星相機高精度校時計時方法

宗云花 于艷波 邸晶晶 任宇寧 劉曉鵬 王偉之

(北京空間機電研究所,中國空間技術(shù)研究院天基空間目標(biāo)監(jiān)視技術(shù)核心專業(yè)實驗室,北京 100094)

星相機在軌通過拍攝星空圖像、恒星識別、匹配和解算四元數(shù)確定自身方位,然后利用坐標(biāo)變換以優(yōu)于1″的測量精度輸出測繪相機的三軸姿態(tài)數(shù)據(jù)。地面處理時將這個姿態(tài)數(shù)據(jù)代入到成像幾何模型中,計算對地遙感圖像實際對應(yīng)的地理位置,從而實現(xiàn)高精度影像定位[1]。就測繪相機而言,影像定位誤差主要由星相機測量誤差、星相機與測繪相機安裝關(guān)系測定誤差、空間熱環(huán)境引起的星相機與測繪相機視軸指向變化誤差及時間不同步產(chǎn)生的姿態(tài)漂移誤差等構(gòu)成[2-3]。在測繪衛(wèi)星中,星相機與測繪相機一體化、等溫化安裝,在最大程度上避免了力、熱變化造成的星相機和測繪相機之間相對位置關(guān)系的改變,從而降低了星相機與測繪相機安裝關(guān)系測定誤差、空間熱環(huán)境引起的星相機與測繪相機視軸指向變化誤差。一般,國內(nèi)測繪相機影像行頻約為10 k Hz,時間同步精度約為5μs,在實際計算時,需要準(zhǔn)確的每行影像對應(yīng)的姿態(tài)數(shù)據(jù),因此星相機的時間同步精度應(yīng)優(yōu)于測繪相機的時間同步精度,從而減小時間不同步產(chǎn)生的姿態(tài)漂移誤差。

為滿足立體測繪處理的精度要求,在測繪衛(wèi)星的設(shè)計中必須考慮提高姿態(tài)測量和時統(tǒng)的精度[4]。一般,衛(wèi)星只配置星敏感器,其主要作用是測量衛(wèi)星姿態(tài),時間同步精度約50μs[5],不能滿足高精度測繪定位精度所需要的優(yōu)于5μs的要求,因此需要研究應(yīng)用于星相機的高精度時間同步方法。但是,目前傳統(tǒng)星相機時間同步方法,由于只記時不對自身的時鐘進行校正,存在較大的系統(tǒng)誤差,無法實現(xiàn)優(yōu)于5μs的要求。本文提出高精度校時計時方法,利用星相機調(diào)節(jié)自身設(shè)備時鐘使其與衛(wèi)星時標(biāo)嚴(yán)格對準(zhǔn),并精確記錄對準(zhǔn)誤差,最終可實現(xiàn)與衛(wèi)星時間基準(zhǔn)信號(以下均稱為衛(wèi)星同步信號)的時間同步精度優(yōu)于1μs,從而提高測繪定位精度。

1 高精度校時計時方法

星相機系統(tǒng)組成如圖1所示,一般包括控制同步器、星相機A和星相機B。星相機利用鏡頭將瞬時視場中的若干恒星成像于光電探測器上,通過圖像處理與已有星表對比,得出星相機在空間慣性坐標(biāo)系的瞬時姿態(tài),完成姿態(tài)測量,進而通過坐標(biāo)變換得到同時刻測繪相機系統(tǒng)在空間慣性坐標(biāo)系的姿態(tài)測量[6],控制同步器完成2臺星相機加斷電控制、時間同步、恒星成像等?？刂仆狡魍ㄟ^硬件接口接收衛(wèi)星GPS接收機輸出的時間同步信號(秒脈沖信號),同時通過1553B總線從數(shù)管獲得同步信號對應(yīng)的整秒時刻信息,并分別向2臺星相機轉(zhuǎn)發(fā);2臺星相機根據(jù)GPS同步信號校準(zhǔn)自身的時間基準(zhǔn),以此時間基準(zhǔn)控制每幀圖像的曝光中心時刻,實現(xiàn)星相機與衛(wèi)星平臺的時間同步。

