專利名稱：大視場空間相機行周期實時調整系統和方法
技術領域：
本發明涉及以遙感衛星為平臺對地球進行觀測的大視場空間相機，具體涉及大視場空間相機在軌攝影時行周期的實時調整方法和系統。
背景技術：
在空間相機對地攝影時，在地球的自轉運動和衛星的軌道運動等的綜合作用下，相機和地物點的相對運動產生像移，導致成像質量的下降。目前傳輸型遙感衛星主要通過調整空間相機成像傳感器的行轉移周期(簡稱行周期)和像移速度的大小相匹配，來消除像移導致的成像質量下降。行周期表征了成像傳感器通過光電轉換產生的電荷包在沿軌方向的轉移頻率，為了與像移速度匹配，需要在軌實時調整。當遙感衛星的軌道高度一定時，其覆蓋寬度隨著空間相機視場角的增大而增加，大視場空間相機可以在保持較高的空間分辨率的同時，實現對感興趣目標的大范圍快速搜索，在軍事和救災等領域具有十分重要的意義和價值。當空間相機的視場角較小時，可以采用目前已經提出的基于圓地球的空間相機像移計算模型，用中心視場的像移速度代替其他視場位置的像移速度進行全視場的像移補償(孔德柱，劉金國，呂世良等.空間相機像移速度計算方法及DSP實現.光學精密工程，2009, 17(8): 1935-1941.王家騏，于平，顏昌祥等.航天光學遙感器像移速度矢計算數學模型.光學學報，2004, 24 (12): 1585-1589)。這種方法僅適用于小視場空間相機,而且由于地球實際為橢球體，存在較大的誤差。發明人曾提出一種基于地球橢球模型的三線陣立體測繪相機像移計算方法(武星星，劉金國.應用地球橢球的三線陣立體測繪相機像移補償.光學精密工程，2011 (8): 1793-1800)，但該方法僅適用于小視場空間相機，大視場空間相機的問題要復雜得多。在大視場空間相機攝影過程中，不同視場位置對應的地物點存在較大的經度差和緯度差，導致地球自轉引起的像移速度的大小和方向不同。而地球實際為橢球體，地物和投影中心的距離隨視場位置、星下點與升交點夾角而變化，使衛星軌道運動產生的像移速度隨之變化。在這些因素的綜合作用下，大視場空間相機的像移速度隨視場位置的不同有顯著的變化。而大視場空間相機的焦平面狹長，一般由多片成像傳感器在一塊像面基板上拼接而成，不同片成像傳感器對應的視場位置不同。如果仍以中心視場的像移速度調整各片成像傳感器的行轉移周期，會導致大的像移匹配殘差而使成像質量下降。針對現有像移計算模型基于圓地球，未考慮地球扁率而存在較大誤差的問題，授權專利CN100565105C提出在地面用STK軟件進行軌道仿真，對仿真數據進行分析，得到地物點移動速度，進而得到像移速度，再通過衛星地面站上注給衛星使用。這一方法的主要問題在于，軌道仿真的數據并非衛星在軌運行時的真實數據，因而很可能和真實情況不符。另外由于需要先在地面仿真、分析，而后通過衛星地面站上注給衛星使用，難以保證在軌實時調整行周期的需要，且使用 范圍受限于衛星地面站的分布，并給衛星地面站額外增加大量的工作量。相機控制器在計算得到行周期的值后，需要產生行周期信號送往成像單元，行周期信號為周期與行周期一致的脈沖信號。成像單元收到行周期信號后，控制成像傳感器光電轉換產生的電荷包在沿軌方向的轉移頻率與之相同。為了避免潛通問題，行周期信號是否輸出給成像單元還受成像單元開機指令和成像單元關機指令的控制，只有成像單元開機時才向成像單元輸出行周期信號。目前主要由嵌入式處理器控制外接的定時/計數器芯片來產生行周期信號，通過外接的鎖存器芯片來控制行周期信號的輸出是否使能。對于大視場空間相機，由于需要根據不同視場位置的像移速度設置各個成像單元的行周期，而其焦面通常由十幾甚至幾十片成像傳感器拼接而成，因此需要產生許多路不同的行周期信號。如果仍采用外接定時/計數器和鎖存器芯片的方法，將需要大量外接的定時/計數器、鎖存器芯片和地址譯碼電路，這無疑會大幅增加相機控制器的體積和功耗，并占用嵌入式處理器大量的機時。
發明內容
