CN107015234B - 嵌入式卫星激光测距控制系统 - Google Patents

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Abstract

嵌入式卫星激光测距控制系统，涉及一种嵌入式卫星激光测距控制系统，解决卫星激光测距控制技术通过主控计算机实现，存在测距方法复杂，响应速度慢，造成丢失数据等问题，望远镜跟踪控制器读取当前的观测时刻，依据测站的轨道预报插值计算当前时刻的方位和高度位置输出到电机的伺服系统；距离门控制器依据测距频率输出激光器的点火信号，锁存主波信号并根据预报计算出主波对应的距离门信号产生的时刻，由距离门控制器输出门控信号。激光束指向控制器识别光束图像，得到光尖位置并计算光尖点与接收视场中心的偏差量，采用控制算法修正激光束指向偏差。本发明采用FPGA+DSP异构处理器架构能够适应更高重复频率激光测距的需要，便于整个测距系统升级。

Description

嵌入式卫星激光测距控制系统
技术领域
本发明涉及一种嵌入式卫星激光测距控制系统。
背景技术
卫星激光测距技术是当前高精度卫星精密定位观测的主要手段之一，是现代各种定位观测手段中单点采样精度最高的一种，在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转，改进地球重力场和地心引力常数，确定地球和海洋潮汐变化的规律等方面具有重要的作用。
高重复率卫星激光测距具有目标捕获快、观测数据量大、测距精度高、标准点数据密度高等优点，已成为国际激光测距技术的发展趋势。在全世界接近50个激光测距站中，只有少数的几个人造卫星观测站实现了千赫兹激光卫星测距或相关的实验。总体来说，各测站控制方案均是将控制软件作为激光测距观测任务管理和控制的核心，负责各分系统的数据通信、信号控制、转台跟踪以及数据采集和处理等。测距控制软件安装在主控计算机中，通过专用控制电路来完成整个测距过程。尽管这种控制方案可基本满足千赫兹测距的要求，但在软件调试更新、执行速度、稳定性、扩展能力方面存在不足，对系统的运行造成一定的影响。主要表现在以下两个方面：
(1)高速实时控制下的系统响应
控制软件基本都是运行在Windows的操作系统下，这种操作系统由于是多用户、多任务操作系统，既可以处理用户界面线程的请求，同时又可以处理控制和数据采集的工作者线程的请求。但由于工作者线程中对外围设备(如事件计时器、CCD)数据采集量大，算法(如方位、高度、距离插值计算)复杂，在1kHz频率下，处理时间间隔只有1毫秒，导致Windows系统响应不及时，造成数据的丢失。当测距频率进一步加密，数据的丢失情况更加严重，不能满足实时控制的要求。
(2)专用控制电路的限制
传统的控制电路都建立在分立式元器件上，属于半定制类型，存在元器件数较多、电路板尺寸偏大、电路稳定性不理想、扩展性与移植性较差等缺点，导致控制电路对控制算法的限制大，控制精度难于进一步提高。
发明内容
本发明为解决现有卫星激光测距控制技术通过主控计算机实现，存在测距方法复杂，响应速度慢，造成丢失数据等，同时存在控制精度低等问题，提供一种嵌入式卫星激光测距控制系统。
嵌入式卫星激光测距控制系统，包括望远镜跟踪控制器、距离门控制器和激光束指向控制器；所述望远镜跟踪控制器、距离门控制器和激光束指向控制器分别由DSP与FPGA组成，所述DSP与FPGA通过SRIO协议进行数据通信；
所述望远镜跟踪控制器中的DSP包括预报数据接收模块、内插值计算模块、规避太阳计算模块和状态量输出模块；
所述望远镜跟踪控制器中的FPGA包括时间基准模块、当前时刻锁存模块和电控快门控制模块；
所述预报数据接收模块通过UDP协议将计算机发送的测站轨道预报中的方位和高度状态变量存储到DSP的RAM中；
所述内插值计算模块采用的是九阶Lagrange内插算法将测站轨道预报中的方位和高度状态变量进行内插值计算生成实时跟踪预报；
所述规避太阳计算模块根据卫星的运行时刻获得太阳的位置，并根据内插值计算模块生成实时跟踪预报计算出卫星与太阳的球面角距离，将所述球面角距离通过SRIO协议传送至电控快门控制模块；
所述电控快门控制模块根据接收的球面角距离控制电控快门的开启或关闭；
所述状态量输出模块内的定时器设置连续计数模式，当定时器累计到某一阈值时，进入中断服务程序，所述状态量输出模块将内插值计算模块计算的观测目标当前时刻的方位和高度位置输出到伺服系统，所述伺服系统控制望远镜的运转，使望远镜精确的指向目标；
