航空遥感中利用GPS接收机实现多传感器同步工作

文章作者：徐卫明 舒 嵘

摘要：航空遥感中经常需要实现多传感器同步工作。利用ＧＰＳ接收机Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ设计了一种同步工作方式，成功地实现了ＧＰＳ接收机与成像光谱仪、激光测距系统同步工作。

    关键词：ＧＰＳ 成像光谱仪 ＣＰＬＤ 单片机

全球定位系统ＧＰＳ（Ｇｌｏｂａｌ Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）是利用美国的２４颗ＧＰＳ地球卫星所发射的信息而建立的导航、定位、授时系统。Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ接收机是ＣＯＮＥＸＡＮＴ ＳＹＳＴＥＭＳ 公司的ＯＥＭ产品，并行１２通道，时间精度达２５ｎｓ，同时带有与１ＰＰＳ上升沿对齐的１０ｋＨｚ频率输出，水平定位精度优于２．８ｍ。

航空遥感中，经常需要联合多个传感器同步工作，以便一次得到地物更多更完善的信息。例如，成像光谱仪能够采集地物的光谱信息，但是没有位置信息；激光测距系统能够精确采集地物高度信息，但是没有地物水平位置信息；ＧＰＳ接收机可以接收全球定位系统卫星数据从而得到载体三维位置，但是高度信息比较差；如果把三者结合起来，就可以得到同时带有光谱信息和位置信息的地物图像数据。但是三者结合起来，就必然存在一个工作同步的问题，本文讲述的就是用ＧＰＳ接收机Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ实现这样一个系统的同步工作。

１ 系统组成

本系统框图如图１所示。

成像光谱仪和激光测距系统均采用外触发方式工作，触发波形分别是５０Ｈｚ和２５Ｈｚ的方波，利用Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接收机的１０ｋＨｚ分频得到。由于采用同一基频分频，且Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ的定位位置输出又与１ＰＰＳ同步，１０ｋＨｚ与１ＰＰＳ上升沿对齐，事后可以通过内插得到含有位置信息的光谱图像。所以，通过Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ，成像光谱仪、激光测距系统和ＧＰＳ位置接收三者可以同步工作。

２ 同步控制卡的硬件电路设计

系统同步的核心是同步控制卡，它主要由ＰＩＣ单片机１６Ｆ８７７、８Ｋ×８ｂｉｔ的双口ＲＡＭ ＣＹ７Ｃ１４４、ＣＰＬＤ Ａｌｔｅｒａ ＥＰＭ７１２８、ＰＣＩ９０５２芯片、ＤＣ－ＤＣ隔离电源模块ＰＳ２５０ＤＣ５Ｄ５Ｓ、光耦６Ｎ１３７和Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ ＯＥＭ板组成。

２．１ ＧＰＳ接收机部分

Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ ＧＰＳ接收机用于接收ＧＰＳ卫星定位数据并提供１０ｋＨｚ的分频基准。Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ可以提供纳秒级的时间对准精度，在跟踪到一颗ＧＰＳ卫星后就可以定时。外部接口为标准的１０针接口，安装天线后，只需在接收到发送定位数据命令后就可以按指定速率发送定位数据。

２．２ 分频部分

Ａｌｔｅｒａ ７１２８是一种高性能的ＣＭＯＳ ＥＥＰＲＯＭ可编程逻辑器件，属于ＭＡＸ７０００系列，可在线编程，１２８个宏单元，工作频率可达１７８．６ＭＨｚ。

本系统中ＥＰＭ７１２８主要用于分频，从１０ｋＨｚ分频得到成像光谱仪和激光测距系统需要的５０Ｈｚ和２５Ｈｚ。频率使能信号由ＰＣＩ９０５２芯片提供。

２．３ 通信部分

同步控制卡需要与计算机通信，通信接口采用ＰＣＩ总线，由ＰＣＩ９０２实现。ＰＣＩ９０５２是ＰＬＸ公司继ＰＣＩ９０５０后推出的用于低成本适配器的总线目标接口芯片。

整个系统何时开始工作，可以通过计算机写ＰＣＩ９０５２的寄存器，通知ＥＰＭ７１２８开始输出频率实现。

２．４ 定位数据接收部分

定位数据的接收利用单片机和双口ＲＡＭ完成。系统上电后，ＰＩＣ１６Ｆ８７７单片机向Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接收机发出每秒一次的定位数据命令；Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ接到命令后，随即按指定的频率把接收到的定位数据发送到单片机；单片机把接收到的定位数据先存放到双口ＲＡＭ ７ＣＹＣ１４４，然后通过ＰＣＩ总线存储到计算机的硬盘上。

同步控制卡的硬件原理框图如图２所示。

航空遥感工作时，成像光谱仪采用推帚式，每秒采集５０行地物数据，激光测距系统每秒采集２５行地物高程数据，Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ每秒采集一次飞机的三维位置数据，由于所有的采集时刻都是脉冲的上升沿，而所有的脉冲上升沿又都与Ｊｕｐｉｔｅｒ－Ｔ的１ＰＰＳ脉冲上升沿对准，所以整个系统可以同步工作。

３ 软件设计

Ａｌｔｅｒａ ＥＰＭ７１２８编程采用ＶＨＤＬ语言，利用ＭａｘＰｌｕｓ２开发系统进行编译综合。

ＰＩＣ单片机的开发用ＭｉｃｒｏＣｈｉｐ公司的ＭＰＬＡＢ ＩＣＤ调试工具和ＭＰＬＡＢ ＩＤＥ集成开发环境完成。

ＰＣＩ驱动程序编写的工具比较多，常用的有微软的ＤＤＫ、Ｎｕｍｅｇａ公司的ＶｔｏｏｌｓＤ和ＫＲＦ－Ｔｅｃｈ公司的ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ。笔者采用ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ编写驱动。ＷｉｎＤｒｉｖｅｒ开发驱动程序比较简单，利用它的向导工具，开发者一般不需要具备Ｗｉｎｄｏｗｓ驱动程序知识就能够很快开发出高质量的驱动程序。

应用程序可以采用ＶＣ＋＋６．０编写。

多传感器联合是遥感发展的一个趋势，多传感器同步是必须解决的问题。本文提出的方法，简便易行，精度也较高。但是只适合所有的传感器都采用外触发工作的遥感系统。