203或者Cam_poweroff_state4204时，数据处理状态机切换到Endprocess_state4205。当主状态机为Process_state423，而数据处理状态机当前状态为Endprocess_state4205时，数据处理状态机切换到Ymcode_state4201。当主状态机的当前状态不为Process_state423时，不论数据处理状态机当前处于那个状态，都切换为Ymcode_state4201。

在本实施方式中，大视场空间相机的焦面由11片CCD交错拼接而成，每片CCD采用单独的成像单元进行控制，因此共有11个成像单元（在实际应用中，为了简化设计也可以1个成像单元控制几片CCD，这几片CCD采用相同的行周期）。因此周期信号发生模块43由11个行周期计数器组成，行周期计数器以温补晶振30输出的时钟为计数时钟源，上电或复位时，计数器从0开始计数，当计数到行周期计数器最大计数值时，对计数器清零。行周期信号为脉冲信号，在本实施例中，要求的行周期信号高电平宽度为2μs，温补晶振的时钟周期为125ns，则当行周期计数器值为0时，设置其输出为高电平，当行周期计数器值超过16时设置其输出为低电平。

本实施方式所述的输出锁存模块44的实现方法为，在晶振时钟的上升沿，当成像单元状态寄存器的值为1时，将各个行周期计数器的输出的行周期信号送至UT54LVDS031LV。当成像单元状态寄存器的值为0时，将低电平信号送至UT54LVDS031LV。

在周期信号发生模块43中行周期计数器的位数N满足下式要求：

$2^N\≥\frac{T_{\max }}{T_2}$

其中T_max为行周期最大值，T₂为温补晶振时钟周期。在本实施例中，T_max<2.6ms,T₂为125ns，所有的行周期计数器都为16位，可以满足上式要求。

具体实施方式二、结合图5至图7说明本实施方式，大视场空间相机行周期实时调整方法；在本实施方式中假设卫星在赤道惯性坐标系的当前位置(X_ECI,Y_ECI,Z_ECI)和速度(VX_ECI,VY_ECI,VZ_ECI)分别为（-3080067.9，2051763.6，-5974793.5）（单位：m）和（6241.45，-1768.87，-3824.97）（单位：m/s）。

在步骤110中，嵌入式处理器20从卫星总线接口10接收数据和指令，此后进入步骤120。

在步骤120中，当接收到的为成像单元开机指令或成像单元关机指令，进入步骤130，否则进入步骤140。

在步骤130中，将成像单元开机指令或成像单元关机指令转发给FPGA40，控制行周期信号输出的使能和禁止，之后返回步骤110。

在步骤140中，在当接收到的为包含卫星位置、速度和时间的数据，进入步骤150，否则返回步骤110；

在步骤150中，从接收的数据中提取卫星位置、速度和时间，计算卫星与地心距离RH、轨道倾角i₀、卫星轨道运动角速率ψ、升交点赤经Ω和星下点与升交点地心角γ。大视场空间相机的像移原理如图6所示，OXYZ为地心赤道惯性坐标系，原点O为地心，X轴指向春分点，Z轴指向北极。在本实施方式中，根据卫星在地心赤道惯性坐标系的当前位置(X_ECI,Y_ECI,Z_ECI)和速度(VX_ECI,VY_ECI,VZ_ECI)分别为（-3080067.9，2051763.6，-5974793.5）（单位：m）和（6241.45，-1768.87，-3824.97）（单位：m/s）。由卫星轨道理论基本公式计算得到RH=7028137m，i₀=97.99°，ψ=1.07154×10-3rad/s，Ω=-20.57°，γ=-120.86°。此后进入步骤160。

在步骤160中，根据地球椭球的长半轴、短半轴和步骤150得到的轨道倾角以及星下点与升交点地心角，计算交线椭圆的长半轴和短半轴，建立传感器投影面和地球椭球的交线椭圆方程。传感器投影面和赤道面的夹角i'₀的计算公式为：

i'₀=cos^-1[cos_γ·sin(π-i₀)]