所述时间基准模块用于提供基准的时间信号，外部10MHz时钟信号通过FPGA的PLL锁相环产生100MHz的时频信号，然后经过计数器形成的时间基准信号，并用于跟踪预报的插值计算；
所述当前时刻锁存模块用于当DSP内定时器产生周期性中断时，向FPGA发起请求锁存当前的时刻，根据时间基准信号进行当前时刻锁存，并将当前时刻通过SRIO协议传送至主波时刻缓存区；
距离门控制器中的DSP包括预报数据输入模块、距离内插值计算模块和距离门产生时刻计算模块，距离门控制器中的FPGA包括基准时钟模块、激光器点火控制模块、主波时刻锁存模块和距离门信号控制模块；
所述预报数据输入模块通过UDP协议将计算机发送的测站轨道预报中的距离状态量存储到DSP的RAM中；
所述距离内插值计算模块采用九阶Lagrange内插公式计算主波时刻对应距离状态量，然后传送至距离门产生时刻计算模块；
所述距离门产生时刻计算模块根据距离内插值计算模块计算出主波时刻对应距离状态量，加上主波时刻锁存模块获得的主波时刻，再加上一个可调整的提前量，获得距离门产生时刻，并将所述距离门产生时刻通过SRIO协议传送至距离门信号控制模块；
所述的激光器点火控制模块用于根据测距频率，设定点火时刻，控制激光器发射激光；
所述基准时钟模块用于提供基准的时间信号，外部10M时钟信号通过FPGA的PLL锁相环产生100MHz的时频信号，然后经过内部计数器形成时间基准信号，用于作为数据历元的时间依据；
所述主波时刻锁存模块用于将主波时刻的变量作为敏感变量，当所述主波时刻发生变化时，则将基准时钟模块锁存的当前时刻作为主波时刻，并将所述主波时刻通过SRIO协议传送至距离门产生时刻计算模块；
所述距离门信号控制模块用于比较实时时钟和距离门信号产生时刻，如果两者匹配，则输出门控信号，并且取下一个距离门控数据；如果不匹配，则等待下一个实时时钟继续比较；
所述激光束指向控制器中FPGA包括图像处理模块，DSP包括激光光尖位置计算模块和电动调整架控制模块；
所述图像处理模块对CCD采集的光束图像进行处理后通过SRIO协议传送至激光光尖位置计算模块；
所述激光光尖位置计算模块用于计算光尖位置；并将所述光尖位置传送至电动调整镜架控制模块；
所述电动调整镜架控制模块计算光尖点与接收视场中心的偏差量，调整光尖位置到视场中心。
本发明的有益效果：本发明为适应高频卫星激光测距技术的发展需求，采用更先进的技术实现卫星激光测距控制非常有必要。因此，本发明设计了一种基于FPGA+DSP异构处理器架构，适应高频率卫星激光测距需求的嵌入式实时控制系统。
控制方案实现是让主机和控制系统分而治之，各承担一部分工作。控制系统采用嵌入式处理器承担整个测距系统中对实时性要求高的部分，如对望远镜的跟踪控制，使望远镜精确的指向目标；对激光器控制，实现激光束的发射与停止；对距离门的控制，精确设置距离门的打开时刻，准确的接收回波；对激光束指向控制，保证回波信号进入到探测器的灵敏区内；精确测量的主回波时刻；对主回波时刻进行配对，获得激光束往返飞行时间。主机承担余下对实时性要求不高的工作，例如卫星预报星历的获取；观测计划编制；气象参数数据接收；卫星观测任务的切换；以及距离残差显示。
由于数据计算能力强、功能定制灵活，DSP和FPGA已成为嵌入式处理系统中应用最广泛的两种处理器。而FPGA+DSP异构处理器架构在接口的适应性和算法设计的灵活性方面更具有优势：
首先，FPGA作为协处理器可以完成通信接口的扩展、预处理和系统的控制工作，由于FPGA具有完全可定制的特点，因此在通信接口设计和协处理方面比专用控制电路具有更高的灵活性和扩展性。
其次，DSP处理器可以从接口和控制任务中脱离出来，只作为主处理器专注于完成数据的计算和处理。
此外，FPGA+DSP异构处理器架构下的DSP在芯片选择上可以不局限于专用DSP，因此能够选用更高性能的通用DSP处理器，可以提高了系统的处理能力和算法设计的灵活性。
最后，DSP和FPGA都集成高速差分串行收发器，因此采用SRIO(Serial RapidIO)协议的作为异构处理器间的高速互联通信技术，其支持的信号速率为1.25Gb/s、2.5Gb/s、3.125Gb/s和5Gb/s，可以提高控制系统的响应频率，减少数据的丢失。总之，FPGA+DSP异构处理器架构能够适应更高重复频率激光测距的需要，同时也便于整个测距系统升级。
