精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统的制作方法

本发明涉及空间目标光电望远镜的精密测量技术领域，具体涉及一种精密测量型空间目标光电望远镜的嵌入式观测控制系统。

背景技术：

地基空间目标光电望远镜是观测空间目标，特别是空间碎片的主要设备。

精密测量型光电望远镜观测空间目标的工作过程大致为：望远镜根据预报位置等待，发现目标后，根据目标的导引数据，导引望远镜驱动系统跟踪目标，并采集ccd图像，采集码盘数据和时钟信号，在处理ccd图像时，除给出目标的位置外，还要给出定标星(背景恒星)的位置，通过目标与定标星的相对位置和定标星的星表位置，给出目标的赤经与赤纬。

由以上论述可以得出，光电望远镜实现对空间目标的观测，要求观测控制系统需要包含以下几个功能：生成空间目标的观测计划，高度轴驱动，方位轴驱动，采集码盘数据，ccd曝光时间控制，ccd曝光时间的锁存，ccd图像的预处理，空间目标图像的识别，空间目标的天文定位。

这些功能分属于望远镜的控制、ccd的控制和数据处理多个系统，这些系统位于不同的位置。物理位置的隔离自然要求观测控制系统是一个分布式的系统。但是，国内绝大多数精密测量型地基光电望远镜的观测控制系统，都将这些功能集中到一个软件上。不利于通过lan、wan或internet实现远程控制，达到集中管理的目地。

随着观测技术的发展，光电望远镜运行模式逐渐趋于以观测自动化为特点的无人职守运行。但精密测量型空间目标光电望远镜在观测自动化方面还要人工干预，即由观测人员在很短的时间之内依靠经验从大量的点状恒星星象中识别出空间目标的星象，用鼠标点击图像中空间目标的星像，得到点击位置在图像中的坐标，以该位置为中心，设置固定大小的矩形区域为波门，进行跟踪并计算出目标赤经和赤纬，完成天文定位，若在跟踪的过程中目标丢失，需要观测员从新设置波门，捕获目标。这种识别方式受人为主观因素的影响，存在着识别时间长、效率低等缺点。同时观测员长时间处于疲劳状态，导致错误率逐渐的增加。这就导致了空间目标光电望远镜自动化程度低，效率不高。

技术实现要素：

本发明为解决现有精密测量型空间目标望远镜的观测控制系统通过主控计算机实现，存在人工识别空间目标效率低，识别时间长等缺点，同时存在不能通过lan、wan或internet实现远程控制，达到集中管理的目地。提供一种精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统。

精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统，包括运动控制器、ccd数据采集器、数据处理器和观测控制软件；其特征是：所述运动控制器和数据处理器均由dsp与fpga组成，所述ccd数据采集器由fpga组成；

所述观测控制软件向运动控制器传输测站预报文件，所述运动控制器根据接收的测站预报文件对空间目标进行跟踪，获得频率为1hz的空间目标的方位角和高度角引导数据，所述运动控制器将频率为1hz的引导数据加密到20hz后加载到望远镜电机的伺服系统上，同时接收所述伺服系统反馈的编码器的方位角和高度角数据；所述运动控制器将获得编码器的方位角和高度角数据传输至观测控制软件；

所述观测控制软件向ccd数据采集器传输ccd的触发时刻、触发脉冲间隔和触发脉冲个数，所述ccd数据采集器根据接收的曝光脉冲间隔和触发脉冲个数，向ccd输出脉冲信号，同时锁存ccd曝光时刻；ccd数据采集器采集ccd获得的图像数据，然后将获得的图像数据和ccd曝光时刻发送至观测控制软件；

所述观测控制软件将ccd数据采集器采集的图像数据存储为fits文件，然后在所述fits文件头写入电机的伺服系统反馈的编码器的方位角和高度角数据和ccd数据采集器锁存的曝光时刻，并发送至数据处理器，所述数据处理器根据接收的fits文件进行图像处理，并对空间目标进行识别和天文定位。

本发明的有益效果：

一、本发明所述的观测控制系统采用嵌入式架构，包括望远镜运动控制器、数据采集器和数据处理器以及观测控制软件。望远镜运动控制器负责高度轴驱动，方位轴驱动以及采集码盘数据；数据采集器负责ccd图像数据的采集、ccd曝光时间控制和ccd曝光时间的锁存；数据处理器负责ccd图像的预处理，空间目标图像的识别，空间目标的天文定位；观测控制软件生成空间目标的观测计划，管理望远镜运动控制器与ccd数据采集器完成望远镜观测流程并且引导数据处理器处理观测数据。