设采用的地球椭球模型的长半轴和短半轴分别为R₁和R₂，则交线椭圆的长半轴为R₁,短半轴R₄的计算公式为：

$R_4=\frac{R_1\&CenterDot;R_2}{\sqrt{{\left(R_1\sin {i^{\&prime;}}_0\right)}^2+{\left(R_2\cos {i^{\&prime;}}_0\right)}^2}}=\frac{R_1\&CenterDot;R_2}{\sqrt{{R_1}^2+({R_2}^2-{R_1}^2)\&CenterDot;{\cos }^2\mathrm{\&gamma;}{\&CenterDot;\sin }^2{i}_0}}$

交线椭圆方程为：

$\frac{{x_t}^2}{R_1^2}+\frac{{y_t}^2}{R_4^2}=1$

在本实施例中，采用的地球椭球模型为WGS-84地球椭球模型，长半轴R₁为6378137m,短半轴R₂为6356752m。计算得到i'₀=120.5°，R₄=6362248m。此后进入步骤170；

在步骤170中，根据各成像单元有效像元中心位置对应的半视场角，采用地球椭球模型，计算各成像单元对应的像移速度主向量值。传感器的投影面在地球椭球上的截面图如图7所示，O’X’Y’Z’为地理坐标系，原点O’为星下点，X’轴指向天顶，Z’轴指向卫星轨道运动前向，Y’轴与X’轴和Z’轴呈右手系。设其中一个成像单元有效像元中心位置对应的半视场角为θ，规定地物点在Y’轴上的坐标为正时θ的符号为正，否则θ的符号为负。则该视场位置对应的地物点与地心的距离R_G可以通过求解如下方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{RH}\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}-y_t}{\mathrm{RH}\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}-x_t}=\tan ({\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})\\ {x_t}^2+{y_t}^2=R_G^2\\ \frac{{x_t}^2}{R_1^2}+\frac{{y_t}^2}{R_4^2}=1\end{array}\right.$

其中γ'为星下点与交线椭圆和赤道交点间的地心角，计算公式为：

γ'=arctan[sinγ·tan(π-i₀)]

地物点与空间相机投影中心的距离H_G的计算公式为：

$H_G=\mathrm{RH}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}-\sqrt{{\mathrm{RH}}^2\&CenterDot;{\cos }^2\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{RH}}^2+R_G^2}$

地物点与交线椭圆和赤道交点间地心角γ'_G的计算公式为：

${{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}}_G={\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}+{\cos }^{-1}\frac{R_G^2+{\mathrm{RH}}^2-H_G^2}{2\mathrm{RH}\&CenterDot;R_G}$

设地球自转角速率为ω，则地物点绕地球自转轴转动产生的物移速度在地理坐标系X'轴、Y'轴和Z'轴的分量VX'_A、VY'_A和VZ'_A的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{VX}}^{\&prime;}}_A\\ {{\mathrm{VY}}^{\&prime;}}_A\\ {{\mathrm{VZ}}^{\&prime;}}_A\end{array}\right]={\mathrm{RM}}_Y\&CenterDot;{\mathrm{RM}}_X\&CenterDot;{\mathrm{RM}}_Z\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}-R_G\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&delta;}}_G\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_G\\ R_G\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&delta;}}_G\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&alpha;}}_G\\ 0\end{array}\right]$

其中α_G和δ_G为地物点在赤道惯性坐标系中的赤经和赤纬，由γ'_G和i'₀根据球面三角基本公式求得。RM_X、RM_Y和RM_Z为旋转矩阵，具体形式如下：

${\mathrm{RM}}_X=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \sin i_0& -\cos i_0\\ 0& \cos i_0& \sin i_0\end{array}\right]$

${\mathrm{RM}}_Y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}& 0& \sin \mathrm{\&gamma;}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\&gamma;}& 0& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]$

${\mathrm{RM}}_Z=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&Omega;}& \sin \mathrm{\&Omega;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&Omega;}& \cos \mathrm{\&Omega;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