附图说明
图1为本发明所述的嵌入式卫星激光测距控制系统的框图；
图2为本发明所述的嵌入式卫星激光测距控制系统中望远镜跟踪控制器的系统框图；
图3为本发明所述的嵌入式卫星激光测距控制系统中距离门控制器的系统框图；
图4为本发明所述的嵌入式卫星激光测距控制系统中激光束指向控制器的系统框图。
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，嵌入式卫星激光测距控制系统，包括为望远镜跟踪控制器，距离门控制器和激光束指向控制器。所述望远镜跟踪控制器、距离门控制器和激光束指向控制器分别由DSP与FPGA组成，所述DSP与FPGA通过SRIO协议进行数据通信；
望远镜跟踪控制器读取当前的观测时刻，依据测站的轨道预报插值计算出观测目标当前时刻的方位和高度位置，然后输出到电机的伺服系统控制望远镜的运转，使望远镜精确的指向目标。
距离门控制器首先依据测距频率输出激光器的点火信号，然后锁存主波信号并根据预报计算出主波对应的距离门信号产生的时刻，由距离门控制器输出门控信号。
激光束指向控制器首先采用图像处理方法，识别光束图像，得到光尖位置并计算光尖点与接收视场中心的偏差量，然后采用控制算法修正激光束指向偏差，从而使回波信号进入到探测器的灵敏区内。
结合图2说明本实施方式，本实施方式所述的激光测距控制系统在测距工作时，采用程序跟踪方式，实时导引望远镜跟踪目标进行测距。预报软件利用全球数据分析中心提供的卫星预报星历来进行测站的轨道预报，测站轨道预报一般采用1s或20s的预报间隔分别预报近地星或远地星通过测站上空的实时方位、高度和距离状态量。由于望远镜的视场非常小，为了能够捕捉卫星进入到望远镜视场，导引望远镜跟踪所需要的目标的状态量的插值时间间隔是几十毫秒，因此跟踪控制器需要采用内插的方法计算出毫秒量级的目标状态量，即卫星实时跟踪预报。考虑到在白天激光测距时，为了避免望远镜指向太阳而导致高灵敏的光电接收器(如单光子雪崩二极管)损坏，还需要在跟踪预报中计算太阳在观测时刻的位置，当望远镜指向位置与太阳位置的夹角小于一个限定值时，跟踪控制器便关闭光电接收器的电控保护快门，在经过太阳之后，望远镜继续沿卫星运行轨迹方向运行，跟踪控制器重新打开电控快门，此方法能有效保护望远镜上的光电接收器件。
卫星实时跟踪预报的计算以及规避太阳计算，对跟踪控制器的速度和精度都提出了较高的要求。本发明根据望远镜控制的需要设计了基于FPGA+DSP异构处理器架构的跟踪控制器。由于DSP处理性能强大，具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的速度控制算法，因此DSP作为跟踪控制器的核心处理器，承担插值计算和规避太阳计算；由于FPGA具有极强的并行性，适合密集计算应用，并且可配置I/O和IP核支持多种数据传输接口，因此FPGA作为协控制器，构建时间基准模块和电控快门信号的产生。采用SRIO协议实现FPGA与DSP之间的高速数据通信。
本实施方式中，所述DSP采用TI公司浮点型DSP-TMS320C6657，C6657以TIKeyStone多内核架构为基础，集成双内核，同时在每个核上还具有1024kB的专用存储器，可以配置为映射RAM或高速缓冲存储器。在C6657中使用其中的一个核Core0完成状态量的插值计算和规避太阳计算。
所述望远镜跟踪控制器中的DSP包括预报数据接收模块、内插值计算模块、规避太阳计算模块和状态量输出模块；
所述预报数据接收模块将测站轨道预报中方位和高度状态量采用UDP协议从计算机通过网口传输到Core0的RAM空间中。
所述内插计算模块使用测站轨道预报进行内插生成实时跟踪预报时采用的是9阶Lagrange内插公式，Lagrange插值基函数为：
插值多项式为：
式中，n为阶数，xk为预报中的历元时刻，yk为历元时刻对应的状态量，x是在FPGA中读取的当前观测时刻，Ln(x)为x所对应的状态量。
所述规避太阳计算模块用于在判断卫星进出太阳的过程中，需根据卫星的运行的时刻判断太阳的位置。由于对太阳的位置计算要求不高，可根据近地星1s或远地星20s计算对应时刻太阳的位置。对于太阳位置的计算可以先根据太阳黄经求所对应的太阳的赤经和赤纬，在经过坐标转换，计算出太阳相对于测站的方位和高度。在获取了太阳的位置后，利用球面三角形边角关系，计算出卫星与太阳的球面角距离q：