傳統(tǒng)的時間同步方法是:星相機根據(jù)收到的同步信號啟動自身的本地計時時鐘計數(shù),將時間差記錄下來作為圖像輔助數(shù)據(jù)傳遞到地面[7]。這種方法只是記錄時間差,不對自身的時間基準(zhǔn)進行校正,因此存在較大系統(tǒng)誤差,已不能滿足目前高精度影像定位使用要求。為了解決這個問題,本文提出高精度校時計時方法,通過控制同步器和2臺星相機準(zhǔn)確校正各自時鐘并精確計時,最終使星上時鐘、控制同步器設(shè)備時鐘及每臺星相機的設(shè)備時鐘時刻重合,以實現(xiàn)高精度時間同步。其具體實現(xiàn)包括4個步驟。

圖1 系統(tǒng)組成Fig.1 System composition

(1)接收衛(wèi)星GPS同步信號和整秒時刻信息?？刂仆狡鹘邮招l(wèi)星GPS信號,形式為RS422差分電壓信號[8],同時從1553B總線接收同步信號對應(yīng)的整秒時刻信息,兩者的時序關(guān)系如圖2所示。

圖2 秒脈沖信號接口時序Fig.2 Time sequence of second pulse signal interface

(2)控制同步器校正自身設(shè)備時標(biāo)(秒脈沖)并發(fā)送給星相機。控制同步器根據(jù)接收的GPS同步信號下降沿校正自身設(shè)備時標(biāo),使自身設(shè)備時標(biāo)與衛(wèi)星時間基準(zhǔn)嚴(yán)格對準(zhǔn),對準(zhǔn)精度優(yōu)于500 ns,并將該時間基準(zhǔn)通過低壓差分信號(LVDS)接口發(fā)送給2臺星相機,同時用本地時鐘精確記錄校正后的時標(biāo)和衛(wèi)星時間基準(zhǔn)之間的時間差。

(3)星相機接收控制同步器的同步信號并實現(xiàn)與其同步。每臺星相機根據(jù)接收到的時間基準(zhǔn)上升沿校正自身設(shè)備時標(biāo),使自身設(shè)備時標(biāo)與收到的時間基準(zhǔn)嚴(yán)格對準(zhǔn),對準(zhǔn)精度優(yōu)于500 ns;同時,利用本地時鐘精確記錄校正后的設(shè)備時標(biāo)和接收到的時間基準(zhǔn)之間的時間差,校正后的設(shè)備時標(biāo)作為每臺星相機曝光時刻的計時基準(zhǔn)。

(4)星相機在上述計時基準(zhǔn)控制曝光時間并將星圖及輔助數(shù)據(jù)下傳至地面。星相機最終將該計時基準(zhǔn)下的本地時鐘精確記錄的曝光時刻信息作為時標(biāo)信息連同四元數(shù)和圖像信息發(fā)送給數(shù)傳。

上述4個步驟中,第2步和第3步是影響最終時間同步精度的關(guān)鍵,也是該方法的核心所在,詳細(xì)敘述如下。

1.1 控制同步器校正自身設(shè)備時鐘并發(fā)送至星相機

GPS接收機正常鎖定,數(shù)管發(fā)送校時指令,控制同步器完成初始化后(接收數(shù)管ON指令后不晚于5 s)形成1 Hz頻率的本地設(shè)備時鐘,在1 s內(nèi)等待衛(wèi)星同步信號下降沿,如果1 s內(nèi)接收到衛(wèi)星同步信號下降沿,則控制同步器按照時標(biāo)的下一個下降沿使控制同步器本地設(shè)備時鐘和衛(wèi)星同步信號重合,在下一次成功接收到衛(wèi)星同步信號時,衛(wèi)星和控制同步器的時鐘重合,作為本地計時器的整秒時刻標(biāo)志,同時控制同步器從1553B總線接收該整秒信號的時間碼被記錄下來。因為衛(wèi)星和控制同步器的時鐘不可能做到完全重合,因此控制同步器軟件使用另一個100 MHz高頻率時鐘實時記錄校正后本地設(shè)備時鐘和衛(wèi)星同步信號之間的延時Δt3(如圖3所示),將其編入輔助數(shù)據(jù),從數(shù)傳接口輸出。控制同步器本地時鐘與衛(wèi)星時鐘的同步結(jié)束后,控制同步器會一直監(jiān)測衛(wèi)星同步信號周期并自動按照每次測試的結(jié)果校正本地設(shè)備時鐘。