半视场角θ对应的像点在沿轨方向的像移速度

和垂轨方向的像移速度

的计算公式分别为：

$V_{\mathrm{along}}^{\mathrm{\&theta;}}=[-R_G\&CenterDot;\mathrm{\&psi;}\&CenterDot;\cos ({{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}}_G-{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;})+{{\mathrm{VZ}}^{\&prime;}}_A]\&CenterDot;\frac{f}{H_G\&CenterDot;\left|\cos \mathrm{\&theta;}\right|}$

$V_{\mathrm{across}}^{\mathrm{\&theta;}}={{\mathrm{VY}}^{\&prime;}}_A\&CenterDot;\frac{f}{H_G\left|\cos \mathrm{\&theta;}\right|}$

其中f为大视场空间相机的焦距。则该成像单元对应的像移速度主向量值V_θ的计算公式为：

$V_{\mathrm{\&theta;}}=\sqrt{{V_{\mathrm{along}}^{\mathrm{\&theta;}}}^2+{V_{\mathrm{across}}^{\mathrm{\&theta;}}}^2}$

按以上方法计算完各个成像单元的像移速度主向量值后，进入步骤180。

在步骤180中，由各成像单元对应的像移速度主向量值、成像传感器像元尺寸和温补晶振的时钟周期计算得到各成像单元对应的行周期码值，打包成一帧后发送至FPGA40。

设成像传感器像元尺寸为a，温补晶振的时钟周期为T₂，根据步骤170得到某一成像单元对应的像移速度主向量值为V_θ，则该成像单元对应行周期码值C_θ的计算公式为：

$C_{\mathrm{\&theta;}}=\frac{a}{V_{\mathrm{\&theta;}}\&CenterDot;T_2}$

此后返回步骤110。以上步骤反复循环完成大视场空间相机行周期的实时调整，当空间相机整体断电时停止行周期的实时调整。

在本实施方式中，地球自转角速率ω=7.292115167×10^-6rad/s，大视场空间相机的焦距为0.53m，总的视场角为76°，CCD的像元尺寸为a=13μm，温补晶振的时钟周期T₂=125ns。各成像单元对应的半视场角θ、计算得到的像移速度主向量值V_θ、行周期码值C_θ如表1所示。

表1

嵌入式处理器20通过串行总线发送给FPGA40的数据帧为：55AA034A874A1E49FE4A0A4A174A124A394A8C4B0E4BC24CAE4D。其中55AA为帧同步头，03为帧标识，4A87-4CAE依次为11个成像单元的行周期码值，4D为从帧标识开始的字节累加和。FPGA40收到该数据帧后产生11路行周期信号，周期依次为2.384875、2.37175、2.36775、2.36925、2.370875、2.37025、2.375125、2.3855、2.40175、2.42425和2.45375ms。

如上所述，对本领域的技术人员来说，在本质上不脱离本发明原理的基础上，可以对该实施例进行形式和细节上的各种改变和修改，这些改变和修改都确定为包含在本发明的范围内。

Claims (8)

1.大视场空间相机行周期实时调整系统，该系统包括卫星总线接口（10）、嵌入式处理器（20）、FPGA（40）、温补晶振（30）和电平转换芯片（50）；其特征是，星务主机通过卫星总线接口（10）发送数据或成像单元的开关机指令至嵌入式处理器（20），嵌入式处理器（20）用于接收从卫星总线接口（10）传送的数据或成像单元的开关机指令；根据接收数据中的卫星的当前位置、速度和时间数据，以及各成像单元有效像元中心位置对应的半视场角，实时计算各个成像单元对应的行周期码值；并将收到成像单元的开关机指令和行周期码值传送至FPGA（40）；所述温补晶振（30）用于产生稳定的时钟信号，同时将时钟信号传送至FPGA（40），所述FPGA（40）根据接收嵌入式处理器（20）传送的各成像单元的行周期码值和温补晶振（30）传送的时钟信号，产生与行周期码值对应的多路行周期信号，并根据接收的成像单元的开机指令向电平转换芯片（50）输出多路行周期信号，当FPGA（40）重新上电或接收成像单元的关机指令后，停止向电平转换芯片（50）输出行周期信号，输出低电平；所述电平转换芯片（50）将FPGA（40）产生的多路行周期信号由TTL电平转换为传输的差分电平传送至成像单元；

