航空遙感中利用GPS接收機實現多傳感器同步工作

文章作者：徐衛明 舒 嶸

摘要：航空遙感中經常需要實現多傳感器同步工作。利用ＧＰＳ接收機Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ設計了一種同步工作方式，成功地實現了ＧＰＳ接收機與成像光譜儀、激光測距系統同步工作。

   關鍵詞：ＧＰＳ 成像光譜儀 ＣＰＬＤ 單片機

定位系統ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）是利用美國的２４顆ＧＰＳ地球衛星所發射的信息而建立的導航、定位、授時系統。Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ接收機是ＣＯＮＥＸＡＮＴ ＳＹＳＴＥＭＳ 公司的ＯＥＭ產品，并行１２通道，時間精度達２５ｎｓ，同時帶有與１ＰＰＳ上升沿對齊的１０ｋＨｚ頻率輸出，水平定位精度優于２．８ｍ。

航空遙感中，經常需要聯合多個傳感器同步工作，以便一次得到地物更多更完善的信息。例如，成像光譜儀能夠采集地物的光譜信息，但是沒有位置信息；激光測距系統能夠采集地物高度信息，但是沒有地物水平位置信息；ＧＰＳ接收機可以接收定位系統衛星數據從而得到載體三維位置，但是高度信息比較差；如果把三者結合起來，就可以得到同時帶有光譜信息和位置信息的地物圖像數據。但是三者結合起來，就必然存在一個工作同步的問題，本文講述的就是用ＧＰＳ接收機Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ實現這樣一個系統的同步工作。

１ 系統組成

本系統框圖如圖１所示。

成像光譜儀和激光測距系統均采用外觸發方式工作，觸發波形分別是５０Ｈｚ和２５Ｈｚ的方波，利用Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接收機的１０ｋＨｚ分頻得到。由于采用同一基頻分頻，且Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ的定位位置輸出又與１ＰＰＳ同步，１０ｋＨｚ與１ＰＰＳ上升沿對齊，事后可以通過內插得到含有位置信息的光譜圖像。所以，通過Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ，成像光譜儀、激光測距系統和ＧＰＳ位置接收三者可以同步工作。

２ 同步控制卡的硬件電路設計

系統同步的核心是同步控制卡，它主要由ＰＩＣ單片機１６Ｆ８７７、８Ｋ×８ｂｉｔ的雙口ＲＡＭ ＣＹ７Ｃ１４４、ＣＰＬＤ Ａｌｔｅｒａ ＥＰＭ７１２８、ＰＣＩ９０５２芯片、ＤＣ－ＤＣ隔離電源模塊ＰＳ２５０ＤＣ５Ｄ５Ｓ、光耦６Ｎ１３７和Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ ＯＥＭ板組成。

２．１ ＧＰＳ接收機部分

Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ接收機用于接收ＧＰＳ衛星定位數據并提供１０ｋＨｚ的分頻基準。Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ可以提供納秒級的時間對準精度，在跟蹤到一顆ＧＰＳ衛星后就可以定時。外部接口為標準的１０針接口，安裝天線后，只需在接收到發送定位數據命令后就可以按速率發送定位數據。

２．２ 分頻部分

Ａｌｔｅｒａ ７１２８是一種高性能的ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ可編程邏輯器件，屬于ＭＡＸ７０００系列，可在線編程，１２８個宏單元，工作頻率可達１７８．６ＭＨｚ。

本系統中ＥＰＭ７１２８主要用于分頻，從１０ｋＨｚ分頻得到成像光譜儀和激光測距系統需要的５０Ｈｚ和２５Ｈｚ。頻率使能信號由ＰＣＩ９０５２芯片提供。

２．３ 通信部分

同步控制卡需要與計算機通信，通信接口采用ＰＣＩ總線，由ＰＣＩ９０２實現。ＰＣＩ９０５２是ＰＬＸ公司繼ＰＣＩ９０５０后推出的用于低成本適配器的總線目標接口芯片。

整個系統何時開始工作，可以通過計算機寫ＰＣＩ９０５２的寄存器，通知ＥＰＭ７１２８開始輸出頻率實現。

２．４ 定位數據接收部分

定位數據的接收利用單片機和雙口ＲＡＭ完成。系統上電后，ＰＩＣ１６Ｆ８７７單片機向Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接收機發出每秒一次的定位數據命令；Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接到命令后，隨即按的頻率把接收到的定位數據發送到單片機；單片機把接收到的定位數據先存放到雙口ＲＡＭ ７ＣＹＣ１４４，然后通過ＰＣＩ總線存儲到計算機的硬盤上。

同步控制卡的硬件原理框圖如圖２所示。

航空遙感工作時，成像光譜儀采用推帚式，每秒采集５０行地物數據，激光測距系統每秒采集２５行地物高程數據，Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ每秒采集一次飛機的三維位置數據，由于所有的采集時刻都是脈沖的上升沿，而所有的脈沖上升沿又都與Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ的１ＰＰＳ脈沖上升沿對準，所以整個系統可以同步工作。

３ 軟件設計

Ａｌｔｅｒａ ＥＰＭ７１２８編程采用ＶＨＤＬ語言，利用ＭａｘＰｌｕｓ２開發系統進行編譯綜合。

ＰＩＣ單片機的開發用ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ公司的ＭＰＬＡＢ ＩＣＤ調試工具和ＭＰＬＡＢ ＩＤＥ集成開發環境完成。

ＰＣＩ驅動程序編寫的工具比較多，常用的有微軟的ＤＤＫ、Ｎｕｍｅｇａ公司的ＶｔｏｏｌｓＤ和ＫＲＦ－Ｔｅｃｈ公司的ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ。筆者采用ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ編寫驅動。ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ開發驅動程序比較簡單，利用它的向導工具，一般不需要具備Ｗｉｎｄｏｗｓ驅動程序知識就能夠很快開發出高質量的驅動程序。

應用程序可以采用ＶＣ＋＋６．０編寫。

多傳感器聯合是遙感發展的一個趨勢，多傳感器同步是必須解決的問題。本文提出的方法，簡便易行，精度也較高。但是只適合所有的傳感器都采用外觸發工作的遙感系統。