從總線遙控指令“星相機工作模式”執(zhí)行時刻開始,控制同步器為2臺星相機形成時標(biāo)。為了讓星相機更準(zhǔn)確的識別時標(biāo),控制同步器向星相機發(fā)送同步序列0XBB(頻率100 MHz),時標(biāo)由4個前后相繼的字節(jié)0X00進行標(biāo)記,如圖3所示。

圖3 校時計時時序Fig.3 Timing sequence of time correction and calculation

1.2 星相機與控制同步器時鐘同步設(shè)計

星相機初始化后按照內(nèi)部時鐘工作,形成頻率為1 Hz的設(shè)備時標(biāo)。在接收到控制同步器發(fā)送的“開始信息交換”指令后,星相機執(zhí)行與控制同步器的時間同步。星相機接收到0XBB,0X00,0X00和0X00,0X00,0XBB這2個同步序列,按照第2個同步序列的最后一個字節(jié)的接收時刻進行時間同步,在下一次接收到控制同步器時標(biāo)后,星相機和控制同步器的時鐘實現(xiàn)重合。由于不可能完全重合,因此星相機軟件使用另一個100 MHz高頻率時鐘實時記錄校正后的設(shè)備時標(biāo)信號和接收到的同步信號之間的延時Δt′3(如圖3所示),將其編入輔助數(shù)據(jù),從數(shù)傳接口輸出。星相機與控制同步器的時間同步結(jié)束后,會一直監(jiān)測控制同步器同步接口時標(biāo)周期,并自動按照每次測試的結(jié)果校正設(shè)備時鐘,具體如下。①星相機初始化完成后即生成自身的設(shè)備時鐘。此時,星相機準(zhǔn)備接收控制同步器發(fā)出的時標(biāo)信號,默認(rèn)接收主通道時標(biāo)(為提高可靠性,同步接口設(shè)置為主備通道)。②之后的每秒,星相機均按照圖4所示的流程完成時間同步。其中,對外部同步信號檢測、通道選擇及設(shè)備同步時鐘校正是3個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1)外部同步信號檢測

同步成功后,星相機預(yù)計下一秒時標(biāo)到來的時刻,在該時刻前較短的時間內(nèi)才開啟外部時標(biāo)檢測,在該時刻后較短的時間內(nèi)再關(guān)閉外部時標(biāo)檢測。由于開啟檢測的時間較短,因此期間出現(xiàn)假時標(biāo)信號的概率降低,從而減少時標(biāo)信號干擾的影響,提高容錯率。

圖4 時間同步方法流程Fig.4 Time synchronization method flow

2)通道選擇

星相機校時設(shè)置主備通道外部時標(biāo)檢測切換功能。如果星相機當(dāng)前使用主通道作為外部時標(biāo)源,在上文提到的設(shè)定開啟外部時標(biāo)檢測時間內(nèi),主通道未接收到信號,而備份通道有時標(biāo)信號輸入,則下一秒星相機直接切換到備份通道作為時標(biāo)源。通過快速切換通道,可以提高星相機與星上時標(biāo)對準(zhǔn)的穩(wěn)定性。即使主備通道時標(biāo)源均出現(xiàn)異常,星相機也可按照之前同步的自身設(shè)備時鐘工作。因此,在失去星上時標(biāo)某一主備通道或其都丟失的情況下,仍可較大程度地保持時鐘的準(zhǔn)確性。

3)同步時鐘校正

經(jīng)過內(nèi)外部同步信號異步值計算,得到當(dāng)前秒的設(shè)備時鐘與外部時標(biāo)間的同步差值和符號,接下來要進行同步時鐘校正。直接在下一秒將同步差一次性補償,即單間隔補償方式(見圖5(a)),可以達(dá)到同步效果,但是設(shè)備時鐘跨度較大,由于設(shè)備時鐘是設(shè)備工作的時鐘基準(zhǔn),這種方式容易造成時序異常,引發(fā)后續(xù)模塊的競爭冒險。為此,本文采用多間隔補償方式(見圖5(b)),將設(shè)備時鐘均分為幾步挪動,使時標(biāo)過渡更平穩(wěn),對后續(xù)時序的影響更小。具體實現(xiàn)方法是借助時間存儲表得到時間校正步數(shù)N和校正步距(校正步距等于同步差的絕對值除以N的整數(shù)值),以及被除后的余數(shù)。在計算出同步差后,下一秒分N步移動內(nèi)部時鐘,每步移動的校正步距余數(shù)放在該秒的末端。如果非同步值小于20 ns,則不需要調(diào)整。