所述FPGA（40）包括串行通信模块（41）、周期信号发生模块（43）、输出锁存模块（44）和状态控制模块（42）；

所述串行通信模块（41）用于与嵌入式处理器（20）进行异步串行通信，从串行总线的接收端接收数据，经串并转换后存入接收寄存器；将发送寄存器的内容转换成串行数据发送到串行总线的发送端；

状态控制模块（42）在有限状态机的作用下，当从串行通信模块（41）收到的是行周期码值时，将所述行周期码值存入周期信号发生模块（43）中行周期计数器的最大计数值寄存器中；当收到的是成像单元开机指令时，将输出锁存控制模块中的成像单元状态寄存器设置为1，当收到的为成像单元关机指令时，将成像单元状态寄存器设置为0，并控制串行通信模块（41）发送应答数据帧；

周期信号发生模块（43）完成多路行周期信号的产生；行周期计数器以温补晶振（30）输出的时钟信号为计数时钟源，上电或复位时，行周期计数器从0开始计数，当计数到行周期计数器最大计数值时，对行周期计数器清零；行周期信号为脉冲信号；

输出锁存模块（44）在晶振时钟的上升沿，当成像单元状态寄存器的值为1时，将各个行周期计数器的输出的行周期信号送至电平转换芯片（50）；当成像单元状态寄存器的值为0时，将低电平信号送至电平转换芯片（50）。

2.根据权利要求1所述的大视场空间相机行周期实时调整系统，其特征在于，所述周期信号发生模块（43）由多个行周期计数器组成，行周期计数器的数量和成像单元的数量相同。

3.根据权利要求1或2所述的大视场空间相机行周期实时调整系统，其特征在于，周期信号发生模块（43）中的行周期计数器的位数N满足下式要求：

$2^N\&GreaterEqual;\frac{T_{\max }}{T_2}$

式中，T_max为行周期最大值，T₂为温补晶振（30）时钟周期。

4.根据权利要求1所述的大视场空间相机行周期实时调整系统，其特征在于，所述状态控制模块（42）通过主状态机和数据处理状态机两个有限状态机实现：所述主状态机包括初始态（421）、接收态（422）、处理态（423）、应答态（424）和发送计数态（425）五个状态；数据处理状态机包括译码态（4201）、行周期态（4202）、成像单元开机态（4203）、成像单元关机态（4204）和结束处理态（4205）五个状态。

5.根据权利要求4所述的大视场空间相机行周期实时调整系统，其特征在于，所述主状态机的状态转移过程为：当上电或复位信号为高电平时，进入初始态（421），当复位信号为低电平，由初始态（421）切换到接收态（422），当串行通信接收完一帧数据时，由接收态（422）切换到处理态（423），当数据处理状态机的当前状态为结束处理态（423）,即数据处理完毕时主状态机由处理态（423）切换到应答态（424），在应答状态对串行通讯的帧标识进行判断，当收到的为成像单元开机或成像单元关机指令时，由应答态（424）切换到发送计数态（425），发送串行通讯的应答帧；否则由应答态（424）切换到接收态（422），准备接收下一帧数据；当串行通讯发送完一帧数据时，主状态机由发送计数态（425）切换回接收态（422）；不论主状态机当前处于哪个状态，在复位信号为高电平时都切换为初始态（421）。

6.根据权利要求4所述的大视场空间相机行周期实时调整系统，其特征在于，数据处理状态机的状态转移过程：上电或系统复位时，数据处理状态机进入译码态（4201）；当主状态机为处理态（423）而数据处理状态机当前状态为译码态（4201）时，根据串行通信接收到的帧标识对当前帧的类型进行判断。如果为行周期数据，数据处理状态机由译码态（4201）切换为行周期态（4202）；如果为成像单元开机指令，由译码态（4201）切换为成像单元开机态（4203）；如果为成像单元关机指令，由译码态（4201）切换为成像单元关机态（4204），当主状态机为处理态（423），而数据处理状态机当前状态为行周期态（4202）、成像单元开机态（4203）或者成像单元关机态（4204）时，数据处理状态机切换到结束处理态，当主状态机为处理态（423），而数据处理状态机当前状态为结束处理态（4205）时，数据处理状态机切换到译码态（4201）；当主状态机的当前状态不为处理态（423）时，不论数据处理状态机当前处于哪个状态，都切换为译码态（4201）。

