本發(fā)明涉及一種嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

衛(wèi)星激光測距技術(shù)是當(dāng)前高精度衛(wèi)星精密定位觀測的主要手段之一，是現(xiàn)代各種定位觀測手段中單點采樣精度最高的一種，在監(jiān)測大陸板塊運動、地殼形變、地球自轉(zhuǎn)，改進地球重力場和地心引力常數(shù)，確定地球和海洋潮汐變化的規(guī)律等方面具有重要的作用。

高重復(fù)率衛(wèi)星激光測距具有目標捕獲快、觀測數(shù)據(jù)量大、測距精度高、標準點數(shù)據(jù)密度高等優(yōu)點，已成為國際激光測距技術(shù)的發(fā)展趨勢。在全世界接近50個激光測距站中，只有少數(shù)的幾個人造衛(wèi)星觀測站實現(xiàn)了千赫茲激光衛(wèi)星測距或相關(guān)的實驗?？傮w來說，各測站控制方案均是將控制軟件作為激光測距觀測任務(wù)管理和控制的核心，負責(zé)各分系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信、信號控制、轉(zhuǎn)臺跟蹤以及數(shù)據(jù)采集和處理等。測距控制軟件安裝在主控計算機中，通過專用控制電路來完成整個測距過程。盡管這種控制方案可基本滿足千赫茲測距的要求，但在軟件調(diào)試更新、執(zhí)行速度、穩(wěn)定性、擴展能力方面存在不足，對系統(tǒng)的運行造成一定的影響。主要表現(xiàn)在以下兩個方面：

(1)高速實時控制下的系統(tǒng)響應(yīng)

控制軟件基本都是運行在windows的操作系統(tǒng)下，這種操作系統(tǒng)由于是多用戶、多任務(wù)操作系統(tǒng)，既可以處理用戶界面線程的請求，同時又可以處理控制和數(shù)據(jù)采集的工作者線程的請求。但由于工作者線程中對外圍設(shè)備(如事件計時器、ccd)數(shù)據(jù)采集量大，算法(如方位、高度、距離插值計算)復(fù)雜，在1khz頻率下，處理時間間隔只有1毫秒，導(dǎo)致windows系統(tǒng)響應(yīng)不及時，造成數(shù)據(jù)的丟失。當(dāng)測距頻率進一步加密，數(shù)據(jù)的丟失情況更加嚴重，不能滿足實時控制的要求。

(2)專用控制電路的限制

傳統(tǒng)的控制電路都建立在分立式元器件上，屬于半定制類型，存在元器件數(shù)較多、電路板尺寸偏大、電路穩(wěn)定性不理想、擴展性與移植性較差等缺點，導(dǎo)致控制電路對控制算法的限制大，控制精度難于進一步提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有衛(wèi)星激光測距控制技術(shù)通過主控計算機實現(xiàn)，存在測距方法復(fù)雜，響應(yīng)速度慢，造成丟失數(shù)據(jù)等，同時存在控制精度低等問題，提供一種嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)。

嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)，包括望遠鏡跟蹤控制器、距離門控制器和激光束指向控制器；所述望遠鏡跟蹤控制器、距離門控制器和激光束指向控制器分別由dsp與fpga組成，所述dsp與fpga通過srio協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信；

所述望遠鏡跟蹤控制器中的dsp包括預(yù)報數(shù)據(jù)接收模塊、內(nèi)插值計算模塊、規(guī)避太陽計算模塊和狀態(tài)量輸出模塊；

所述望遠鏡跟蹤控制器中的fpga包括時間基準模塊、當(dāng)前時刻鎖存模塊和電控快門控制模塊；

所述預(yù)報數(shù)據(jù)接收模塊通過udp協(xié)議將計算機發(fā)送的測站軌道預(yù)報中的方位和高度狀態(tài)變量存儲到dsp的ram中；

所述內(nèi)插值計算模塊采用的是九階lagrange內(nèi)插算法將測站軌道預(yù)報中的方位和高度狀態(tài)變量進行內(nèi)插值計算生成實時跟蹤預(yù)報；

所述規(guī)避太陽計算模塊根據(jù)衛(wèi)星的運行時刻獲得太陽的位置，并根據(jù)內(nèi)插值計算模塊生成實時跟蹤預(yù)報計算出衛(wèi)星與太陽的球面角距離，將所述球面角距離通過srio協(xié)議傳送至電控快門控制模塊；

所述電控快門控制模塊根據(jù)接收的球面角距離控制電控快門的開啟或關(guān)閉；

所述狀態(tài)量輸出模塊內(nèi)的定時器設(shè)置連續(xù)計數(shù)模式，當(dāng)定時器累計到某一閾值時，進入中斷服務(wù)程序，所述狀態(tài)量輸出模塊將內(nèi)插值計算模塊計算的觀測目標當(dāng)前時刻的方位和高度位置輸出到伺服系統(tǒng)，所述伺服系統(tǒng)控制望遠鏡的運轉(zhuǎn)，使望遠鏡精確的指向目標；