二、本发明所述的观测控制系统是一个分布式的系统。它避免了将上述功能全部集中于一个控制集中到一个软件上，不利于通过lan、wan或internet实现远程控制，达到集中管理的目地。望远镜运动控制器采用fpga+dsp异构处理器架构，相比于工作在windows的操作系统的运动控制系统，不会出现由于windows系统响应不及时，造成数据的丢失的情况，完全适用于空间目标的跟踪观测。传统的数据采集系统只能进行图像数据的采集，对于ccd曝光时间控制和ccd曝光时间的锁存要由专门的时间曝光锁存装置完成。ccd数据采集器等同于传统的数据采集系统+专门的时间曝光锁存装置。因此，由fpga构成的数据采集器简化了系统，节省了空间以及设备费用。

三、数据处理器采用fpga+dsp异构处理器架构，相比于工作在windows的操作系统的数据处理系统，由于采用了fpga对图像进行预处理，提高空间目标识别和定位的速度。同时由于采用了运动方向的一致性和最小脱靶量作为空间目标的识别判据，能够自动进行目标的识别并计算出目标赤经和赤纬，完成天文定位。这种识别方法解决了人工识别目标受人为主观因素的影响，存在着识别时间长、效率低等缺点，提高了空间目标光电望远镜自动化程度。

四、本发明所述的观测控制系统采用嵌入式架构，将本发明的嵌入式观测控制系统用于对长春人卫站1.2米望远镜升级改造。升级后的1.2米光电望远镜性能稳定，在4个月工作过程中，一共获得有效观测数据2593圈，能够实现对高、中、低轨道空间目标的自动化观测。采用本发明研制的嵌入式观测控制系统可以提高1.2米光电望远镜的观测自动化程度，实现系统无人值守的观测运行模式，通过网络实现远程控制，达到集中管理的目地，将观测员从繁重观测任务中解放出来。

附图说明

图1为本发明所述的嵌入式观测控制系统的原理框图；

图2为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中观测控制软件与各处理器交互数据原理框图；

图3为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中运动控制器的原理框图；

图4为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中ccd数据采集器的原理框图；

图5为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中数据处理器的原理框图；

图6为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中运动控制器中fpga的硬件结构图；

图7为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中运动控制器中dsp的硬件结构图；

图8为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中ccd数据采集器中fpga的硬件结构图；

图9为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中数据处理器中fpga的硬件结构图；

图10为本发明所述的精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统中数据处理器中dsp的硬件结构图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图10说明本实施方式，精密测量型空间目标望远镜的嵌入式观测控制系统，包括为运动控制器，ccd数据采集器，数据处理器和观测控制软件；所述望远镜运动控制器和数据处理器由dsp与fpga组成，所述dsp与fpga通过srio协议进行数据通信；所述ccd数据采集器由fpga组成。

所述望远镜运动控制器中的dsp作为运动控制器的核心处理器，承担插值计算；fpga作为协控制器，构建时间基准作为插值计算的自变量，所述dsp与fpga通过srio协议进行数据通信；

所述观测控制软件向运动控制器传输测站预报文件，所述运动控制器根据接收的测站预报文件对空间目标进行跟踪，获得频率为1hz的空间目标的方位角和高度角引导数据，所述运动控制器将频率为1hz的引导数据加密到20hz后加载到望远镜电机的伺服系统上，电机的伺服系统控制望远镜的运转，使望远镜精确的指向目标，同时通过udp协议向观测控制软件发送伺服系统反馈的编码器的方位角和高度角数据；所述测站预报文件为空间目标的星历预报数据，

所述观测控制软件向ccd数据采集器传输ccd的触发时刻、触发脉冲间隔和触发脉冲个数，ccd数据采集器根据曝光脉冲间隔和曝光脉冲个数，向ccd输出脉冲信号，同时锁存ccd曝光时刻，并通过pciexpress协议发送到观测控制软件。ccd数据采集器获取图像数据，并通过pciexpress协议发送到观测控制软件。