圖5 同步補償方式Fig.5 Synchronous compensation mode

2 校時計時方法驗證

星相機時間信息和星上時間之間的誤差包括系統(tǒng)誤差和隨機誤差。

2.1 系統(tǒng)誤差

如前所述,星相機采用同步信號校時計時方法實現(xiàn)與星上時間同步,按照同步信號的傳遞路徑,將延時(即誤差)分解為:①在控制同步器中的延時,②從控制同步器輸出到星相機接收的延時,③在星相機中的延時,具體如圖6所示。

圖6 星相機時間同步誤差傳遞路徑Fig.6 Time synchronization error transfer path of star camera

(1)衛(wèi)星秒脈沖同步信號輸入控制同步器后,軟件對其進行判讀,識別出標(biāo)志整秒時刻的信號脈沖下降沿。軟件將本地用于計時的計數(shù)器時鐘(頻率1 Hz)的某一個時鐘沿與衛(wèi)星同步信號下降沿對應(yīng)起來,作為本地計時器的整秒時刻標(biāo)志。同時,軟件使用另一頻率高于計數(shù)器時鐘頻率的時鐘信號(100 MHz),實時檢測衛(wèi)星同步信號和本地計時器對整秒時刻標(biāo)志的延時,將其編入輔助數(shù)據(jù),從數(shù)傳接口輸出。實測該環(huán)節(jié)的延時在10－7s量級上。該環(huán)節(jié)延時t1(單位:ns)為

式中:a為控制同步器輔助信息數(shù)據(jù)中信息段ext-Clock Lates的最大值;20 ns為控制同步器輸出端時標(biāo)的硬件處理時間。

(2)控制同步器向星相機輸出的同步信號為調(diào)制后的連續(xù)脈沖信號,每經(jīng)過連續(xù)低電平之后的第1個上升沿標(biāo)志整秒時刻,如圖7所示。t2即為這一環(huán)節(jié)的延時,設(shè)計值為320 ns,用示波器一次性測得。

圖7 控制同步器輸出的同步信號Fig.7 Synchronization signal from control synchronizer

(3)控制同步器的同步信號輸入星相機后,軟件對其進行判讀,識別出標(biāo)志整秒時刻的信號脈沖上升沿。軟件將本地用于計時的計數(shù)器時鐘(頻率1 Hz)的某一個時鐘沿與同步信號上升沿對應(yīng)起來,作為本地計時器的整秒時刻標(biāo)志。同時,軟件使用另一頻率高于計數(shù)器時鐘頻率的時鐘信號(100 MHz),實時檢測同步信號和本地計時器對整秒時刻標(biāo)志的延時,將其編入輔助數(shù)據(jù),從數(shù)傳接口輸出。實測該環(huán)節(jié)的延時在10－7s量級上。該環(huán)節(jié)延時t3(單位:ns)為

式中:b為星相機輔助信息數(shù)據(jù)中信息段Async1最大值;40 ns為星相機時標(biāo)的硬件處理時間。

最終,系統(tǒng)誤差t(單位:ns)為

2.2 隨機誤差

控制同步器和星相機均裝有用于本地計時的計數(shù)器時鐘,頻率均為1 Hz?？刂仆狡鞅镜赜嫊r的計數(shù)器時鐘每秒都會與衛(wèi)星同步信號進行同步操作,星相機的本地計時的計數(shù)器時鐘每秒也會與來自控制同步器的同步信號進行同步操作。

由分析可知,控制同步器相對于衛(wèi)星同步信號延時t1和星相機相對于控制同步器同步信號的延時t3均用本地100 MHz的時鐘計數(shù)來檢測,計算時以10 ns為周期時間,隨機誤差就是其實際周期和10 ns的精確誤差,誤差相關(guān)因素是由本地時鐘產(chǎn)生的(例如晶振隨機頻率抖動),具體分析如下。