7.根据权利要求1或4所述的大视场空间相机行周期实时调整系统，其特征在于，当主状态机的当前状态为初始态（421）时，将各成像单元行周期计数器的最大计数值设置为默认值；当数据处理状态机的当前状态为行周期态（4202）时，将各成像单元行周期计数器的最大计数值设置为通过串行通信模块（41）接收到的行周期码值；当数据处理状态机的当前状态为成像单元开机态（4203）时，设置成像单元状态寄存器为1，当数据处理状态机的当前状态为成像单元关机态（4204）时，设置成像单元状态寄存器为0。

8.基于权利要求1所述的大视场空间相机行周期实时调整系统的方法，其特征是，该方法由以下步骤实现：

步骤一、星务主机通过卫星总线接口（10）向嵌入式处理器（20）传送数据或成像单元的开关机指令，嵌入式处理器（20）对接收的数据或成像单元的开关机指令进行判断，如果接收的是成像单元的开关机指令，则执行步骤二，如果否，嵌入式处理器（20）判断接收的数据中是否包括卫星位置、速度和时间的数据，如果否，返回步骤一，如果是，执行步骤三；

步骤二、嵌入式处理器（20）将接收的成像单元开关机指令传送至FPGA（40），控制行周期信号输出的使能和禁止，返回步骤一；

步骤三、嵌入式处理器（20）从接收的数据中提取卫星位置、速度和时间的数据，计算卫星与地心距离RH、轨道倾角i₀、卫星轨道运动角速率ψ、升交点赤经Ω和星下点与升交点地心角γ；

步骤四、相机传感器投影面与地球椭球的交线构成椭圆，即交线椭圆；根据地球椭球的长半轴R₁、短半轴R₂和步骤三获得的轨道倾角i₀以及星下点与升交点地心角γ，计算交线椭圆的长半轴和短半轴，建立交线椭圆方程；

所述相机传感器投影面和赤道面的夹角i'₀的计算公式为：

i'₀=cos^-1[cosγ·sin(π-i₀)]；所述交线椭圆的长半轴为R₁，短半轴为R₄

交线椭圆短半轴R₄的计算公式为：

$R_4=\frac{R_1\&CenterDot;R_2}{\sqrt{{\left(R_1\sin {i^{\&prime;}}_0\right)}^2+{\left(R_2\cos {i^{\&prime;}}_0\right)}^2}}=\frac{R_1\&CenterDot;R_2}{\sqrt{{R_1}^2+({R_2}^2-{R_1}^2)\&CenterDot;{\cos }^2\mathrm{\&gamma;}{\&CenterDot;\sin }^2{i}_0}}$

交线椭圆方程为：

$\frac{{x_t}^2}{R_1^2}+\frac{{y_t}^2}{R_4^2}=1;$

步骤五、根据各成像单元有效像元中心位置对应的半视场角，采用地球椭球模型，计算各成像单元对应的像移速度主向量值；

具体的计算过程为：定义O’X’Y’Z’为地理坐标系，原点O’为星下点，X’轴指向天顶，Z’轴指向卫星轨道运动前向，Y’轴与X’轴和Z’轴呈右手系；设定一个成像单元有效像元中心位置对应的半视场角为θ，规定地物点在Y’轴上的坐标为正时θ的符号为正，否则θ的符号为负；则半视场角θ的视场位置对应的地物点与地心的距离R_G通过下述方程组得到：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{\mathrm{RH}\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}-y_t}{\mathrm{RH}\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}-x_t}=\tan ({\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;})\\ {x_t}^2+{y_t}^2=R_G^2\\ \frac{{x_t}^2}{R_1^2}+\frac{{y_t}^2}{R_4^2}=1\end{array}\right.$

