一种空间相机图像对时信息生成系统技术方案

一种空间相机图像对时信息生成系统，涉及一种空间相机，解决现有方法存在的相机时间同步误差偏大且随相机控制器的工作时序而大幅变化、不能使用高精度时标和平台时标对时等问题。由异步串行通信接口芯片、GPS秒脉冲电平转换芯片、帧/行同步电平转换芯片、晶振和图像对时信息生成FPGA组成，使用状态机处理高精度时标与平台时标，以纯硬件时序电路的方式生成图像对时信息数据，通过两次锁存保证图像对时信息中行号和时间码的对应关系准确可靠。本发明专利技术可以达到更高的相机时间同步精度，当GPS系统及其相关接收设备故障时，能够自守时并使用平台时标对时，保证生成的图像对时信息仍能维持一定的精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及空间相机，且更具体的说，涉及空间相机的图像对时信息生成系统。技术背景空间相机包括对地观测的侦察相机、空间立体测绘相机和对恒星观测的星相机。空间相机以航天器为观测平台，由于航天器在飞行过程中位置和姿态不断变化，如果无法保证相机的时间和航天器平台以及航天器其他单元同步，就难以达到要求的平面定位精度、高程精度或姿态测量精度。空间相机在摄影过程中要采集图像对时信息，图像对时信息包括图像的行/帧号，以及该行/帧图像曝光起始时刻对应的时间码，时间码由秒值和微秒值组成，其中秒值为当前时间相对于计时时间基准（如2006年1月1日0时0分0秒）经历的秒值数。空间相机的时间同步误差是图像对时信息中记录的某一行/帧图像的时间和曝光起始时刻的真实时间(以时间同步源即GPS接收机时间系统为基准)的差值。当空间相机的成像单元采用线阵CCD时，返回行同步信号，当采用面阵CCD时返回帧同步信号，行同步信号或帧同步信号的边沿代表曝光起始时刻。由于空间相机控制器除了建立高精度的时间系统外，同时要完成复杂的像移速度计算、偏流角调整、与数管计算机通讯、控制成像单元和调焦等多项任务，通常以数字信号处理器（Digital Signal Processor,DSP）为核心单元，通过外接计数器的方式，以软件的方式完成图像对时信息的生成(武星星,刘金国.三线阵立体测绘相机时间系统优化与实时检测.光学精密工程,2012,20(5):1020-1030)。由于相机控制器以软件的方式来采集图像对时信息，而且要完成多项复杂任务，一方面开关中断过程会引入较大的时间同步误差，另一方面软件在执行过程中取指、译码等操作也会带来额外的时间同步误差，导致相机时间同步误差偏大且随相机控制器的工作时序的变化而存在较大的波动。专利技术人曾提出一种空间立体测绘相机时间同步精度全程实时检测系统和方法（专利公开号：CN102735263A），在该系统中使用FPGA对时单元接收行/帧同步信号和秒脉冲信号，产生FPGA对时数据作为基准数据，用于空间相机时间同步误差的地面测量和评价。但是在该方案中FPGA对时单元不能接受和处理高精度时标与平台时标，由于图像对时信息中的秒值为当前时间相对于计时时间基准经历的秒值数，空间相机需要使用高精度时标或平台时标进行对时才能得到正确的图像对时信息，因此该方案只能在GPS仿真设备的协助下用于空间相机时间同步精度的地面测量和评价，不能用于空间相机在轨工作过程中的图像对时信息生成。由于空间相机图像对时信息采集的准确性直接影响到空间相机的平面定位精度、高程精度或姿态测量精度，当GPS系统及其相关接收设备相关设备由于空间环境等因素而无法正常工作，不能提供高精度时标和GPS秒脉冲时，要求空间相机能够自守时并使用平台时标对时，保证采集的图像对时信息仍能维持一定的精度，上述方案不能满足这一要求。