观测控制软件将ccd数据采集器传输到控制计算机的图像数据存储为fits文件，并在文件头中写入电机的伺服系统反馈的方位角和高度角信息，以及ccd数据采集器锁存的曝光时刻，然后通过udp协议将fits文件传输到数据处理器中。

数据处理器对获取到fits文件进行处理，在大量的背景恒星中识别空间目标，然后对识别出的空间目标进行天文定位。

结合图3、图6和图7说明本实施方式，本实施方式所述的观测控制系统观测空间目标时，采用程序跟踪方式，实时导引望远镜跟踪目标进行观测。预报软件利用两行根数(twolineelements，tle)来进行测站的轨道预报，测站预报文件得到的方位角和高度角引导数据频率是1hz，通过插值算法加密到20hz然后加载到望远镜电机的伺服系统上，以保证能够捕捉卫星进入到望远镜视场。

本发明根据望远镜控制的需要设计了基于fpga+dsp异构处理器架构的运动控制器。由于dsp处理性能强大，具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的速度控制算法，因此dsp作为运动控制器的核心处理器，承担插值计算；由于fpga具有极强的并行性，适合密集计算应用，并且可配置i/o和ip核支持多种数据传输接口，因此fpga作为协控制器，构建时间基准模块。采用srio协议实现fpga与dsp之间的高速数据通信。

所述dsp采用ti公司浮点型dsp-tms320c6657。

所述运动控制器中的dsp包括内插值计算模块、状态量输出模块和状态量输入模块；

所述内插计算模块使用测站轨道预报进行内插生成实时跟踪预报时采用的是9阶lagrange内插公式，lagrange插值基函数为：

插值多项式为：

式中，n为阶数，xk为预报中的历元时刻，yk为历元时刻对应的状态量(方位和高度量)，x是在fpga中读取的当前观测时刻，ln(x)为x所对应的状态量。

在获取了方位角和高度角后，可以进一步获取方位角速度和高度角速度。

所述状态量输出模块将dsp的定时器设置为连续计数模式，当定时器累计到50ms(20hz)时，进入中断服务程序，将方位角和高度角以及方位角速度和高度角速度通过uart接口输出到电机的伺服系统，所述伺服系统控制望远镜的运转，使望远镜精确的指向目标。

所述状态量输入模块是获取电机的伺服系统反馈的方位角和高度角信息，并将其转化为天球坐标系下的赤经和赤纬，然后通过udp协议发送给观测控制软件。

sin(a)＝sin(φ)sin(δ)+cos(φ)cos(δ)cos(h)(4)

式中，a和a分别是方位角和高度角，h和δ分别为时角和赤纬。

所述运动控制器中的fpga采用xilinx公司的artix-7xc7a100t，用于时间基准模块的产生。

所述时间基准模块用于构建时间基准，该模块是利用10mhz信号(时频基准提供)和1pps信号(时频基准提供)构建高精度时钟。在计时模块内部搭建2个32位的计数器，分别为秒计数器和纳秒计数器。前一个依靠1pps信号来计数秒以上时间；后一个依靠10mhz信号来计数秒以下时间，同时依靠1pps信号同步清零。由于此时钟通过外接时频信号来保证累加时间分辨率的精度，可以作为数据历元的时间依据，因此卫星的实时跟踪可依据此时钟。

本实施方式中，运动控制器的srio程序设计为：dsp端利用定时器产生周期为50ms中断，向fpga发起请求，fpga锁存当前的时刻，并将其写入dsp预定义的缓存区，写入完成后fpga通知dsp进行计算。

所述运动控制器和ccd数据采集器各包含一个时间模块，由fpga实现。

结合图4和图8说明本实施方式，为了满足光电望远镜成像设备与处理设备物理隔绝相对位置较远，设计了ccd数据采集器，它是以fpga为平台，采用xilinx公司的kintex-7xc7k325t为控制核心，实现两个功能，即，实现光纤网络ccd图像数据的高速采集和传输功能以及ccd的控制功能。

所述ccd数据采集器的第一个功能是图像数据的采集和传输，它是基于pciexpress总线架构的光纤通道适配器，可以实现光纤网络图像数据的高速采集和传输的功能；所述的图像数据数据采集功能包括数据接收和数据发送；