所述時間基準模塊用于提供基準的時間信號，外部10mhz時鐘信號通過fpga的pll鎖相環(huán)產(chǎn)生100mhz的時頻信號，然后經(jīng)過計數(shù)器形成的時間基準信號，并用于跟蹤預(yù)報的插值計算；

所述當(dāng)前時刻鎖存模塊用于當(dāng)dsp內(nèi)定時器產(chǎn)生周期性中斷時，向fpga發(fā)起請求鎖存當(dāng)前的時刻，根據(jù)時間基準信號進行當(dāng)前時刻鎖存，并將當(dāng)前時刻通過srio協(xié)議傳送至主波時刻緩存區(qū)；

距離門控制器中的dsp包括預(yù)報數(shù)據(jù)輸入模塊、距離內(nèi)插值計算模塊和距離門產(chǎn)生時刻計算模塊，距離門控制器中的fpga包括基準時鐘模塊、激光器點火控制模塊、主波時刻鎖存模塊和距離門信號控制模塊；

所述預(yù)報數(shù)據(jù)輸入模塊通過udp協(xié)議將計算機發(fā)送的測站軌道預(yù)報中的距離狀態(tài)量存儲到dsp的ram中；

所述距離內(nèi)插值計算模塊采用九階lagrange內(nèi)插公式計算主波時刻對應(yīng)距離狀態(tài)量，然后傳送至距離門產(chǎn)生時刻計算模塊；

所述距離門產(chǎn)生時刻計算模塊根據(jù)距離內(nèi)插值計算模塊計算出主波時刻對應(yīng)距離狀態(tài)量，加上主波時刻鎖存模塊獲得的主波時刻，再加上一個可調(diào)整的提前量，獲得距離門產(chǎn)生時刻，并將所述距離門產(chǎn)生時刻通過srio協(xié)議傳送至距離門信號控制模塊；

所述的激光器點火控制模塊用于根據(jù)測距頻率，設(shè)定點火時刻，控制激光器發(fā)射激光；

所述基準時鐘模塊用于提供基準的時間信號，外部10m時鐘信號通過fpga的pll鎖相環(huán)產(chǎn)生100mhz的時頻信號，然后經(jīng)過內(nèi)部計數(shù)器形成時間基準信號，用于作為數(shù)據(jù)歷元的時間依據(jù)；

所述主波時刻鎖存模塊用于將主波時刻的變量作為敏感變量，當(dāng)所述主波時刻發(fā)生變化時，則將基準時鐘模塊鎖存的當(dāng)前時刻作為主波時刻，并將所述主波時刻通過srio協(xié)議傳送至距離門產(chǎn)生時刻計算模塊；

所述距離門信號控制模塊用于比較實時時鐘和距離門信號產(chǎn)生時刻，如果兩者匹配，則輸出門控信號，并且取下一個距離門控數(shù)據(jù)；如果不匹配，則等待下一個實時時鐘繼續(xù)比較；

所述激光束指向控制器中fpga包括圖像處理模塊，dsp包括激光光尖位置計算模塊和電動調(diào)整架控制模塊；

所述圖像處理模塊對ccd采集的光束圖像進行處理后通過srio協(xié)議傳送至激光光尖位置計算模塊；

所述激光光尖位置計算模塊用于計算光尖位置；并將所述光尖位置傳送至電動調(diào)整鏡架控制模塊；

所述電動調(diào)整鏡架控制模塊計算光尖點與接收視場中心的偏差量，調(diào)整光尖位置到視場中心。

本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明為適應(yīng)高頻衛(wèi)星激光測距技術(shù)的發(fā)展需求，采用更先進的技術(shù)實現(xiàn)衛(wèi)星激光測距控制非常有必要。因此，本發(fā)明設(shè)計了一種基于fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)，適應(yīng)高頻率衛(wèi)星激光測距需求的嵌入式實時控制系統(tǒng)。

控制方案實現(xiàn)是讓主機和控制系統(tǒng)分而治之，各承擔(dān)一部分工作?？刂葡到y(tǒng)采用嵌入式處理器承擔(dān)整個測距系統(tǒng)中對實時性要求高的部分，如對望遠鏡的跟蹤控制，使望遠鏡精確的指向目標；對激光器控制，實現(xiàn)激光束的發(fā)射與停止；對距離門的控制，精確設(shè)置距離門的打開時刻，準確的接收回波；對激光束指向控制，保證回波信號進入到探測器的靈敏區(qū)內(nèi)；精確測量的主回波時刻；對主回波時刻進行配對，獲得激光束往返飛行時間。主機承擔(dān)余下對實時性要求不高的工作，例如衛(wèi)星預(yù)報星歷的獲??；觀測計劃編制；氣象參數(shù)數(shù)據(jù)接收；衛(wèi)星觀測任務(wù)的切換；以及距離殘差顯示。