技术实现思路
本专利技术针对空间相机的平面定位精度、高程精度或姿态测量精度受相机时间同步精度的影响，而现有方法存在相机时间同步误差偏大且随相机控制器的工作时序而大幅变化、不能使用高精度时标和平台时标对时等问题，提供一种空间相机图像对时信息生成系统。一种空间相机图像对时信息生成系统，该系统包括异步串行通信接口芯片、GPS秒脉冲电平转换芯片、帧/行同步电平转换芯片、晶振和图像对时信息生成FPGA；空间相机的相机控制器通过异步串行通信接口芯片传送高精度时标、平台时标和轮询对时信息指令至图像对时信息生成FPGA；所述图像对时信息生成FPGA在收到轮询对时信息指令后通过异步串行通信接口芯片发送锁存后的图像对时信息至相机控制器；对收到的高精度时标或平台时标进行处理并通过异步串行通信接口芯片发送应答数据帧至相机控制器；所述GPS秒脉冲电平转换芯片用于将GPS接收机发送的GPS秒脉冲信号由长距离传输所用的差分电平转换为TTL电平后传送至图像对时信息生成FPGA；所述帧/行同步电平转换芯片用于将成像单元发送的帧/行同步信号由差分电平转换为TTL电平后传送至图像对时信息生成FPGA；所述晶振用于产生稳定的时钟信号，同时将时钟信号传送至图像对时信息生成FPGA；所述的图像对时信息生成FPGA包括串行通信模块、状态控制模块、时间建立与同步模块、行/帧计数模块和图像对时信息锁存模块；所述串行通信模块用于通过异步串行通信接口芯片与相机控制器进行异步串行通信；从异步串行通信接口芯片接收数据和指令，经串并转换后传送至状态控制模块；将状态控制模块返回的锁存后的图像对时信息或应答数据帧进行并串转换后发送到异步串行通信接口芯片；所述状态控制模块通过有限状态机对从串行通信模块接收到的数据和指令进行处理；当收到的为高精度时标数据时，将时间建立与同步模块中当前秒计数器值设置为高精度时标数据中对应的秒值，之后发送应答数据帧；当收到的为平台时标数据时，将时间建立与同步模块中当前秒计数器值设置为平台时标数据中对应的秒值，将时间建立与同步模块中当前微秒计数器值设置为平台时标数据中对应的微秒值，之后发送应答数据帧；当收到的为轮询对时信息指令时，产生锁存图像对时信息信号送至图像对时信息锁存模块，将图像对时信息锁存模块中锁存后的图像对时信息经串行通信模块发送至异步串行通信接口芯片；所述时间建立与同步模块从晶振接收时钟信号，经过分频后进行计数得到当前微秒计数器值；从GPS秒脉冲电平转换芯片接收GPS秒脉冲信号，对GPS秒脉冲信号进行计数得到当前秒计数器值，当检测到GPS秒脉冲信号的下降沿时将当前微秒计数器值设置为0；在当前微秒计数器值为2000000时将当前秒计数器值加2，并将当前微秒计数器值设置为0；所述行/帧计数模块从帧/行同步电平转换芯片接收帧/行同步信号，当检测到帧/行同步信号的上升沿时将当前行/帧计数器值加1，在系统上电复位时将当前行/帧计数器值设置为0；所述图像对时信息锁存模块从行/帧计数模块接收帧/行同步信号和当前行/帧计数器值，从时间建立与同步模块接收当前秒计数器值和当前微秒计数器值，从状态控制模块接收锁存图像对时信息信号；所述图像对时信息锁存模块将帧/行同步信号延迟一个时钟周期后，使用延迟后信号的上升沿锁存当前行/帧计数器值、当前秒计数器值和当前微秒计数器值，锁存后的结果存入图像对时信息缓存中；使用从状态控制模块接收到的锁存图像对时信息本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种空间相机图像对时信息生成系统