本發明為解決現有方法存在僅適用于小視場空間相機、未考慮地球扁率、且與真實情況不符及難以保證實時性的問題。提供一種大視場空間相機行周期實時調整系統和方法。大視場空間相機行周期實時調整系統，該系統包括衛星總線接口、嵌入式處理器、FPGA、溫補晶振和電平轉換芯片；星務主機通過衛星總線接口發送數據或成像單元的開關機指令至嵌入式處理器，嵌入式處理器用于接收從衛星總線接口傳送的數據或成像單元的開關機指令；根據接收數據中的衛星的當前位置、速度和時間數據，以及各成像單元有效像元中心位置對應的半視場角，實時計算各個成像單元對應的行周期碼值；并將收到成像單元的開關機指令和行周期碼值傳送至FPGA ;所述溫補晶振用于產生穩定的時鐘信號，同時將時鐘信號傳送至FPGA，所述FPGA根據接收嵌入式處理器傳送的各成像單元的行周期碼值和溫補晶振傳送的時鐘信號，產生與行周期碼值對應的多路行周期信號，并根據接收的成像單元的開機指令向電平·轉換芯片輸出多路行周期信號，當FPGA重新上電或接收成像單元的關機指令后，停止向電平轉換芯片輸出行周期信號，輸出低電平；所述電平轉換芯片將FPGA產生的多路行周期信號由TTL電平轉換為傳輸的差分電平傳送至成像單元；所述FPGA包括串行通信模塊、周期信號發生模塊、輸出鎖存模塊和狀態控制模塊；所述串行通信模塊用于與嵌入式處理器進行異步串行通信，從串行總線的接收端接收數據，經串并轉換后存入接收寄存器；將發送寄存器的內容轉換成串行數據發送到串行總線的發送端；狀態控制模塊在有限狀態機的作用下，當從串行通信模塊收到的是行周期碼值時，將所述行周期碼值存入周期信號發生模塊中行周期計數器的最大計數值寄存器中；當收到的是成像單元開機指令時，將輸出鎖存控制模塊中的成像單元狀態寄存器設置為1，當收到的為成像單元關機指令時，將成像單元狀態寄存器設置為0，并控制串行通信模塊發送應答數據幀；周期信號發生模塊由多個行周期計數器組成，行周期計數器的數量和成像單元的數量相同，完成多路行周期信號的產生；行周期計數器以溫補晶振輸出的時鐘信號為計數時鐘源，上電或復位時，行周期計數器從O開始計數，當計數到行周期計數器最大計數值時，對行周期計數器清零；行周期信號為脈沖信號；輸出鎖存模塊在晶振時鐘的上升沿，當成像單元狀態寄存器的值為I時，將各個行周期計數器的輸出的行周期信號送至電平轉換芯片；當成像單元狀態寄存器的值為O時，將低電平信號送至電平轉換芯片。大視場空間相機行周期實時調整方法，該方法由以下步驟實現:步驟一、星務主機通過衛星總線接口(10)向嵌入式處理器(20)傳送數據或成像單元的開關機指令，嵌入式處理器(20)對接收的數據或成像單元的開關機指令進行判斷，如果接收的是成像單元的開關機指令，則執行步驟二，如果否，嵌入式處理器(20)判斷接收的數據中是否包括衛星位置、速度和時間的數據，如果否，返回步驟一，如果是，執行步驟—■.---，步驟二、嵌入式處理器(20)將接收的成像單元開關機指令傳送至FPGA (40)，控制行周期信號輸出的使能和禁止，返回步驟一；步驟三、嵌入式處理器(20)從接收的數據中提取衛星位置、速度和時間的數據，計算衛星與地心距離RH、軌道傾角L、衛星軌道運動角速率Ψ、升交點赤經Ω和星下點與升交點地心角Y ;步驟四、相機傳感器投影面與地球橢球的交線構成橢圓，即交線橢圓；根據地球橢球的長半軸R1、短半軸R2和步驟三獲得的軌道傾角io以及星下點與升交點地心角Y，計算交線橢圓的長半軸和短半軸，建立交線橢圓方程；所述相機傳感器投影面和赤道面的夾角i’ ^的計算公式為:
i' O=COS-1 [cos Y.sin( π -10)];所述交線橢圓的長半軸為R1,短半軸為R4交線橢圓短半軸R4的計算公式為:
權利要求