所述的图像数据接收是fpga采用sfp光口模块完成ccd视频信号的实时采集，fpga作为控制器对sfp光口模块进行逻辑控制并将接收数据写入ddr3sdram缓存；所述的图像数据发送是fpga通过dma控制模块将ddr3sdram缓存的图像数据经pciexpress链路传送至观测控制软件；

所述ccd数据采集器第二个功能是时间锁存，即对ccd的控制功能，以fpga为控制平台，ethernet为接口，采用udp协议与观测控制软件交互控制数据；对ccd曝光的外触发和ccd曝光信号的锁存；所述的ccd曝光的外触发和ccd曝光信号的锁存是fpga采用i/o通道控制模块实现对ccd的控制功能；所述的曝光时刻锁存数据的发送是fpga通过dma控制模块将锁存的数据经pciexpress链路传送至观测控制软件；所述的ccd的控制功能还要包含时间基准用以控制ccd外触发和ccd曝光信号的锁存。

对ccd外触发控制，通过控制i/o通道输出固定脉宽信号，可触发各类相机进行曝光；ccd曝光信号的锁存，可连续独立记录ccd曝光产生脉冲信号上升沿所对应的时刻(时、分、秒、毫秒、微秒)，锁存的曝光时刻可以通过pciexpress协议发送给观测控制软件。

所述时间基准模块用于构建时间基准，该模块是利用10mhz信号(时频基准提供)和1pps信号(时频基准提供)构建高精度时钟。在计时模块内部搭建2个32位的计数器，分别为秒计数器和纳秒计数器。前一个依靠1pps信号来计数秒以上时间；后一个依靠10mhz信号来计数秒以下时间，同时依靠1pps信号同步清零。由于此时钟通过外接时频信号来保证累加时间分辨率的精度，可以作为ccd外触发控制和ccd曝光信号的锁存的时间基准。

本实施方式中，空间目标观测的目地是实现对空间目标的高准确度定位，空间目标天文定位是利用ccd在凝视成像模式下拍摄系列星图，进行星点提取和星图匹配，计算得到ccd本体坐标系到天球坐标系的位置转换矩阵，再结合目标在ccd面上的坐标位置，便可获取目标相对恒星的位置信息。

空间目标天文定位算法可以分成三部分图像处理、空间目标识别和空间目标天文定位。为了加快计算速度，提高观测效率，本实施方式基于fpga+dsp异构处理器架构的数据处理器。图像处理部分以fpga作为协处理器，利用fpga的并行运算和流水线处理的特点，提高图像处理的速度。空间目标识别和空间目标天文定位部分以dsp作为核心处理器，承担目标识别计算和天文定位计算，dsp与fpga通过srio协议进行数据通信。

本实施方式中，所述观测控制软件运行在控制计算机上，所述观测控制软件的任务是管理、协调和控制各子系统操作，使整个望远镜系统有条不紊地、按计划、有步骤地进行空间目标的观测。观测控制软件包含以下三个功能：一是选择观测计划，二是管理运动控制器与ccd数据采集器完成望远镜观测流程，三是引导数据处理器处理观测数据；

所述管理观测流程是观测控制软件将ccd数据采集器传输到控制计算机的图像数据存储为fits文件，并在文件头中写入电机的伺服系统反馈的方位角和高度角信息，以及ccd数据采集器锁存的曝光时刻；

所述引导数据处理器处理观测数据是测控制系统软件将存储的图像fits文件按照存储的时间顺序发送到数据处理器；

结合图5说明本实施方式，所述数据处理器中的fpga采用xilinx公司的kintex-7xc7k325t，主要是对观测控制软件发送过来的fits文件进行处理，包括显著性检测、采用迭代阈值分割、膨胀运算和轮廓提取四个模块。

目标检测是空间碎片观测图像处理过程的至关重要一环。目标检测的前提是从图像中分离出恒星与空间目标，以便进行后续的空间目标检测与精密定位工作。显著性检测则是天空背景中突出显示恒星和空间目标等亮源。其生成的显著性图可以用于图像分割和轮廓提取。

所述的显著性检测算法如下：

μ＝mean(i)(5)

si＝(i-μ)²(6)

fsi＝255×(si-min(si))/(si-max(si))(7)

式中，i为原始图像，μ为对原始图像i求平均值，si为处理的图像，fsi为生成的显著性图像。

由于生成的显著性图像中只存在背景和目标两种模式，因此可以采用迭代阈值分割。

所述的迭代阈值求法如下：

步骤一求出图像中的最小和最大灰度值zl和zk，则阈值tk初值t0为：

t0＝(zl+zk)/2(8)