(1)100 MHz時鐘的抖動:根據(jù)器件手冊,此晶振時鐘抖動為5 ps,在10－12s量級上,數(shù)值本身很小。

(2)extClock Lates鎖存的是控制同步器和衛(wèi)星同步信號之間的計數(shù)器差值,Async1鎖存的是星相機和控制同步器同步信號之間的計數(shù)器差值。①產(chǎn)生的參考來源相同,控制同步器同步信號計數(shù)器數(shù)值和接收的衛(wèi)星同步信號計數(shù)器數(shù)值的參考依據(jù),都是本地100 MHz的時鐘計數(shù)器數(shù)值,控制同步器輔助數(shù)據(jù)中鎖存的extClock Lates是兩者的差值;星相機同步信號計數(shù)器數(shù)值和控制同步器計數(shù)器數(shù)值的參考時鐘,也都是本地100 MHz的時鐘計數(shù)器數(shù)值,星相機輔助數(shù)據(jù)中鎖存的Async1是兩者的差值。②extClock Lates和Async1均為兩者相減,消除了本地時鐘的頻率漂移影響。

綜上所述,隨機誤差遠(yuǎn)小于10－12s,可以忽略不計。

2.3 同步誤差測量結(jié)果

對2臺星相機的時間同步精度各進行8次測試,過程如下。①從總線遙控指令“星相機工作模式”開始記時10 min,之后讀取輔助數(shù)據(jù)extClock-Lates和Async1,取其中的最大值。②根據(jù)式(1)和式(2)計算t1,t3,然后根據(jù)式(3)計算得到總誤差t,其中t2為固定值320 ns(實際值也通過示波器進行了測試)。星相機A和B的具體結(jié)果見表1和表2。由測試結(jié)果可知,同步誤差最大值為880 ns,滿足優(yōu)于5μs的指標(biāo)要求。

表1 星相機A同步誤差測試結(jié)果Table 1 Test results of synchronization error of star camera A ns

表2 星相機B同步誤差測試結(jié)果Table 2 Test results of synchronization error of star camera B ns

衛(wèi)星同步信號和控制同步器同步信號示波見圖8。其中,147.2 ns為前文所述的星相機A的t1(即t1,A),與表1的數(shù)據(jù)吻合,隨后的連續(xù)低電平即為前文所述的t2(即t2,A),從而證實了輔助數(shù)據(jù)時間信息的正確性。

圖8 衛(wèi)星同步信號和控制同步器同步信號示波Fig.8 Oscillogram of satellite synchronization signal and control synchronizer synchronization signal

2.4 同步誤差對圖像定位精度的影響

將星相機同步誤差880 ns和改進之前的同步誤差50μs分別作為輸入條件,利用相機參數(shù)、軌道數(shù)據(jù)、姿態(tài)數(shù)據(jù)、星相機數(shù)據(jù)、圖像數(shù)據(jù)及其他輔助數(shù)據(jù),根據(jù)前方交會原理[9]建立成像幾何模型,計算圖像幾何位置,利用控制點數(shù)據(jù)對圖像幾何定位精度進行評價,驗證星相機同步誤差減小對圖像定位精度的提升作用。結(jié)果表明:圖像定位平面精度提高約10%,高程精度提高約15%,對于越來越高的測繪定位精度具有顯著的應(yīng)用價值。

3 結(jié)束語

傳統(tǒng)星相機時間同步方法,由于只記時不對自身的時鐘進行校正,存在較大的系統(tǒng)誤差,不能滿足高圖像定位精度使用要求。為此,本文提出了一種高精度校時計時方法,通過控制同步器和2臺星相機準(zhǔn)確校正各自時鐘并精確計時,最終使星上時鐘、控制同步器設(shè)備時鐘及每臺星相機的設(shè)備時鐘重合,實現(xiàn)高精度時標(biāo)同步。對測試誤差進行分析和驗證,最終實現(xiàn)與衛(wèi)星同步信號的時間同步精度優(yōu)于1μs,從而可提高測繪定位精度。后續(xù)將對該設(shè)計方法進行性能優(yōu)化,以進一步提高計時精度。