其中γ'为星下点与交线椭圆和赤道交点间的地心角，计算公式为：

γ'=arctan[sinγ·tan(π-i₀)]

地物点与空间相机投影中心的距离H_G的计算公式为：

$H_G=\mathrm{RH}\&CenterDot;\cos \mathrm{\&theta;}-\sqrt{{\mathrm{RH}}^2\&CenterDot;{\cos }^2\mathrm{\&theta;}-{\mathrm{RH}}^2+R_G^2}$

地物点与交线椭圆和赤道交点间地心角γ'_G的计算公式为：

${{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}}_G={\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}+{\cos }^{-1}\frac{R_G^2+{\mathrm{RH}}^2-H_G^2}{2\mathrm{RH}\&CenterDot;R_G}$

假设地球自转角速率为ω，则地物点绕地球自转轴转动产生的物移速度在地理坐标系X'轴、Y'轴和Z'轴的分量VX'_A、VY'_A和VZ'_A的计算公式为：

$\left[\begin{array}{c}{{\mathrm{VX}}^{\&prime;}}_A\\ {{\mathrm{VY}}^{\&prime;}}_A\\ {{\mathrm{VZ}}^{\&prime;}}_A\end{array}\right]={\mathrm{RM}}_Y\&CenterDot;{\mathrm{RM}}_X\&CenterDot;{\mathrm{RM}}_Z\&CenterDot;\left[\begin{array}{c}-R_G\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&delta;}}_G\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;\sin {\mathrm{\&alpha;}}_G\\ R_G\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&delta;}}_G\&CenterDot;\mathrm{\&omega;}\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&alpha;}}_G\\ 0\end{array}\right]$

式中α_G和δ_G为地物点在赤道惯性坐标系中的赤经和赤纬，由γ'_G和i'₀根据球面三角形基本公式获得；所述RM_X、RM_Y和RM_Z为旋转矩阵，具体形式如下：

${\mathrm{RM}}_X=\left[\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \sin i_0& -\cos i_0\\ 0& \cos i_0& \sin i_0\end{array}\right]$

${\mathrm{RM}}_Y=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&gamma;}& 0& \sin \mathrm{\&gamma;}\\ 0& 1& 0\\ -\sin \mathrm{\&gamma;}& 0& \cos \mathrm{\&gamma;}\end{array}\right]$

${\mathrm{RM}}_Z=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\&Omega;}& \sin \mathrm{\&Omega;}& 0\\ -\sin \mathrm{\&Omega;}& \cos \mathrm{\&Omega;}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right];$

半视场角θ对应的像点在沿轨方向的像移速度

和垂轨方向的像移速度

的计算公式分别为：

$V_{\mathrm{along}}^{\mathrm{\&theta;}}=[-R_G\&CenterDot;\mathrm{\&psi;}\&CenterDot;\cos ({{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;}}_G-{\mathrm{\&gamma;}}^{\&prime;})+{{\mathrm{VZ}}^{\&prime;}}_A]\&CenterDot;\frac{f}{H_G\&CenterDot;\left|\cos \mathrm{\&theta;}\right|}$

$V_{\mathrm{across}}^{\mathrm{\&theta;}}={{\mathrm{VY}}^{\&prime;}}_A\&CenterDot;\frac{f}{H_G\left|\cos \mathrm{\&theta;}\right|},$

其中f为大视场空间相机的焦距；某一成像单元对应的像移速度主向量值V_θ的计算公式为：

$V_{\mathrm{\&theta;}}=\sqrt{{V_{\mathrm{along}}^{\mathrm{\&theta;}}}^2+{V_{\mathrm{across}}^{\mathrm{\&theta;}}}^2},$

最终完成各成像单元对应的像移速度主向量值；

步骤六、根据步骤五获得的各成像单元对应的像移速度主向量值、成像传感器像元尺寸和温补晶振（30）的时钟周期计算获得各成像单元对应的行周期码值，打包成一帧后发送至FPGA（40）；返回步骤一；

所述行周期码值C_θ的计算公式为：

式中a为成像传感器像元尺寸。

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