式中，Asun和Esun分别为太阳的方位和高度，Asa和Esa分别为卫星的方位和高度。假如在某一时刻卫星与太阳之间的球面角距离q小于q0(q0为经验值一般取值30°)表明卫星已进入太阳圈内，此时需要关闭电控快门保护光电接收器。同样，假如在之后的某一时刻卫星与太阳间的球面角距离q大于q0，表明卫星已离开太阳圈，此时可以打开电控快门使光电接收器继续工作。
所述状态量输出模块将C6657的定时器设置为连续计数模式，当定时器累计到某一阈值时(经验阈值为20ms)，进入中断服务程序，将方位和高度状态量输出到电机的伺服系统，所述伺服系统控制望远镜的运转，使望远镜精确的指向目标。
所述望远镜跟踪控制器中的FPGA包括FPGA采用Xilinx公司的Artix-7 XC7A100T，拥有101440个逻辑单元(Logic Cells)，8519个可配置逻辑块(Configurable LogicBlock,CLB)，6个锁相环(Phase Locked Loop,PLL)，300个I/O等资源。Artix-7作为协控制器，包含时间基准模块、当前时刻锁存模块和电控快门控制模块三个模块。
所述时间基准模块用于构建时间基准，时间基准由GPS接收机提供的准确的秒脉冲信号(1PPS)和10MHz高稳定正旋信号组成。其中，1PPS用于时间基准同步世界协调时(UTC)；10MHz的正旋信号首先通过Artix-7的锁相环产生100MHz的时频信号，然后经过Artix-7的计数器形成时间基准，即基准的时钟，时间基准的分辨率为10ns。由于此时钟通过外接时频信号来保证累加时间分辨率的精度，可以作为数据历元的时间依据，因此卫星的实时跟踪可依据此时钟。
所述当前时刻锁存模块用于用于当DSP内定时器产生周期性中断时，向FPGA发起请求锁存当前的时刻，根据时间基准信号进行当前时刻锁存，并将当前时刻通过SRIO协议传送至主波时刻缓存区；
所述电控快门控制模块根据接收的球面角距离控制电控快门的开启或关闭；当球面角距离q大于q0时则关闭电控快门，反之，则打开电控快门。
本实施方式所述的望远镜跟踪控制器内的DSP与FPGA采用SRIO协议进行传输；在跟踪控制器中，FPGA和DSP作为SRIO连接的端点器件，DSP为主设备作为事务发起端，FPGA为从设备作为事务响应端。首先要定义DSP和FPGA的ID号，作为通信的标识。其次选择通信的端口，C6657拥有4个SRIO端口，使用Port0作为通信端口；设置bufferMode为1x模式，每个方向上只支持一对串行差分对；设置时钟输入为312.5MHz，倍频实现链路上3.125Gb/s的传输速度。在Artix-7使用Xilinx公司提供的Core Generator生成SRIO核，同样选择1x通路，传输速率3.125Gb/s。
跟踪控制器SRIO程序的设计，DSP端程序包括发起端请求IREQ和发起端响应IRESP；FPGA端程序包括目标端请求TREQ和目标端响应TRESP。DSP端利用定时器产生周期性中断，向FPGA发起请求锁存当前的时刻，并将其写入DSP预定义的缓存端区，写入完成后FPGA通知DSP进行计算，DSP内插生成实时跟踪预报数据，即方位和高度状态量。
结合图3说明本实施方式，本实施方式中，激光测距观测的空间目标距地面测站的高度从数百千米到数万千米，从空间目标返回地面的激光非常弱。采用单光子探测技术可以提高测距系统的探测灵敏度以及测距精度，但是在白天测距和高重复频率测距的情况下，大量的背景噪声和暗噪声常会影响测距的成功率和观测数据的精度。抑制背景噪声的一个重要方法是称为时间滤波的距离门方法，即在激光回波信号到来之前才打开光电接收器，其他时间光电接收器处于关闭状态。产生距离门信号的设备就是距离门控制器。
门控信号的产生是建立在卫星距离预报精度基础上的，对于轨道比较稳定的高轨卫星，径向距离可以预报的比较准确，预报的精度优于5～10m。对于大部分的近地卫星，利用全球观测数据，其预报的精度也可以达到10～20m的水平。也就是说，激光回波到达接收系统的时刻可以较准确的预报，因此卫星激光测距普遍采用了距离门选通技术来有效的抑制噪声的干扰。具体来说，在预测回波尚未到达之前，光电接收器处于关闭状态，所有的噪声均不影响接收系统的测量，直到回波到达之前的一瞬间才开启光电接收器，这样就使得噪声干扰的概率减到最小，即虚警概率最小。因此，卫星的距离预报精度越高，距离门产生信号与预测回波就越接近，对噪声的抑制就越好。