由于數(shù)據(jù)計算能力強、功能定制靈活，dsp和fpga已成為嵌入式處理系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的兩種處理器。而fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)在接口的適應(yīng)性和算法設(shè)計的靈活性方面更具有優(yōu)勢：

首先，fpga作為協(xié)處理器可以完成通信接口的擴展、預(yù)處理和系統(tǒng)的控制工作，由于fpga具有完全可定制的特點，因此在通信接口設(shè)計和協(xié)處理方面比專用控制電路具有更高的靈活性和擴展性。

其次，dsp處理器可以從接口和控制任務(wù)中脫離出來，只作為主處理器專注于完成數(shù)據(jù)的計算和處理。

此外，fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)下的dsp在芯片選擇上可以不局限于專用dsp，因此能夠選用更高性能的通用dsp處理器，可以提高了系統(tǒng)的處理能力和算法設(shè)計的靈活性。

最后，dsp和fpga都集成高速差分串行收發(fā)器，因此采用srio(serialrapidio)協(xié)議的作為異構(gòu)處理器間的高速互聯(lián)通信技術(shù)，其支持的信號速率為1.25gb/s、2.5gb/s、3.125gb/s和5gb/s，可以提高控制系統(tǒng)的響應(yīng)頻率，減少數(shù)據(jù)的丟失。總之，fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)能夠適應(yīng)更高重復(fù)頻率激光測距的需要，同時也便于整個測距系統(tǒng)升級。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述的嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)的框圖；

圖2為本發(fā)明所述的嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)中望遠鏡跟蹤控制器的系統(tǒng)框圖；

圖3為本發(fā)明所述的嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)中距離門控制器的系統(tǒng)框圖；

圖4為本發(fā)明所述的嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)中激光束指向控制器的系統(tǒng)框圖。

具體實施方式

具體實施方式一、結(jié)合圖1至圖4說明本實施方式，嵌入式衛(wèi)星激光測距控制系統(tǒng)，包括為望遠鏡跟蹤控制器，距離門控制器和激光束指向控制器。所述望遠鏡跟蹤控制器、距離門控制器和激光束指向控制器分別由dsp與fpga組成，所述dsp與fpga通過srio協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信；

望遠鏡跟蹤控制器讀取當(dāng)前的觀測時刻，依據(jù)測站的軌道預(yù)報插值計算出觀測目標當(dāng)前時刻的方位和高度位置，然后輸出到電機的伺服系統(tǒng)控制望遠鏡的運轉(zhuǎn)，使望遠鏡精確的指向目標。

距離門控制器首先依據(jù)測距頻率輸出激光器的點火信號，然后鎖存主波信號并根據(jù)預(yù)報計算出主波對應(yīng)的距離門信號產(chǎn)生的時刻，由距離門控制器輸出門控信號。

激光束指向控制器首先采用圖像處理方法，識別光束圖像，得到光尖位置并計算光尖點與接收視場中心的偏差量，然后采用控制算法修正激光束指向偏差，從而使回波信號進入到探測器的靈敏區(qū)內(nèi)。

結(jié)合圖2說明本實施方式，本實施方式所述的激光測距控制系統(tǒng)在測距工作時，采用程序跟蹤方式，實時導(dǎo)引望遠鏡跟蹤目標進行測距。預(yù)報軟件利用全球數(shù)據(jù)分析中心提供的衛(wèi)星預(yù)報星歷來進行測站的軌道預(yù)報，測站軌道預(yù)報一般采用1s或20s的預(yù)報間隔分別預(yù)報近地星或遠地星通過測站上空的實時方位、高度和距離狀態(tài)量。由于望遠鏡的視場非常小，為了能夠捕捉衛(wèi)星進入到望遠鏡視場，導(dǎo)引望遠鏡跟蹤所需要的目標的狀態(tài)量的插值時間間隔是幾十毫秒，因此跟蹤控制器需要采用內(nèi)插的方法計算出毫秒量級的目標狀態(tài)量，即衛(wèi)星實時跟蹤預(yù)報?？紤]到在白天激光測距時，為了避免望遠鏡指向太陽而導(dǎo)致高靈敏的光電接收器(如單光子雪崩二極管)損壞，還需要在跟蹤預(yù)報中計算太陽在觀測時刻的位置，當(dāng)望遠鏡指向位置與太陽位置的夾角小于一個限定值時，跟蹤控制器便關(guān)閉光電接收器的電控保護快門，在經(jīng)過太陽之后，望遠鏡繼續(xù)沿衛(wèi)星運行軌跡方向運行，跟蹤控制器重新打開電控快門，此方法能有效保護望遠鏡上的光電接收器件。