1.大視場空間相機行周期實時調整系統，該系統包括衛星總線接口(10)、嵌入式處理器(20)、FPGA (40)、溫補晶振(30)和電平轉換芯片(50);其特征是，星務主機通過衛星總線接口( 10)發送數據或成像單元的開關機指令至嵌入式處理器(20)，嵌入式處理器(20)用于接收從衛星總線接口(10)傳送的數據或成像單元的開關機指令；根據接收數據中的衛星的當前位置、速度和時間數據，以及各成像單元有效像元中心位置對應的半視場角，實時計算各個成像單元對應的行周期碼值；并將收到成像單元的開關機指令和行周期碼值傳送至FPGA (40);所述溫補晶振(30)用于產生穩定的時鐘信號，同時將時鐘信號傳送至FPGA(40),所述FPGA (40)根據接收嵌入式處理器(20)傳送的各成像單元的行周期碼值和溫補晶振(30)傳送的時鐘信號，產生與行周期碼值對應的多路行周期信號，并根據接收的成像單元的開機指令向電平轉換芯片(50 )輸出多路行周期信號，當FPGA (40 )重新上電或接收成像單元的關機指令后，停止向電平轉換芯片(50)輸出行周期信號，輸出低電平；所述電平轉換芯片(50)將FPGA (40)產生的多路行周期信號由TTL電平轉換為傳輸的差分電平傳送至成像單元； 所述FPGA (40)包括串行通信模塊(41)、周期信號發生模塊(43)、輸出鎖存模塊(44)和狀態控制模塊(42)； 所述串行通信模塊(41)用于與嵌入式處理器(20)進行異步串行通信，從串行總線的接收端接收數據，經串并轉換后存入接收寄存器；將發送寄存器的內容轉換成串行數據發送到串行總線的發送端； 狀態控制模塊(42)在有限狀態機的作用下，當從串行通信模塊(41)收到的是行周期碼值時，將所述行周期碼值存入周期信號發生模塊(43)中行周期計數器的最大計數值寄存器中；當收到的是成像單元開機指令時，將輸出鎖存控制模塊中的成像單元狀態寄存器設置為1，當收到的為成像單元關機指令時，將成像單元狀態寄存器設置為0，并控制串行通信模塊(41)發送應答數據幀； 周期信號發生模塊(43)完成多路行周期信號的產生；行周期計數器以溫補晶振(30)輸出的時鐘信號為計數時鐘源，上電或復位時，行周期計數器從O開始計數，當計數到行周期計數器最大計數值時，對行周期計數器清零；行周期信號為脈沖信號； 輸出鎖存模塊(44)在晶振時鐘的上升沿，當成像單元狀態寄存器的值為I時，將各個行周期計數器的輸出的行周期信號送至電平轉換芯片(50);當成像單元狀態寄存器的值為O時，將低電平信號送至電平轉換芯片(50)。
2.根據權利要求1所述的大視場空間相機行周期實時調整系統，其特征在于，所述周期信號發生模塊(43)由多個行周期計數器組成，行周期計數器的數量和成像單元的數量相同。
3.根據權利要求1或2所述的大視場空間相機行周期實時調整系統，其特征在于，周期信號發生模塊(43)中的行周期計數器的位數N滿足下式要求: r2# > max 式中，Tfflax為行周期最大值，T2為溫補晶振(30)時鐘周期。
4.根據權利要求1所述的大視場空間相機行周期實時調整系統，其特征在于，所述狀態控制模塊(42)通過主狀態機和數據處理狀態機兩個有限狀態機實現:所述主狀態機包括初始態(421)、接收態(422)、處理態(423)、應答態(424)和發送計數態(425)五個狀態；數據處理狀態機包括譯碼態(4201)、行周期態(4202)、成像單元開機態(4203)、成像單元關機態(4204 )和結束處理態(4205 )五個狀態。
5.根據權利要求4所述的大視場空間相機行周期實時調整系統，其特征在于，所述主狀態機的狀態轉移過程為:當上電或復位信號為高電平時，進入初始態(421)，當復位信號為低電平，由初始態(421)切換到接收態(422)，當串行通信接收完一幀數據時，由接收態(422)切換到處理態(423)，當數據處理狀態機的當前狀態為結束處理態(423)，即數據處理完畢時主狀態機由處理態(423)切換到應答態(424)，在應答狀態對串行通訊的幀標識進行判斷，當收到的為成像單元開機或成像單元關機指令時，由應答態(424)切換到發送計數態(425)，發送串行通訊的應答幀；否則由應答態(424)切換到接收態(422)，準備接收下一幀數據；當串行通訊發送完一幀數據時，主狀態機由發送計數態(425)切換回接收態(422);不論主狀態機當前處于哪個狀態，在復位信號為高電平時都切換為初始態(421)。
