一种高实时性的距离门控实现方法

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1、中国科学院上海天文台年刊2010年总第31期ANNALSOFSHANGHAIOBSERVATORYACADEMIASINICANo.31,2010一一一种种种高高高实实实时时时性性性的的的距距距离离离门门门控控控实实实现现现方方方法法法范海波1;2，吴志波1，张海峰1，张忠萍1，陈菊平1(1.中国科学院上海天文台，上海200030；2.中国科学院研究生院，北京100049)摘要：给出了一种高实时性的距离门控实现方法，该方法基于高性价比的Spartan-3XC3S200FPGA芯片实现。相比传统的距离门控设计将距离门控计算

2、放在计算机内进行，该方法把运算任务从计算机中抽调出来放在FPGA内部进行，最大程度地保证距离门控系统运行的高精度、高工作频率及高实时性。针对此方法的基本原理、运行流程及一些关键部分的实现作出了详细论述，如串口部分及其传输协议，乘法模块的实现以及大气后向散射的避免方法等。关键词：距离门；Sprtan-3XC3S200；高实时性；高重复率卫星激光测距中中中图图图分分分类类类号号号：：：P228.5，TP3191引言距离门控技术是一种时间滤波的技术，广泛应用于人造卫星激光测距系统中。其基本原理是根据预报参数，精确地计算出激光回

3、波反射回来的预期时刻，采取稍微提前于预期的回波时刻开启回波接收系统的措施，最大程度避免背景噪声的干扰。本文提出的距离门控方法可以用于低重复率的SLR(SatelliteLaserRanging)系统中，亦可满足高重复率SLR的要求。高重复率SLR是人卫激光测距的未来发展趋势，具有回波点数多、测距精度高等优点。传统的距离门控设计在低重复率情况下可以很好地工作，但随着SLR向更高的测距频率方向发展，对距离门控的要求也更高，传统设计已难以适应。首先，距离门控精度问题。在高重复率SLR中，噪声数远比低重复率SLR多，高精度距离门

4、控有利于抑制噪声，提高测距成功率。而传统的设计多采用分立元器件，距离门控精度有限，难于适应越来越高频率的SLR系统。其次，系统的实时性问题。传统距离门控设计中距离门控的计算在计算机中进行，然后通过相应的接口传送到距离门控电路。随着测距频率的提高，控制软件的单次测距时间被缩短，大量的数据运算及传送将占用原本就紧张的CPU资源，降低控制软件的实时性，甚至导致测距失败。再次，在高重复率SLR中存在大气后向散射干扰问题，造成有效回波信号的损失。散射的发生时序与激光点火时序和距离门控信号时序相关，后向散射在低重复率SLR中没有影响

5、，因此传统的距离门控设计也不具备后向散射避免功能。针对以上3个主要问题，本文介绍了一种高实时性距离门控实现方法。该方法主要是将距离门控计算的核心部分移至FPGA芯片内部，以减轻测距计算机的负担，进而提高高重复率激光测距的实时性。收稿日期：2010-07-13；修回日期：2010-08-11资助项目：国家自然科学基金(10973029)；上海市空间导航与定位技术重点实验室(06DZ22101)总第31期范海波等：一种高实时性的距离门控实现方法1712距离门控计算方法在卫星激光测距过程中，距离门控的计算实质上是根据卫星预报数

6、据预计激光信号的往返飞行时间，即卫星到测距站的双程距离值，以确定光子探测器的打开时刻，进而准确地接收回波光子，实现卫星测距。在卫星预报中，为减少预报过程中的数据量及计算量，我们在预报数据中只给出了间隔为1s(近地卫星)或20s(远地卫星)的卫星距离预报值。而在测距过程中，间隔1s或20s的预报数据密度是不能满足实时测距控制要求的，为此，在获得间隔1s或20s的预报数据后，我们采用了多项式拟合的方法，每4个预报数据组合成一组三阶多项式，如式(1)所示，其中R0;R1;R2;R3分别为卫星距离预报值，t0;t1;t2;t3分

7、别为卫星距离对应的时刻值。8>>R=a+a(t¡t)+a(t¡t)2+a(t¡t)3>>00100200300<23R1=a0+a1(t1¡t0)+a2(t1¡t0)+a3(t1¡t0)(1)>>R=a+a(t¡t)+a(t¡t)2+a(t¡t)3>>20120220320:23R3=a0+a1(t3¡t0)+a2(t3¡t0)+a3(t3¡t0)通过求解方程组(1)获得多项式系数a0;a1;a2;a3。在距离门控计算中，应用多项式系数，由公式(2)实时获得卫星距离预报值，进而获得激光信号的往返飞行时间。式(2)中j表示

8、所使用的为第j组系数，ti为第j组系数内计算的第i次卫星距离预报值Ri对应的时刻。公式(2)中的ti¡t0也可记为dti。23Ri=aj0+aj1(ti¡t0)+aj2(ti¡t0)+aj3(ti¡t0)(2)实际上，Ri为时间量。设距离门控开启时刻为Si，计时零点为t0，提前开启量为ap，则计算可进一步简化为：Si