衛(wèi)星實時跟蹤預(yù)報的計算以及規(guī)避太陽計算，對跟蹤控制器的速度和精度都提出了較高的要求。本發(fā)明根據(jù)望遠鏡控制的需要設(shè)計了基于fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)的跟蹤控制器。由于dsp處理性能強大，具有靈活的編程功能，能實時方便地實現(xiàn)復(fù)雜的速度控制算法，因此dsp作為跟蹤控制器的核心處理器，承擔(dān)插值計算和規(guī)避太陽計算；由于fpga具有極強的并行性，適合密集計算應(yīng)用，并且可配置i/o和ip核支持多種數(shù)據(jù)傳輸接口，因此fpga作為協(xié)控制器，構(gòu)建時間基準模塊和電控快門信號的產(chǎn)生。采用srio協(xié)議實現(xiàn)fpga與dsp之間的高速數(shù)據(jù)通信。

本實施方式中，所述dsp采用ti公司浮點型dsp-tms320c6657，c6657以tikeystone多內(nèi)核架構(gòu)為基礎(chǔ)，集成雙內(nèi)核，同時在每個核上還具有1024kb的專用存儲器，可以配置為映射ram或高速緩沖存儲器。在c6657中使用其中的一個核core0完成狀態(tài)量的插值計算和規(guī)避太陽計算。

所述望遠鏡跟蹤控制器中的dsp包括預(yù)報數(shù)據(jù)接收模塊、內(nèi)插值計算模塊、規(guī)避太陽計算模塊和狀態(tài)量輸出模塊；

所述預(yù)報數(shù)據(jù)接收模塊將測站軌道預(yù)報中方位和高度狀態(tài)量采用udp協(xié)議從計算機通過網(wǎng)口傳輸?shù)絚ore0的ram空間中。

所述內(nèi)插計算模塊使用測站軌道預(yù)報進行內(nèi)插生成實時跟蹤預(yù)報時采用的是9階lagrange內(nèi)插公式，lagrange插值基函數(shù)為：

插值多項式為：

式中，n為階數(shù)，xk為預(yù)報中的歷元時刻，yk為歷元時刻對應(yīng)的狀態(tài)量，x是在fpga中讀取的當(dāng)前觀測時刻，ln(x)為x所對應(yīng)的狀態(tài)量。

所述規(guī)避太陽計算模塊用于在判斷衛(wèi)星進出太陽的過程中，需根據(jù)衛(wèi)星的運行的時刻判斷太陽的位置。由于對太陽的位置計算要求不高，可根據(jù)近地星1s或遠地星20s計算對應(yīng)時刻太陽的位置。對于太陽位置的計算可以先根據(jù)太陽黃經(jīng)求所對應(yīng)的太陽的赤經(jīng)和赤緯，在經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，計算出太陽相對于測站的方位和高度。在獲取了太陽的位置后，利用球面三角形邊角關(guān)系，計算出衛(wèi)星與太陽的球面角距離q：

式中，asun和esun分別為太陽的方位和高度，asa和esa分別為衛(wèi)星的方位和高度。假如在某一時刻衛(wèi)星與太陽之間的球面角距離q小于q0(q0為經(jīng)驗值一般取值30°)表明衛(wèi)星已進入太陽圈內(nèi)，此時需要關(guān)閉電控快門保護光電接收器。同樣，假如在之后的某一時刻衛(wèi)星與太陽間的球面角距離q大于q0，表明衛(wèi)星已離開太陽圈，此時可以打開電控快門使光電接收器繼續(xù)工作。

所述狀態(tài)量輸出模塊將c6657的定時器設(shè)置為連續(xù)計數(shù)模式，當(dāng)定時器累計到某一閾值時(經(jīng)驗閾值為20ms)，進入中斷服務(wù)程序，將方位和高度狀態(tài)量輸出到電機的伺服系統(tǒng)，所述伺服系統(tǒng)控制望遠鏡的運轉(zhuǎn)，使望遠鏡精確的指向目標。

所述望遠鏡跟蹤控制器中的fpga包括fpga采用xilinx公司的artix-7xc7a100t，擁有101440個邏輯單元(logiccells)，8519個可配置邏輯塊(configurablelogicblock,clb)，6個鎖相環(huán)(phaselockedloop,pll)，300個i/o等資源。artix-7作為協(xié)控制器，包含時間基準模塊、當(dāng)前時刻鎖存模塊和電控快門控制模塊三個模塊。