对于高重复频率激光测距，每个测量周期的处理时间要比低重复频率快很多。对于1kHz的测距频率，其处理周期必须在1ms以内；对于2kHz的测距频率，其处理周期必须在0.5ms以内。基于此，本实施方式设计了基于FPGA+DSP异构处理器架构的距离门控制器。由于DSP处理性能强大，具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的算法，因此DSP作为距离门控制器的核心处理器，承担插值计算及距离门产生时刻计算；由于FPGA具有极强的并行性，适合异常密集计算应用，并且可配置I/O和IP核支持多种数据传输接口，因此FPGA作为协控制器，构建时间基准模块、激光器点火信号的产生、距离门信号的产生以及主波时刻的锁存。采用SRIO协议实现FPGA与DSP之间的高速数据通信。
所述距离门控制器的DSP采用TI公司浮点型DSP-TMS320C6657，C6657以TIKeyStone多内核架构为基础，集成双内核，同时在每个核上还具有1024kB的专用存储器，可以配置为映射RAM或高速缓冲存储器。因此距离状态量的插值计算及距离门产生时刻计算，可以使用C6657核Core0来完成，具体包含预报数据输入模块、距离内插值计算模块和距离门产生时刻计算模块；
所述预报数据输入模块将测站轨道预报中距离状态量采用UDP协议从计算机通过网口传输到Core0的RAM空间中。
所述距离内插计算模块对于高重复频率激光测距，采用的是9阶Lagrange内插公式将距离预报数据加密到毫秒量级甚至是微秒量级，使距离预报数据的分辨率达到100ns，使用Lagrange插值基函数与插值多项式分别采用公式(1)(2)。
所述距离门产生时刻计算模块；距离门与预测回波的关系是，二者越接近，对噪声的抑制就越好，同时为了不误阻有效回波，距离门产生时刻要在回波到来时刻预报值上加上一个可调整的提前量。回波时刻是由星历来确定的。具体来说，由于星历是时间的函数，可精确描述卫星随时间而变的位置和速度，因此回波时刻等于主波发射时刻与该时刻对应的目标距离状态量(以时间为单位)之和。
tRGG＝tMainPulse+tCurRange+tPreRange+tOther (4)
式中，tRGG为距离门产生时刻，tMainPulse为主波发射时刻，tPreRange为可调整的提前量，tOther为系统的延迟量，tCurRange为主波时刻所对应的目标距离状态量，由Lagrange内插公式确定。
tCurRange＝Ln(tMainPulse) (5)
距离门控制器中的FPGA采用Xilinx公司的Artix-7 XC7A100T，拥有101440个逻辑单元，8519个可配置逻辑块，6个锁相环，300个I/O等资源。Artix-7作为协控制器，包括基准时钟模块、激光器点火控制模块、主波时刻锁存模块和距离门信号控制模块。
所述基准时钟模块用于构建时间基准，时间基准由GPS接收机提供的准确的秒脉冲信号(1PPS)和10MHz高稳定正旋信号组成。其中，1PPS用于时间基准同步世界协调时(UTC)；10MHz的正旋信号首先通过Artix-7的锁相环产生100MHz的时频信号，然后经过Artix-7的计数器形成时间基准，即基准的时钟，它的分辨率为10ns。由于此时钟通过外接时频信号来保证累加时间分辨率的精度，可以作为数据历元的时间依据，因此卫星的实时跟踪可依据此时钟。
所述激光器点火控制模块用于对于1kHz的测距频率，其点火时刻可以设在整毫秒的时刻上，如1ms、2ms、3ms……1000ms。对于2kHz的测距频率，其点火时刻可以设在0.5ms毫秒的整数倍上，如0.5ms、1ms、1.5ms、2ms……999.5ms、1000ms。
主波时刻锁存模块，用于将点火信号触发激光器后经过一段时间延迟才能将激光发射出去，主波是光的同步信号，主波时刻就是用来监视激光的发射时刻。将主波时刻的变量作为敏感变量，当其发生变化时则将当前时刻锁存，作为主波时刻。
所述距离门信号控制模块，对于门控信号的控制，设计比较器负责比较实时时钟和门控信号产生时刻，如果两者匹配，则输出门控信号，并且取下一个距离门控数据；如果不匹配则待下一个实时时钟继续比较。