，该系统包括异步串行通信接口芯片（10）、GPS秒脉冲电平转换芯片（20）、帧/行同步电平转换芯片（30）、晶振（40）和图像对时信息生成FPGA（50）；其特征是，空间相机的相机控制器通过异步串行通信接口芯片（10）传送高精度时标、平台时标和轮询对时信息指令至图像对时信息生成FPGA（50）；所述图像对时信息生成FPGA（50）在收到轮询对时信息指令后通过异步串行通信接口芯片（10）发送锁存后的图像对时信息至相机控制器；对收到的高精度时标或平台时标进行处理并通过异步串行通信接口芯片（10）发送应答数据帧至相机控制器；所述GPS秒脉冲电平转换芯片（20）用于将GPS接收机发送的GPS秒脉冲信号由长距离传输所用的差分电平转换为TTL电平后传送至图像对时信息生成FPGA（50）；所述帧/行同步电平转换芯片（30）用于将成像单元发送的帧/行同步信号由差分电平转换为TTL电平后传送至图像对时信息生成FPGA（50）；所述晶振（40）用于产生稳定的时钟信号，同时将时钟信号传送至图像对时信息生成FPGA（50）；所述的图像对时信息生成FPGA（50）包括串行通信模块（51）、状态控制模块（52）、时间建立与同步模块（53）、行/帧计数模块（54）和图像对时信息锁存模块（55）；所述串行通信模块（51）用于通过异步串行通信接口芯片（10）与相机控制器进行异步串行通信；从异步串行通信接口芯片（10）接收数据和指令，经串并转换后传送至状态控制模块（52）；将状态控制模块（52）返回的锁存后的图像对时信息或应答数据帧进行并串转换后发送到异步串行通信接口芯片（10）；所述状态控制模块（52）通过有限状态机对从串行通信模块（51）接收到的数据和指令进行处理；当收到的为高精度时标数据时，将时间建立与同步模块（53）中当前秒计数器值设置为高精度时标数据中对应的秒值，之后发送应答数据帧；当收到的为平台时标数据时，将时间建立与同步模块（53）中当前秒计数器值设置为平台时标数据中对应的秒值，将时间建立与同步模块（53）中当前微秒计数器值设置为平台时标数据中对应的微秒值，之后发送应答数据帧；当收到的为轮询对时信息指令时，产生锁存图像对时信息信号送至图像对时信息锁存模块（55），将图像对时信息锁存模块（55）中锁存后的图像对时信息经串行通信模块（51）发送至异步串行通信接口芯片（10）；所述时间建立与同步模块（53）从晶振（40）接收时钟信号，经过分频后进行计数得到当前微秒计数器值；从GPS秒脉冲电平转换芯片（20）接收GPS秒脉冲信号，对GPS秒脉冲信号进行计数得到当前秒计数器值，当检测到GPS秒脉冲信号的下降沿时将当前微秒计数器值设置为0；在当前微秒计数器值为2000000时将当前秒计数器值加2，并将当前微秒计数器值设置为0；所述行/帧计数模块（54）从帧/行同步电平转换芯片（30）接收帧/行同步信号，当检测到帧/行同步信号的上升沿时将当前行/帧计数器值加1，在系统上电复位时将当前行/帧计数器值设置为0；所述图像对时信息锁存模块（55）从行/帧计数模块（54）接收帧/行同步信号和当前行/帧计数器值，从时间建立与同步模块（53）接收当前秒计数器值和当前微秒计数器值，从状态控制模块（52）接收锁存图像对时信息信号；所述图像对时信息锁存模块（55）将帧/行同步信号延迟一个时钟周期后，使用延迟后信号的上升沿锁存当前行/帧计数器值、当前秒计数器值和当前微秒计数器值，锁存后的结果存入图像对时信息缓存中；使用从状态控制模块（52）接收到的锁存图像对时信息信号的上升沿对图像对时信息缓存再次进行锁存，得到锁存后的图像对时信息。...