所述時間基準模塊用于構(gòu)建時間基準，時間基準由gps接收機提供的準確的秒脈沖信號(1pps)和10mhz高穩(wěn)定正旋信號組成。其中，1pps用于時間基準同步世界協(xié)調(diào)時(utc)；10mhz的正旋信號首先通過artix-7的鎖相環(huán)產(chǎn)生100mhz的時頻信號，然后經(jīng)過artix-7的計數(shù)器形成時間基準，即基準的時鐘，時間基準的分辨率為10ns。由于此時鐘通過外接時頻信號來保證累加時間分辨率的精度，可以作為數(shù)據(jù)歷元的時間依據(jù)，因此衛(wèi)星的實時跟蹤可依據(jù)此時鐘。

所述當(dāng)前時刻鎖存模塊用于用于當(dāng)dsp內(nèi)定時器產(chǎn)生周期性中斷時，向fpga發(fā)起請求鎖存當(dāng)前的時刻，根據(jù)時間基準信號進行當(dāng)前時刻鎖存，并將當(dāng)前時刻通過srio協(xié)議傳送至主波時刻緩存區(qū)；

所述電控快門控制模塊根據(jù)接收的球面角距離控制電控快門的開啟或關(guān)閉；當(dāng)球面角距離q大于q0時則關(guān)閉電控快門，反之，則打開電控快門。

本實施方式所述的望遠鏡跟蹤控制器內(nèi)的dsp與fpga采用srio協(xié)議進行傳輸；在跟蹤控制器中，fpga和dsp作為srio連接的端點器件，dsp為主設(shè)備作為事務(wù)發(fā)起端，fpga為從設(shè)備作為事務(wù)響應(yīng)端。首先要定義dsp和fpga的id號，作為通信的標識。其次選擇通信的端口，c6657擁有4個srio端口，使用port0作為通信端口；設(shè)置buffermode為1x模式，每個方向上只支持一對串行差分對；設(shè)置時鐘輸入為312.5mhz，倍頻實現(xiàn)鏈路上3.125gb/s的傳輸速度。在artix-7使用xilinx公司提供的coregenerator生成srio核，同樣選擇1x通路，傳輸速率3.125gb/s。

跟蹤控制器srio程序的設(shè)計，dsp端程序包括發(fā)起端請求ireq和發(fā)起端響應(yīng)iresp；fpga端程序包括目標端請求treq和目標端響應(yīng)tresp。dsp端利用定時器產(chǎn)生周期性中斷，向fpga發(fā)起請求鎖存當(dāng)前的時刻，并將其寫入dsp預(yù)定義的緩存端區(qū)，寫入完成后fpga通知dsp進行計算，dsp內(nèi)插生成實時跟蹤預(yù)報數(shù)據(jù)，即方位和高度狀態(tài)量。

結(jié)合圖3說明本實施方式，本實施方式中，激光測距觀測的空間目標距地面測站的高度從數(shù)百千米到數(shù)萬千米，從空間目標返回地面的激光非常弱。采用單光子探測技術(shù)可以提高測距系統(tǒng)的探測靈敏度以及測距精度，但是在白天測距和高重復(fù)頻率測距的情況下，大量的背景噪聲和暗噪聲常會影響測距的成功率和觀測數(shù)據(jù)的精度。抑制背景噪聲的一個重要方法是稱為時間濾波的距離門方法，即在激光回波信號到來之前才打開光電接收器，其他時間光電接收器處于關(guān)閉狀態(tài)。產(chǎn)生距離門信號的設(shè)備就是距離門控制器。

門控信號的產(chǎn)生是建立在衛(wèi)星距離預(yù)報精度基礎(chǔ)上的，對于軌道比較穩(wěn)定的高軌衛(wèi)星，徑向距離可以預(yù)報的比較準確，預(yù)報的精度優(yōu)于5～10m。對于大部分的近地衛(wèi)星，利用全球觀測數(shù)據(jù)，其預(yù)報的精度也可以達到10～20m的水平。也就是說，激光回波到達接收系統(tǒng)的時刻可以較準確的預(yù)報，因此衛(wèi)星激光測距普遍采用了距離門選通技術(shù)來有效的抑制噪聲的干擾。具體來說，在預(yù)測回波尚未到達之前，光電接收器處于關(guān)閉狀態(tài)，所有的噪聲均不影響接收系統(tǒng)的測量，直到回波到達之前的一瞬間才開啟光電接收器，這樣就使得噪聲干擾的概率減到最小，即虛警概率最小。因此，衛(wèi)星的距離預(yù)報精度越高，距離門產(chǎn)生信號與預(yù)測回波就越接近，對噪聲的抑制就越好。