本实施方式中，距离门控制器中的DSP与FPGA之间采用SRIO协议传输的过程为：在距离门控制器中，FPGA和DSP作为SRIO连接的端点器件，FPGA为主设备作为事务发起端，DSP为从设备作为事务响应端。首先要定义DSP和FPGA的ID号，作为通信的标识。其次选择通信的端口，C6657拥有4个SRIO端口，使用Port0作为通信端口；设置bufferMode为1x模式，每个方向上只支持一对串行差分对；设置时钟输入为312.5MHz，倍频实现链路上3.125Gb/s的传输速度。在Artix-7使用Xilinx公司提供的Core Generator生成SRIO核，同样选择1x通路，传输速率3.125Gb/s。
距离门控制器SRIO程序的设计，FPGA端程序包括发起端请求IREQ和发起端响应IRESP；DSP端程序包括目标端请求TREQ和目标端响应TRESP。FPGA端首先发起请求将锁存到的主波时刻写入DSP预定义的缓存端区，然后FPGA通知DSP进行计算，当DSP处理完接收到的数据后，通知FPGA收取处理好的数据，最后由FPGA请求读回处理后的数据即距离门产生时刻。
结合图4说明本实施方式，图4为激光束指向控制器的框图，激光测距过程中，对发射光轴与接收光轴的平行度要求很高。但由于温度变化等原因会造成激光光束的偏移，导致望远镜产生指向偏差，很难保证激光束总在发射望远镜视场中心，此时需要实时修正激光束指向，使之尽量在望远镜视场中心，从而保证从卫星返回的光能进入接收望远镜的视场。因此需要能实时监视激光光束的位置，并不断调整光束的位置，使发射光轴与接收光轴尽可能平行。
为解决这一问题，在与探测器并行位置的放置CCD用来监视激光光尖位置，同时在发射光路中加入一个带有二维电动调整镜架的45度反射镜用来调整光束的位置。由于激光在经过大气层的过程中，与大气分子和气溶胶等粒子作用会发生激光后向散射现象，激光光束在CCD上形成锥形的光尖图像。首先利用图像处理的方法计算出激光光尖位置与视场中心位置的偏差，然后通过控制电动调整镜架，调整45度反射镜，使光束指向微调，完成激光光束与视场中心位置的重合，使回波信号进入到探测器的灵敏区内，也减少人工调整光束指向的工作。
激光束指向控制器由图像处理和光束指向控制两部分组成。基于此，本实施方式设计了基于FPGA+DSP异构处理器架构的激光束指向控制器。图像处理部分以FPGA作为协处理器，利用FPGA的并行运算和流水线处理的特点，提高图像处理的速度。光束控制部分以DSP作为核心控制器，通过控制二维电动调整镜架的步进电机，达到收发系统的平行。
所述激光束指向控制器中的FPGA采用Xilinx公司的Artix-7XC7A100T，拥有101440个逻辑单元，8519个可配置逻辑块，6个锁相环，300个I/O等资源。Artix-7作为协处理器，主要是对CCD获取到的图像进行处理，包括图像处理模块，所述图像处理模块对CCD采集的光束图像进行处理后通过SRIO协议传送至激光光尖位置计算模块；所述图像处理模块包括对图像数据的输入、图像噪声的去除、图像的阈值分割和图像的边缘检测。
所述图像数据的输入用于将CCD采集到的原始图像数据采用UDP协议通过网口传输到DDR3储存空间中。
所述图像噪声的去除，由于后向散射的激光非常弱，而天空的背景噪声又很强，导致无法辨别出激光光尖的图像，因此必须去除图像中的背景噪声。由于天空背景噪声可近似认为是一种脉冲噪声，每个像素点上的噪声通常在空间上不相关的，且和原图像信号也无关，可以采用中值滤波方法去除背景噪声。
所述图像的阈值分割，天空背景与激光光尖图像的分割，可以采用基于灰度阈值的分割方法，其关键是如何合理的选择阈值。首先计算在天空背景下的图像的灰度平均值，其次计算在卫星进入视场后图像直方图的峰值，然后利用下式求取阈值。
T＝V+alpha×[P-V] (6)
式中，V为背景图像的平灰度值，P为目标图像灰度直方图的峰值，alpha为常系数(一般取值为0.3)。
所述图像的边缘检测是指在分割出激光光尖图象后，采用Sobel算子对光尖的边缘进行提取。传统的Sobel算子有两个，一个是检测水平方向，另一个是检测垂直方向。为了得到更好的激光光尖图像，可以增加45°和135°两个方向的算子。图像在每一点的灰度值可由下式来确定。
式中，Gx为横向检测的灰度值，Gy为纵向检测的灰度值，G45°为45°方向检测的灰度值，G135°为135°方向检测的灰度值。