步骤二根据阈值将图像分割成目标与背景两部分，求出两部分的平均灰度值zo和zb。

步骤三求出新的阈值tk+1。

tk+1＝(zo+zb)/2(9)

步骤四若tk＝tk+1，则结束；否则转到步骤二。

步骤五步骤四结束后，tk即为最佳阈值。

所述的闭运算膨胀运算，经过显著性增强和采用迭代阈值分割后，会有部分星象出现被截断的情况，于是采用膨胀的方法，使断开的星象重新连接。

所述的提取星象轮廓，对于二值图像轮廓提取只需要挖空星象内部像素点即可。亮点的8个相邻像素点全部为亮点，则该点为内部点，反之为轮廓点。将所有内部点置为背景点，完成轮廓提取，并且求出星象的中心坐标(图像的像素位置)。将所有的星象中心坐标保存在fpga的fifo中。

本实施方式中，数据处理器srio程序的设计，fpga端首先发起请求将所有的星象中心坐标写入dsp预定义的缓存区，然后fpga通知dsp进行计算。

所述dsp采用ti公司浮点型dsp-tms320c6678。

所述数据处理器中的dsp包括空间目标识别和空间目标天文定位两个功能；空间目标的精密跟踪测量，其方位角和高度角和望远镜光轴中心的方位角和高度角变化理论上是相同的。因此，空间目标识别算法核心是利用相似函数将求解出目标运动方向与望远镜的指向作比较，来判定二者的方向是否一致，进而背景恒星中识别出空间目标。望远镜指向是观测控制软件获取电机的伺服系统反馈的方位角和高度角信息。另外，由于被指向空间目标是所有目标和星象中与光轴的偏离角量最小，即脱靶量最小，因此，可以通过比较脱靶量的大小来区别背景恒星和空间目标。空间目标识别通过空间目标与望远镜指向方向相似性作为主要的判断依据，辅以最小脱靶量判据，来从背景恒星中完成空间目标的识别。

所述的运动方向的一致性，假设图像中有m个的目标；ra0,dec0为当前望远镜指向的赤经和赤纬，ra(l),dec(l)为星象的赤经和赤纬，l＝1,2,3……m，m为正整数；

同一时刻同一星象的空间直角赤道坐标系(x,y,z)与赤道坐标下赤经赤纬的关系如下：

同一时刻望远镜指向的空间直角赤道坐标系(x0,y0,z0)与赤道坐标下赤经赤纬的关系如下：

设α为星象与望远镜指向的方向夹角，则相似函数定义为

若cosα越接近1，则星象运动方向与望远镜指向的相似程度越高；

所述的脱靶量是距离函数定义为：

d(l)＝|dl-do|(13)

d(l)越小，空间目标概率越大；反之，空间目标概率越小。

在得到空间目标在ccd面上的位置坐标后，然后可以计算得到空间目标的赤经和赤纬。

本实施方式中，所述的天文定位的步骤具体为：：

步骤一、对空间目标识别后，在tycho2星历中，找出视场中恒星(αi,βi)i＝1,2,3,…,j，并将其按星等排队，其中αi和βi为天球坐标系下的赤经和赤纬；

步骤二、在ccd图像中，采用三角形匹配法，6颗最亮定标星的ccd本体坐标(xi,yi)；

步骤三实际工作中，由于望远镜的光学系统、算法以及星表等因素影响，ccd本体坐标系与天球坐标系间的关系无法精确推导，一般使用多项式近似回归方法；

αi＝a0+a1xi+a2yi+a3xi²+a4xiyi+a5yi²+a6xi³(14)

βi＝b0+b1xi+b2yi+b3xi²+b4xiyi+b5yi²+b6xi³(15)

上式中，xi，yi为恒星的ccd本体坐标；αi,βi均已知，求a0-a6和b0-b6。

步骤五求出a0-a6和b0-b6后，再将目标的坐标(x0,y0)代入上式得到目标的天球坐标(α0,β0)。

步骤六这就完成了一帧图像的解算，下一帧图同样依上述步骤计算。每帧图像解算出的(α0,β0)在通过udp协议发送至观测控制软件。