對于高重復(fù)頻率激光測距，每個測量周期的處理時間要比低重復(fù)頻率快很多。對于1khz的測距頻率，其處理周期必須在1ms以內(nèi)；對于2khz的測距頻率，其處理周期必須在0.5ms以內(nèi)?；诖?，本實施方式設(shè)計了基于fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)的距離門控制器。由于dsp處理性能強大，具有靈活的編程功能，能實時方便地實現(xiàn)復(fù)雜的算法，因此dsp作為距離門控制器的核心處理器，承擔(dān)插值計算及距離門產(chǎn)生時刻計算；由于fpga具有極強的并行性，適合異常密集計算應(yīng)用，并且可配置i/o和ip核支持多種數(shù)據(jù)傳輸接口，因此fpga作為協(xié)控制器，構(gòu)建時間基準模塊、激光器點火信號的產(chǎn)生、距離門信號的產(chǎn)生以及主波時刻的鎖存。采用srio協(xié)議實現(xiàn)fpga與dsp之間的高速數(shù)據(jù)通信。

所述距離門控制器的dsp采用ti公司浮點型dsp-tms320c6657，c6657以tikeystone多內(nèi)核架構(gòu)為基礎(chǔ)，集成雙內(nèi)核，同時在每個核上還具有1024kb的專用存儲器，可以配置為映射ram或高速緩沖存儲器。因此距離狀態(tài)量的插值計算及距離門產(chǎn)生時刻計算，可以使用c6657核core0來完成，具體包含預(yù)報數(shù)據(jù)輸入模塊、距離內(nèi)插值計算模塊和距離門產(chǎn)生時刻計算模塊；

所述預(yù)報數(shù)據(jù)輸入模塊將測站軌道預(yù)報中距離狀態(tài)量采用udp協(xié)議從計算機通過網(wǎng)口傳輸?shù)絚ore0的ram空間中。

所述距離內(nèi)插計算模塊對于高重復(fù)頻率激光測距，采用的是9階lagrange內(nèi)插公式將距離預(yù)報數(shù)據(jù)加密到毫秒量級甚至是微秒量級，使距離預(yù)報數(shù)據(jù)的分辨率達到100ns，使用lagrange插值基函數(shù)與插值多項式分別采用公式(1)(2)。

所述距離門產(chǎn)生時刻計算模塊；距離門與預(yù)測回波的關(guān)系是，二者越接近，對噪聲的抑制就越好，同時為了不誤阻有效回波，距離門產(chǎn)生時刻要在回波到來時刻預(yù)報值上加上一個可調(diào)整的提前量?；夭〞r刻是由星歷來確定的。具體來說，由于星歷是時間的函數(shù)，可精確描述衛(wèi)星隨時間而變的位置和速度，因此回波時刻等于主波發(fā)射時刻與該時刻對應(yīng)的目標距離狀態(tài)量(以時間為單位)之和。

trgg＝tmainpulse+tcurrange+tprerange+tother(4)

式中，trgg為距離門產(chǎn)生時刻，tmainpulse為主波發(fā)射時刻，tprerange為可調(diào)整的提前量，tother為系統(tǒng)的延遲量，tcurrange為主波時刻所對應(yīng)的目標距離狀態(tài)量，由lagrange內(nèi)插公式確定。

tcurrange＝ln(tmainpulse)(5)

距離門控制器中的fpga采用xilinx公司的artix-7xc7a100t，擁有101440個邏輯單元，8519個可配置邏輯塊，6個鎖相環(huán)，300個i/o等資源。artix-7作為協(xié)控制器，包括基準時鐘模塊、激光器點火控制模塊、主波時刻鎖存模塊和距離門信號控制模塊。

所述基準時鐘模塊用于構(gòu)建時間基準，時間基準由gps接收機提供的準確的秒脈沖信號(1pps)和10mhz高穩(wěn)定正旋信號組成。其中，1pps用于時間基準同步世界協(xié)調(diào)時(utc)；10mhz的正旋信號首先通過artix-7的鎖相環(huán)產(chǎn)生100mhz的時頻信號，然后經(jīng)過artix-7的計數(shù)器形成時間基準，即基準的時鐘，它的分辨率為10ns。由于此時鐘通過外接時頻信號來保證累加時間分辨率的精度，可以作為數(shù)據(jù)歷元的時間依據(jù)，因此衛(wèi)星的實時跟蹤可依據(jù)此時鐘。

所述激光器點火控制模塊用于對于1khz的測距頻率，其點火時刻可以設(shè)在整毫秒的時刻上，如1ms、2ms、3ms……1000ms。對于2khz的測距頻率，其點火時刻可以設(shè)在0.5ms毫秒的整數(shù)倍上，如0.5ms、1ms、1.5ms、2ms……999.5ms、1000ms。