所述激光束指向控制器中的DSP采用TI公司浮点型DSP-TMS320C6657，C6657以TIKeyStone多内核架构为基础，集成双内核，同时在每个核上还具有1024kB的专用存储器，可以配置为映射RAM或高速缓冲存储器。C6657作为控制器，可以使用核Core0完成激光光尖位置计算和电动调整镜架控制,具体包括激光光尖位置计算模块和电动调整架控制模块；所述激光光尖位置计算模块用于计算光尖位置；并将所述光尖位置传送至电动调整镜架控制模块；
由于大气的散射和反射作用的影响，CCD所成的激光图像会有一定的偏差，特别是激光光尖误差较大，不能准确反映出激光束的边缘信息。为了提高光尖的定位精度，可以首先以横坐标为基准，计算每一个边缘数据点纵坐标与直线的偏差；其次保留偏差小于阈值的数据点；然后用重新选取的数据点进行直线拟合；最后计算两条直线的交点，得到光尖位置坐标。
所述电动调整镜架控制模块计算光尖点与接收视场中心的偏差量，调整光尖位置到视场中心；由于二维电动调整镜架配备有步进电机，而步进电机的控制是位置控制，它可以不用借助位置传感器而只需简单的开环控制就能达到足够的位置精度。
因此在获取光尖位置坐标之后，计算光尖位置与视场中心位置的偏差，然后将偏差量折算成电机步数，一次调节光尖位置到视场中心。
所述激光束指向控制器中DSP与FPGA之间采用SRIO协议传输的过程为：在激光束指向控制器中，FPGA和DSP作为SRIO连接的端点器件，DSP为主设备作为事务发起端，FPGA为从设备作为事务响应端。首先要定义DSP和FPGA的ID号，作为通信的标识。其次选择通信的端口，C6657拥有4个SRIO端口，使用Port0作为通信端口；设置bufferMode为1x模式，每个方向上只支持一对串行差分对；设置时钟输入为312.5MHz，倍频实现链路上3.125Gb/s的传输速度。在Artix-7使用Xilinx公司提供的Core Generator生成SRIO核，同样选择1x通路，传输速率3.125Gb/s。
激光束指向控制器SRIO程序的设计，FPGA端程序包括发起端请求IREQ和发起端响应IRESP；DSP端程序包括目标端请求TREQ和目标端响应TRESP。FPGA端首先发起请求将处理后的激光光尖图像写入DSP预定义的DDR3缓存端区，然后FPGA通知DSP进行计算，当DSP处理完接收到的图像数据后，通知FPGA可以继续发起请求写入数据。

Claims (7)

1.嵌入式卫星激光测距控制系统，包括望远镜跟踪控制器、距离门控制器和激光束指向控制器，其特征是；
所述望远镜跟踪控制器、距离门控制器和激光束指向控制器均由DSP与FPGA组成，所述DSP与FPGA通过SRIO协议进行数据通信；
所述望远镜跟踪控制器中的DSP包括预报数据接收模块、内插值计算模块、规避太阳计算模块和状态量输出模块；
所述望远镜跟踪控制器中的FPGA包括时间基准模块、当前时刻锁存模块和电控快门控制模块；
所述预报数据接收模块通过UDP协议将计算机发送的测站轨道预报中的方位和高度状态变量存储到DSP的RAM中；
所述内插值计算模块采用的是九阶Lagrange内插算法将测站轨道预报中的方位和高度状态变量进行内插值计算生成实时跟踪预报；
所述规避太阳计算模块根据卫星的运行时刻获得太阳的位置，并根据内插值计算模块生成实时跟踪预报计算出卫星与太阳的球面角距离，将所述球面角距离通过SRIO协议传送至电控快门控制模块；
所述电控快门控制模块根据接收的球面角距离控制电控快门的开启或关闭；
所述状态量输出模块内的定时器设置连续计数模式，当定时器累计到某一阈值时，进入中断服务程序，所述状态量输出模块将内插值计算模块计算的观测目标当前时刻的方位和高度位置输出到伺服系统，所述伺服系统控制望远镜的运转，使望远镜精确的指向目标；
所述时间基准模块用于提供基准的时间信号，外部10MHz时钟信号通过FPGA的PLL锁相环产生100MHz的时频信号，然后经过计数器形成的时间基准信号，并用于跟踪预报的插值计算；
所述当前时刻锁存模块用于当DSP内定时器产生周期性中断时，向FPGA发起请求锁存当前的时刻，根据时间基准信号进行当前时刻锁存，并将当前时刻通过SRIO协议传送至主波时刻缓存区；