6.根據權利要求4所述的大視場空間相機行周期實時調整系統，其特征在于，數據處理狀態機的狀態轉移過程:上電或系統復位時，數據處理狀態機進入譯碼態(4201);當主狀態機為處理態(423)而數據處理狀態機當前狀態為譯碼態(4201)時，根據串行通信接收到的幀標識對當前幀的類型進行判斷。如果為行周期數據，數據處理狀態機由譯碼態(4201)切換為行周期態(4202);如果為成像單元開機指令，由譯碼態(4201)切換為成像單元開機態(4203);如果為成像單元關機指令，由譯碼態(4201)切換為成像單元關機態(4204)，當主狀態機為處理態(423)，而數據處理狀態機當前狀態為行周期態(4202)、成像單元開機態(4203)或者成像單元關機態(4204)時，數據處理狀態機切換到結束處理態，當主狀態機為處理態(423)，而數據處理狀態機當前狀態為結束處理態(4205)時，數據處理狀態機切換到譯碼態(4201);當主狀態機的當前狀態不為處理態(423)時，不論數據處理狀態機當前處于哪個狀態，都切換為譯碼態(4201)。
7.根據權利要求1或4所 述的大視場空間相機行周期實時調整系統，其特征在于，當主狀態機的當前狀態為初始態(421)時，將各成像單元行周期計數器的最大計數值設置為默認值；當數據處理狀態機的當前狀態為行周期態(4202)時，將各成像單元行周期計數器的最大計數值設置為通過串行通信模塊(41)接收到的行周期碼值；當數據處理狀態機的當前狀態為成像單元開機態(4203)時，設置成像單元狀態寄存器為1，當數據處理狀態機的當前狀態為成像單元關機態(4204)時，設置成像單元狀態寄存器為O。
8.基于權利要求1所述的大視場空間相機行周期實時調整系統的方法，其特征是，該方法由以下步驟實現: 步驟一、星務主機通過衛星總線接口(10)向嵌入式處理器(20)傳送數據或成像單元的開關機指令，嵌入式處理器(20)對接收的數據或成像單元的開關機指令進行判斷，如果接收的是成像單元的開關機指令，則執行步驟二，如果否，嵌入式處理器(20)判斷接收的數據中是否包括衛星位置、速度和時間的數據，如果否，返回步驟一，如果是，執行步驟三； 步驟二、嵌入式處理器(20)將接收的成像單元開關機指令傳送至FPGA (40),控制行周期信號輸出的使能和禁止，返回步驟一； 步驟三、嵌入式處理器(20)從接收的數據中提取衛星位置、速度和時間的數據，計算衛星與地心距離RH、軌道傾角id、衛星軌道運動角速率Ψ、升交點赤經Ω和星下點與升交點地心角Y ； 步驟四、相機傳感器投影面與地球橢球的交線構成橢圓，即交線橢圓；根據地球橢球的長半軸R1、短半軸R2和步驟三獲得的軌道傾角io以及星下點與升交點地心角Y，計算交線橢圓的長半軸和短半軸，建立交線橢圓方程； 所述相機傳感器投影面和赤道面的夾角的計算公式為: i' O=COS-1 [cos Y.sin (-10)];所述交線橢圓的長半軸為R1，短半軸為R4 交線橢圓短半軸R4的計算公式為:
全文摘要
大視場空間相機行周期實時調整系統和方法，涉及大視場空間相機行周期實時調整方法基于地球橢球模型并考慮大視場空間相機不同視場位置的像移速度差異，解決了現有方法存在的僅適用于小視場空間相機、未考慮地球扁率、與真實情況不符及難以保證實時性等問題。大視場空間相機行周期實時調整系統由衛星總線接口、嵌入式處理器、溫補晶振、FPGA和電平轉換芯片組成，通過FPGA完成多路行周期信號的產生和輸出使能控制，和傳統方法相比，能夠有效地減少大視場空間相機控制器的體積、功耗和嵌入式處理器的機時占用。
文檔編號G01C11/02GK103245332SQ201310113480
公開日2013年8月14日 申請日期2013年4月2日 優先權日2013年4月2日
發明者武星星, 劉金國, 周懷得, 余達 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所