主波時刻鎖存模塊，用于將點火信號觸發(fā)激光器后經(jīng)過一段時間延遲才能將激光發(fā)射出去，主波是光的同步信號，主波時刻就是用來監(jiān)視激光的發(fā)射時刻。將主波時刻的變量作為敏感變量，當(dāng)其發(fā)生變化時則將當(dāng)前時刻鎖存，作為主波時刻。

所述距離門信號控制模塊，對于門控信號的控制，設(shè)計比較器負責(zé)比較實時時鐘和門控信號產(chǎn)生時刻，如果兩者匹配，則輸出門控信號，并且取下一個距離門控數(shù)據(jù)；如果不匹配則待下一個實時時鐘繼續(xù)比較。

本實施方式中，距離門控制器中的dsp與fpga之間采用srio協(xié)議傳輸?shù)倪^程為：在距離門控制器中，fpga和dsp作為srio連接的端點器件，fpga為主設(shè)備作為事務(wù)發(fā)起端，dsp為從設(shè)備作為事務(wù)響應(yīng)端。首先要定義dsp和fpga的id號，作為通信的標識。其次選擇通信的端口，c6657擁有4個srio端口，使用port0作為通信端口；設(shè)置buffermode為1x模式，每個方向上只支持一對串行差分對；設(shè)置時鐘輸入為312.5mhz，倍頻實現(xiàn)鏈路上3.125gb/s的傳輸速度。在artix-7使用xilinx公司提供的coregenerator生成srio核，同樣選擇1x通路，傳輸速率3.125gb/s。

距離門控制器srio程序的設(shè)計，fpga端程序包括發(fā)起端請求ireq和發(fā)起端響應(yīng)iresp；dsp端程序包括目標端請求treq和目標端響應(yīng)tresp。fpga端首先發(fā)起請求將鎖存到的主波時刻寫入dsp預(yù)定義的緩存端區(qū)，然后fpga通知dsp進行計算，當(dāng)dsp處理完接收到的數(shù)據(jù)后，通知fpga收取處理好的數(shù)據(jù)，最后由fpga請求讀回處理后的數(shù)據(jù)即距離門產(chǎn)生時刻。

結(jié)合圖4說明本實施方式，圖4為激光束指向控制器的框圖，激光測距過程中，對發(fā)射光軸與接收光軸的平行度要求很高。但由于溫度變化等原因會造成激光光束的偏移，導(dǎo)致望遠鏡產(chǎn)生指向偏差，很難保證激光束總在發(fā)射望遠鏡視場中心，此時需要實時修正激光束指向，使之盡量在望遠鏡視場中心，從而保證從衛(wèi)星返回的光能進入接收望遠鏡的視場。因此需要能實時監(jiān)視激光光束的位置，并不斷調(diào)整光束的位置，使發(fā)射光軸與接收光軸盡可能平行。

為解決這一問題，在與探測器并行位置的放置ccd用來監(jiān)視激光光尖位置，同時在發(fā)射光路中加入一個帶有二維電動調(diào)整鏡架的45度反射鏡用來調(diào)整光束的位置。由于激光在經(jīng)過大氣層的過程中，與大氣分子和氣溶膠等粒子作用會發(fā)生激光后向散射現(xiàn)象，激光光束在ccd上形成錐形的光尖圖像。首先利用圖像處理的方法計算出激光光尖位置與視場中心位置的偏差，然后通過控制電動調(diào)整鏡架，調(diào)整45度反射鏡，使光束指向微調(diào)，完成激光光束與視場中心位置的重合，使回波信號進入到探測器的靈敏區(qū)內(nèi)，也減少人工調(diào)整光束指向的工作。

激光束指向控制器由圖像處理和光束指向控制兩部分組成。基于此，本實施方式設(shè)計了基于fpga+dsp異構(gòu)處理器架構(gòu)的激光束指向控制器。圖像處理部分以fpga作為協(xié)處理器，利用fpga的并行運算和流水線處理的特點，提高圖像處理的速度。光束控制部分以dsp作為核心控制器，通過控制二維電動調(diào)整鏡架的步進電機，達到收發(fā)系統(tǒng)的平行。

所述激光束指向控制器中的fpga采用xilinx公司的artix-7xc7a100t，擁有101440個邏輯單元，8519個可配置邏輯塊，6個鎖相環(huán)，300個i/o等資源。artix-7作為協(xié)處理器，主要是對ccd獲取到的圖像進行處理，包括圖像處理模塊，所述圖像處理模塊對ccd采集的光束圖像進行處理后通過srio協(xié)議傳送至激光光尖位置計算模塊；所述圖像處理模塊包括對圖像數(shù)據(jù)的輸入、圖像噪聲的去除、圖像的閾值分割和圖像的邊緣檢測。