【技术特征摘要】
1.一种空间相机图像对时信息生成系统，该系统包括异步串行通信接口芯
片（10）、GPS秒脉冲电平转换芯片（20）、帧/行同步电平转换芯片（30）、晶振
（40）和图像对时信息生成FPGA（50）；其特征是，
空间相机的相机控制器通过异步串行通信接口芯片（10）传送高精度时标、
平台时标和轮询对时信息指令至图像对时信息生成FPGA（50）；
所述图像对时信息生成FPGA（50）在收到轮询对时信息指令后通过异步串
行通信接口芯片（10）发送锁存后的图像对时信息至相机控制器；对收到的高
精度时标或平台时标进行处理并通过异步串行通信接口芯片（10）发送应答数
据帧至相机控制器；
所述GPS秒脉冲电平转换芯片（20）用于将GPS接收机发送的GPS秒脉
冲信号由长距离传输所用的差分电平转换为TTL电平后传送至图像对时信息生
成FPGA（50）；
所述帧/行同步电平转换芯片（30）用于将成像单元发送的帧/行同步信号由
差分电平转换为TTL电平后传送至图像对时信息生成FPGA（50）；
所述晶振（40）用于产生稳定的时钟信号，同时将时钟信号传送至图像对
时信息生成FPGA（50）；
所述的图像对时信息生成FPGA（50）包括串行通信模块（51）、状态控制
模块（52）、时间建立与同步模块（53）、行/帧计数模块（54）和图像对时信息
锁存模块（55）；
所述串行通信模块（51）用于通过异步串行通信接口芯片（10）与相机控
制器进行异步串行通信；从异步串行通信接口芯片（10）接收数据和指令，经
串并转换后传送至状态控制模块（52）；将状态控制模块（52）返回的锁存后的
图像对时信息或应答数据帧进行并串转换后发送到异步串行通信接口芯片
（10）；
所述状态控制模块（52）通过有限状态机对从串行通信模块（51）接收到
的数据和指令进行处理；当收到的为高精度时标数据时，将时间建立与同步模
块（53）中当前秒计数器值设置为高精度时标数据中对应的秒值，之后发送应
答数据帧；当收到的为平台时标数据时，将时间建立与同步模块（53）中当前
秒计数器值设置为平台时标数据中对应的秒值，将时间建立与同步模块（53）

\t中当前微秒计数器值设置为平台时标数据中对应的微秒值，之后发送应答数据
帧；当收到的为轮询对时信息指令时，产生锁存图像对时信息信号送至图像对
时信息锁存模块（55），将图像对时信息锁存模块（55）中锁存后的图像对时信
息经串行通信模块（51）发送至异步串行通信接口芯片（10）；
所述时间建立与同步模块（53）从晶振（40）接收时钟信号，经过分频后
进行计数得到当前微秒计数器值；从GPS秒脉冲电平转换芯片（20）接收GPS
秒脉冲信号，对GPS秒脉冲信号进行计数得到当前秒计数器值，当检测到GPS
秒脉冲信号的下降沿时将当前微秒计数器值设置为0；在当前微秒计数器值为
2000000时将当前秒计数器值加2，并将当前微秒计数器值设置为0；
所述行/帧计数模块（54）从帧/行同步电平转换芯片（30）接收帧/行同步信
号，当检测到帧/行同步信号的上升沿时将当前行/帧计数器值加1，在系统上电
复位时将当前行/帧计数器值设置为0；
所述图像对时信息锁存模块（55）从行/帧计数模块（54）接收帧/行同步信
号和当前行/帧计数器值，从时间建立与同步模块（53）接收当前秒计数器值和
当前微秒计数器值，从状态控制模块（52）接收锁存图像对时信息信号；所述
图像对时信息锁存模块（55）将帧/行同步信号延迟一个时钟周期后，使用延迟
后信号的上升沿锁存当前行/帧计数器值、当前秒计数器值和当前微秒计数...

【专利技术属性】
技术研发人员：武星星，刘金国，周怀得，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林;22