[发明专利]一种高重复率卫星激光测距实时控制系统

说明书

一种高重复率卫星激光测距实时控制系统，涉及卫星激光测距技术领域。本发明采用工业级硬件与嵌入式软件结合的方式，包括CompactRIO控制器、数字I/O扩展模块和GPS时间频率接收机；CompactRIO控制器一体化集成实时处理器单元与可重配置FPGA单元，提升了测距控制系统的集成度与可靠性；外部I/O采用模块化扩展方式，各功能扩展模块I/O直接与可重配置FPGA单元连接，具备极低的信号延迟。本发明利用TSN时间敏感网络，直接通过PTP精确时间协议实现GPS时间频率接收机向CompactRIO控制器的高精度网络授时，为测距控制的高度自动化提供了可靠的标准化时间同步方案。本发明在嵌入式实时操作系统中完成测距控制中的实时性敏感操作，实现了高重复率测距控制的高实时性、高确定性与高可靠性。

技术领域

本发明涉及卫星激光测距技术领域，具体涉及一种高重复率卫星激光测距实时控制系统。

背景技术

卫星激光测距技术(SLR，Satellite Laser Ranging)作为单点测距精度最高的空间大地测量技术，自20世纪60年代发展至今，其测距机理与系统构成均得到了不断地迭代与完善，特别是kHz高重复率测距等关键技术的运用，使得SLR系统的探测能力与测距精度得到了显著地提高。近年来国内外多个激光测距台站相继开展了重复率在百kHz以上的超高重复率测距，成为了新的研究与实验热点，也是SLR技术未来的重要发展趋势。新技术对于测距控制的时间精度与实时性提出了更为严苛的要求，需要对测距系统进行相应的技术改进与软硬件更新。

目前国内激光测距台站多采用运行于通用计算机平台的Windows操作系统作为上位机测距控制软件的运行环境，然而Windows操作系统作为非实时操作系统，完成SLR测距过程中的指令分发与时序控制有着很大的技术局限性。对于kHz激光测距，通过对上位机测距控制软件自身程序线程与中断服务的优化基本能够满足毫秒级的指令分发与时序控制精度需求，然而对于重复率在百kHz以上的超高重复率测距，时序控制精度应达到微秒量级，需要将时序控制部分从上位机测距控制软件中分离出来，在具备硬实时特性的嵌入式实时操作系统中完成，以此来满足超高重复率测距高确定性、高时间精度的实时控制需求。

此外，在测距控制的自动化提升方面，新一代激光测距控制系统在软硬件方案上应具备高集成度与高可靠性的特点，同时能够为未来远程测距和全自动测距的实现提供更好的平台相容性和功能易扩展性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种以CompactRIO控制器为硬件核心的高重复率卫星激光测距实时控制系统。为了实现以上目的，本发明所采用的系统硬件方案与嵌入式软件方案如下：

一种高重复率卫星激光测距实时控制系统，该控制系统包括CompactRIO控制器、数字I/O扩展模块和GPS时间频率接收机；

所述CompactRIO控制器集成实时处理器单元、可重配置FPGA单元和扩展槽单元；

所述数字I/O扩展模块安装在扩展槽单元中，作为可重配置FPGA单元的外部数字I/O扩展；所述数字I/O扩展模块的每个数字I/O通道具备输入输出方向独立选择能力；

所述GPS时间频率接收机作为CompactRIO控制器的时频基准信号源和高精度网络授时时钟；

所述GPS时间频率接收机的1PPS秒脉冲信号输出端和10MHz TTL信号输出端分别与数字I/O扩展模块的两个输入通道连接；

所述GPS时间频率接收机的PTP精确时间协议网络输出端与实时处理器单元通过以太网连接，所述实时处理器单元的网络端口具备TSN时间敏感网络特性；所述GPS时间频率接收机通过PTP精确时间协议向CompactRIO控制器发送UTC时间信息，使实时处理器单元与可重配置FPGA单元保持UTC时间同步；