李崇輝

信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

基于魚眼相機(jī)的艦船天文導(dǎo)航技術(shù)研究

李崇輝

信息工程大學(xué)導(dǎo)航與空天目標(biāo)工程學(xué)院，河南 鄭州 450001

天文導(dǎo)航是一種重要的自主導(dǎo)航技術(shù)，本文針對目前艦船天文導(dǎo)航存在的問題，提出了采用魚眼相機(jī)同時(shí)對天體和水天線成像實(shí)現(xiàn)艦船天文導(dǎo)航的理論方法。研究了基于魚眼相機(jī)的艦船天文導(dǎo)航原理和流程，并針對星圖獲取、星點(diǎn)提取、水天線提取、水天線擬合、星圖識(shí)別、導(dǎo)航定位解算等天文導(dǎo)航過程中的各個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)展開了研究。試驗(yàn)結(jié)果表明：利用10幅星圖進(jìn)行天文導(dǎo)航定位耗時(shí)約2 s，定位誤差約為0.5 n mile，定向誤差約為18″。而基于六分儀的傳統(tǒng)天文導(dǎo)航方法需要依靠人工測量，并且只能在晨昏蒙影期間通過20～30 s的觀測，使艦船定位在2～5 n mile的精度上，說明基于魚眼相機(jī)的艦船天文導(dǎo)航方法在效率、精度、自動(dòng)化程度、可用性等方面取得了重要突破。論文的主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

(1) 針對傳統(tǒng)艦船天文導(dǎo)航需要依靠人工測量、導(dǎo)航定位精度低、觀測時(shí)段受限等問題，提出了利用魚眼相機(jī)同時(shí)對天體和水天線成像實(shí)現(xiàn)艦船天文導(dǎo)航的方法。試驗(yàn)證明該方法可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化艦船天文導(dǎo)航，使得天文導(dǎo)航的效率和定位精度分別提高了10倍和4倍以上，系統(tǒng)的可用時(shí)段從晨昏蒙影期間擴(kuò)展到了整個(gè)夜晚。

(2) 天文導(dǎo)航需要精確的水平基準(zhǔn)。通過慣性平臺(tái)提供艦船姿態(tài)參數(shù)存在設(shè)備復(fù)雜、難以集成的問題；通過傾角傳感器等外部設(shè)備來確定水平基準(zhǔn)存在精度低、響應(yīng)速度慢、難以標(biāo)校等問題；通過六分儀觀測水天線來確定水平基準(zhǔn)需要依賴于人工觀測。本文針對上述問題提出了利用魚眼相機(jī)對水天線成像，進(jìn)而通過擬合水天線的圖像坐標(biāo)來確定水平基準(zhǔn)的方法，該方法無需外部設(shè)備支持，且水平基準(zhǔn)確定精度達(dá)到了37.2″。

(3) 提出了艦載魚眼相機(jī)的星圖識(shí)別方法，該方法分為初始模式和跟蹤模式。其中初始模式解決了在未知艦船位置或?qū)Ш绞фi等缺乏先驗(yàn)信息條件下的全天區(qū)星圖識(shí)別問題，識(shí)別正確率達(dá)到了98%，跟蹤模式實(shí)現(xiàn)了在艦船航行過程中快速準(zhǔn)確識(shí)別恒星目標(biāo)。

(4) 深入研究了多星天文定位算法。首先推導(dǎo)了多星天文定位的基本原理；然后針對天體高度角觀測值中存在系統(tǒng)誤差的問題，提出了多級等高法天文定位模型；最后針對天體觀測值中存在粗差和誤差較大觀測值的問題，提出了抗差天文定位方法，通過算例證明了采用本文方法時(shí)天文定位精度可提高2～3倍。

(5) 深入研究了艦船天文導(dǎo)航算法。首先建立了多星定位定向統(tǒng)一模型，同時(shí)解得了艦船的位置和航向；然后建立了艦船航行的運(yùn)動(dòng)模型和基于魚眼相機(jī)的天文觀測模型；最后利用抗差自適應(yīng)濾波實(shí)現(xiàn)了艦船位置、航向和航速的實(shí)時(shí)確定。

Research on Marine Celestial Navigation Based on Fisheye Camera

LI Chonghui

Information Engineering University, Zhengzhou 450001, China

his doctoral degree from Information Engineering University on December 2013，majors in autonomous navigation and integrated navigation.

李崇輝.基于魚眼相機(jī)的艦船天文導(dǎo)航技術(shù)研究[J].測繪學(xué)報(bào)，2017,46(12)：2042.

10.11947/j.AGCS.2017.20170154.

LI Chonghui.Research on Marine Celestial Navigation Based on Fisheye Camera[J]. Acta Geodaetica et Cartographica Sinica,2017,46(12):2042. DOI:10.11947/j.AGCS.2017.20170154.

P228

D

1001-1595(2017)12-2042-01

國家自然科學(xué)基金(41604011；11673076)

2017-03-29

李崇輝(1987—)，男，2013年12月畢業(yè)于信息工程大學(xué)，獲工學(xué)博士學(xué)位(指導(dǎo)教師：鄭勇教授)，研究方向?yàn)樽灾鲗?dǎo)航與組合導(dǎo)航。

E-mail：lichonghui6501@126.com