距离门控制器中的DSP包括预报数据输入模块、距离内插值计算模块和距离门产生时刻计算模块，距离门控制器中的FPGA包括基准时钟模块、激光器点火控制模块、主波时刻锁存模块和距离门信号控制模块；
所述预报数据输入模块通过UDP协议将计算机发送的测站轨道预报中的距离状态量存储到DSP的RAM中；
所述距离内插值计算模块采用九阶Lagrange内插公式计算主波时刻对应距离状态量，然后传送至距离门产生时刻计算模块；
所述距离门产生时刻计算模块根据距离内插值计算模块计算出主波时刻对应距离状态量，加上主波时刻锁存模块获得的主波时刻，再加上一个可调整的提前量，获得距离门产生时刻，并将所述距离门产生时刻通过SRIO协议传送至距离门信号控制模块；
所述的激光器点火控制模块用于根据测距频率，设定点火时刻，控制激光器发射激光；
所述基准时钟模块用于提供基准的时间信号，外部10M时钟信号通过FPGA的PLL锁相环产生100MHz的时频信号，然后经过内部计数器形成时间基准信号，用于作为数据历元的时间依据；
所述主波时刻锁存模块用于将主波时刻的变量作为敏感变量，当所述主波时刻发生变化时，则将基准时钟模块锁存的当前时刻作为主波时刻，并将所述主波时刻通过SRIO协议传送至距离门产生时刻计算模块；
所述距离门信号控制模块用于比较实时时钟和距离门信号产生时刻，如果两者匹配，则输出门控信号，并且取下一个距离门控数据；如果不匹配，则等待下一个实时时钟继续比较；
所述激光束指向控制器中FPGA包括图像处理模块，DSP包括激光光尖位置计算模块和电动调整架控制模块；
所述图像处理模块对CCD采集的光束图像进行处理后通过SRIO协议传送至激光光尖位置计算模块；
所述激光光尖位置计算模块用于计算光尖位置；并将所述光尖位置传送至电动调整镜架控制模块；
所述电动调整镜架控制模块计算光尖点与接收视场中心的偏差量，调整光尖位置到视场中心。
2.根据权利要求1所述的嵌入式卫星激光测距控制系统，其特征在于，所述规避太阳计算模块在在判断卫星进出太阳的过程中，根据卫星的运行的时刻判断太阳的位置，所述太阳位置的计算太阳黄经求所对应的太阳的赤经和赤纬，再经过坐标转换，获得太阳相对于测站的方位和高度，采用球面三角形边角关系，计算出卫星与太阳的球面角距离q：
cosq＝cos(90°-Esa)cos(90°-Esun)+sin(90°-Esa)sin(90°-Esun)cos(Asa-Asun)
式中，Asun和Esun分别为太阳的方位和高度，Asa和Esa分别为卫星的方位和高度，若在某一时刻卫星与太阳之间的球面角距离q小于经验阈值q0，则卫星已进入太阳圈内，将所述距离通过SRIO协议传送至电控快门控制模块，通过电控快门控制模块控制电控快门关闭；若某一时刻卫星与太阳间的球面角距离q大于等于经验阈值q0，则卫星已离开太阳圈，通过电控快门控制模块控制电控快门打开，光电接收器继续工作。
3.根据权利要求2所述的嵌入式卫星激光测距控制系统，其特征在于，所述经验阈值q0取值30°。
4.根据权利要求1所述的嵌入式卫星激光测距控制系统，其特征在于，所述状态量输出模块内的定时器设置连续计数模式，当定时器累计至20ms时，进入中断服务程序。
5.根据权利要求1所述的嵌入式卫星激光测距控制系统，其特征在于，所述激光器点火控制模块，对于1kHz的测距频率，点火时刻设定在整毫秒的时刻上，对于2kHz的测距频率，点火时刻设定在0.5ms毫秒的整数倍上。
6.根据权利要求1所述的嵌入式卫星激光测距控制系统，其特征在于，所述距离门产生时刻计算模块获得距离门产生时刻，具体为：
根据回波时刻等于主波发射时刻与所述主波发射时刻对应的目标距离状态量之和；用公式表示为：
tRGG＝tMainPulse+tCurRange+tPreRange+tOther
式中，tRGG为距离门产生时刻，tMainPulse为主波发射时刻，tPreRange为可调整的提前量，tOther为系统的延迟量，tCurRange为主波时刻所对应的目标距离状态量；
所述主波时刻所对应的目标距离状态量由Lagrange内插公式确定，用公式表示为：
tCurRange＝Ln(tMainPulse)。
7.根据权利要求1所述的嵌入式卫星激光测距控制系统，其特征在于，激光束指向控制器中的图像处理模块用于对输入的激光光束图像进行噪声的去除、图像的阈值分割和图像的边缘检测。
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