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航空遙感中利用GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多傳感器同步工作

2013-11-29

發(fā)布時(shí)間2008-6-16
文章作者：徐衛(wèi)明 舒 嶸

摘要：航空遙感中經(jīng)常需要實(shí)現(xiàn)多傳感器同步工作。利用ＧＰＳ接收機(jī)Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ設(shè)計(jì)了一種同步工作方式，成功地實(shí)現(xiàn)了ＧＰＳ接收機(jī)與成像光譜儀、激光測(cè)距系統(tǒng)同步工作。
    關(guān)鍵詞：ＧＰＳ 成像光譜儀 ＣＰＬＤ 單片機(jī)
全球定位系統(tǒng)ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）是利用美國(guó)的２４顆ＧＰＳ地球衛(wèi)星所發(fā)射的信息而建立的導(dǎo)航、定位、授時(shí)系統(tǒng)。Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ接收機(jī)是ＣＯＮＥＸＡＮＴ ＳＹＳＴＥＭＳ 公司的ＯＥＭ產(chǎn)品，并行１２通道，時(shí)間精度達(dá)２５ｎｓ，同時(shí)帶有與１ＰＰＳ上升沿對(duì)齊的１０ｋＨｚ頻率輸出，水平定位精度優(yōu)于２．８ｍ。
航空遙感中，經(jīng)常需要聯(lián)合多個(gè)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(méi)有位置信息；激光測(cè)距系統(tǒng)能夠精確采集地物高度信息，但是沒(méi)有地物水平位置信息；ＧＰＳ接收機(jī)可以接收全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星數(shù)據(jù)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(jié)合起來(lái)，就可以得到同時(shí)帶有光譜信息和位置信息的地物圖像數(shù)據(jù)。但是三者結(jié)合起來(lái)，就必然存在一個(gè)工作同步的問(wèn)題，本文講述的就是用ＧＰＳ接收機(jī)Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ實(shí)現(xiàn)這樣一個(gè)系統(tǒng)的同步工作。
 １ 系統(tǒng)組成
本系統(tǒng)框圖如圖１所示。
成像光譜儀和激光測(cè)距系統(tǒng)均采用外觸發(fā)方式工作，觸發(fā)波形分別是５０Ｈｚ和２５Ｈｚ的方波，利用Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接收機(jī)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(duì)齊，事后可以通過(guò)內(nèi)插得到含有位置信息的光譜圖像。所以，通過(guò)Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ，成像光譜儀、激光測(cè)距系統(tǒng)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(shè)計(jì)
系統(tǒng)同步的核心是同步控制卡，它主要由ＰＩＣ單片機(jī)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(jī)部分
Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ接收機(jī)用于接收ＧＰＳ衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)并提供１０ｋＨｚ的分頻基準(zhǔn)。Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ可以提供納秒級(jí)的時(shí)間對(duì)準(zhǔn)精度，在跟蹤到一顆ＧＰＳ衛(wèi)星后就可以定時(shí)。外部接口為標(biāo)準(zhǔn)的１０針接口，安裝天線后，只需在接收到發(fā)送定位數(shù)據(jù)命令后就可以按指定速率發(fā)送定位數(shù)據(jù)。
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?jìng)€(gè)宏單元，工作頻率可達(dá)１７８．６ＭＨｚ。
本系統(tǒng)中ＥＰＭ７１２８主要用于分頻，從１０ｋＨｚ分頻得到成像光譜儀和激光測(cè)距系統(tǒng)需要的５０Ｈｚ和２５Ｈｚ。頻率使能信號(hào)由ＰＣＩ９０５２芯片提供。
２．３ 通信部分
同步控制卡需要與計(jì)算機(jī)通信，通信接口采用ＰＣＩ總線，由ＰＣＩ９０２實(shí)現(xiàn)。ＰＣＩ９０５２是ＰＬＸ公司繼ＰＣＩ９０５０后推出的用于低成本適配器的總線目標(biāo)接口芯片。
整個(gè)系統(tǒng)何時(shí)開(kāi)始工作，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)寫(xiě)ＰＣＩ９０５２的寄存器，通知ＥＰＭ７１２８開(kāi)始輸出頻率實(shí)現(xiàn)。
２．４ 定位數(shù)據(jù)接收部分
定位數(shù)據(jù)的接收利用單片機(jī)和雙口ＲＡＭ完成。系統(tǒng)上電后，ＰＩＣ１６Ｆ８７７單片機(jī)向Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接收機(jī)發(fā)出每秒一次的定位數(shù)據(jù)命令；Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接到命令后，隨即按指定的頻率把接收到的定位數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)；單片機(jī)把接收到的定位數(shù)據(jù)先存放到雙口ＲＡＭ ７ＣＹＣ１４４，然后通過(guò)ＰＣＩ總線存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)的硬盤(pán)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(shí)，成像光譜儀采用推帚式，每秒采集５０行地物數(shù)據(jù)，激光測(cè)距系統(tǒng)每秒采集２５行地物高程數(shù)據(jù)，Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ每秒采集一次飛機(jī)的三維位置數(shù)據(jù)，由于所有的采集時(shí)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(duì)準(zhǔn)，所以整個(gè)系統(tǒng)可以同步工作。 
３ 軟件設(shè)計(jì)
Ａｌｔｅｒａ ＥＰＭ７１２８編程采用ＶＨＤＬ語(yǔ)言，利用ＭａｘＰｌｕｓ２開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行編譯綜合。
ＰＩＣ單片機(jī)的開(kāi)發(fā)用ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ公司的ＭＰＬＡＢ ＩＣＤ調(diào)試工具和ＭＰＬＡＢ ＩＤＥ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境完成。
ＰＣＩ驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)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(xiě)驅(qū)動(dòng)。ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)程序比較簡(jiǎn)單，利用它的向?qū)Чぞ?，開(kāi)發(fā)者一般不需要具備Ｗｉｎｄｏｗｓ驅(qū)動(dòng)程序知識(shí)就能夠很快開(kāi)發(fā)出高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)程序。
應(yīng)用程序可以采用ＶＣ＋＋６．０編寫(xiě)。
多傳感器聯(lián)合是遙感發(fā)展的一個(gè)趨勢(shì)，多傳感器同步是必須解決的問(wèn)題。本文提出的方法，簡(jiǎn)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(fā)工作的遙感系統(tǒng)。