所述圖像數(shù)據(jù)的輸入用于將ccd采集到的原始圖像數(shù)據(jù)采用udp協(xié)議通過網(wǎng)口傳輸?shù)絛dr3儲存空間中。

所述圖像噪聲的去除，由于后向散射的激光非常弱，而天空的背景噪聲又很強，導(dǎo)致無法辨別出激光光尖的圖像，因此必須去除圖像中的背景噪聲。由于天空背景噪聲可近似認為是一種脈沖噪聲，每個像素點上的噪聲通常在空間上不相關(guān)的，且和原圖像信號也無關(guān)，可以采用中值濾波方法去除背景噪聲。

所述圖像的閾值分割，天空背景與激光光尖圖像的分割，可以采用基于灰度閾值的分割方法，其關(guān)鍵是如何合理的選擇閾值。首先計算在天空背景下的圖像的灰度平均值，其次計算在衛(wèi)星進入視場后圖像直方圖的峰值，然后利用下式求取閾值。

t＝v+alpha×[p-v](6)

式中，v為背景圖像的平灰度值，p為目標圖像灰度直方圖的峰值，alpha為常系數(shù)(一般取值為0.3)。

所述圖像的邊緣檢測是指在分割出激光光尖圖象后，采用sobel算子對光尖的邊緣進行提取。傳統(tǒng)的sobel算子有兩個，一個是檢測水平方向，另一個是檢測垂直方向。為了得到更好的激光光尖圖像，可以增加45°和135°兩個方向的算子。圖像在每一點的灰度值可由下式來確定。

式中，gx為橫向檢測的灰度值，gy為縱向檢測的灰度值，g45°為45°方向檢測的灰度值，g135°為135°方向檢測的灰度值。

所述激光束指向控制器中的dsp采用ti公司浮點型dsp-tms320c6657，c6657以tikeystone多內(nèi)核架構(gòu)為基礎(chǔ)，集成雙內(nèi)核，同時在每個核上還具有1024kb的專用存儲器，可以配置為映射ram或高速緩沖存儲器。c6657作為控制器，可以使用核core0完成激光光尖位置計算和電動調(diào)整鏡架控制,具體包括激光光尖位置計算模塊和電動調(diào)整架控制模塊；所述激光光尖位置計算模塊用于計算光尖位置；并將所述光尖位置傳送至電動調(diào)整鏡架控制模塊；

由于大氣的散射和反射作用的影響，ccd所成的激光圖像會有一定的偏差，特別是激光光尖誤差較大，不能準確反映出激光束的邊緣信息。為了提高光尖的定位精度，可以首先以橫坐標為基準，計算每一個邊緣數(shù)據(jù)點縱坐標與直線的偏差；其次保留偏差小于閾值的數(shù)據(jù)點；然后用重新選取的數(shù)據(jù)點進行直線擬合；最后計算兩條直線的交點，得到光尖位置坐標。

所述電動調(diào)整鏡架控制模塊計算光尖點與接收視場中心的偏差量，調(diào)整光尖位置到視場中心；由于二維電動調(diào)整鏡架配備有步進電機，而步進電機的控制是位置控制，它可以不用借助位置傳感器而只需簡單的開環(huán)控制就能達到足夠的位置精度。

因此在獲取光尖位置坐標之后，計算光尖位置與視場中心位置的偏差，然后將偏差量折算成電機步數(shù)，一次調(diào)節(jié)光尖位置到視場中心。

所述激光束指向控制器中dsp與fpga之間采用srio協(xié)議傳輸?shù)倪^程為：在激光束指向控制器中，fpga和dsp作為srio連接的端點器件，dsp為主設(shè)備作為事務(wù)發(fā)起端，fpga為從設(shè)備作為事務(wù)響應(yīng)端。首先要定義dsp和fpga的id號，作為通信的標識。其次選擇通信的端口，c6657擁有4個srio端口，使用port0作為通信端口；設(shè)置buffermode為1x模式，每個方向上只支持一對串行差分對；設(shè)置時鐘輸入為312.5mhz，倍頻實現(xiàn)鏈路上3.125gb/s的傳輸速度。在artix-7使用xilinx公司提供的coregenerator生成srio核，同樣選擇1x通路，傳輸速率3.125gb/s。

激光束指向控制器srio程序的設(shè)計，fpga端程序包括發(fā)起端請求ireq和發(fā)起端響應(yīng)iresp；dsp端程序包括目標端請求treq和目標端響應(yīng)tresp。fpga端首先發(fā)起請求將處理后的激光光尖圖像寫入dsp預(yù)定義的ddr3緩存端區(qū)，然后fpga通知dsp進行計算，當(dāng)dsp處理完接收到的圖像數(shù)據(jù)后，通知fpga可以繼續(xù)發(fā)起請求寫入數(shù)據(jù)。