唐 君 鄭振宇 李 偉

（海軍大連艦艇學(xué)院航海系 大連 116018）

1 引言

船用星敏感器工作于大氣層內(nèi)，星空受云層分布情況影響較大，星敏感器需要具有大天區(qū)覆蓋能力，以保證視場(chǎng)內(nèi)有足夠數(shù)量的星體。同時(shí)，船用星敏感器工作于海平面環(huán)境下，受到大氣折光、背景雜光、塵埃顆粒以及船體自身的搖蕩震動(dòng)影響，所獲取的星空?qǐng)D像質(zhì)量遠(yuǎn)不如航天飛行器上的星敏感器，大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)會(huì)使單個(gè)像素對(duì)應(yīng)的空間角分辨率大大降低，不利于獲得高精度的星象質(zhì)心坐標(biāo)，因此需要減小視場(chǎng)提高精度。高精度要求采用的小視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與前面所提的大天區(qū)覆蓋需求產(chǎn)生了尖銳矛盾，是船用星敏感器技術(shù)研究中亟待解決的問題。針對(duì)以上問題，提出一種雙通道結(jié)構(gòu)的捷聯(lián)式船用星敏感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路，通過小視場(chǎng)拼接技術(shù)既保證了大天區(qū)覆蓋能力，又兼顧了小視場(chǎng)的高分辨率要求。

2 雙通道觀測(cè)方案

雙通道船用星敏感器的觀測(cè)單元由兩個(gè)各自獨(dú)立的光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)參數(shù)由兩觀測(cè)通道的空間變換矩陣［1］嚴(yán)格確定。為保證船用星敏感器海上工作環(huán)境下全時(shí)無遮擋觀測(cè)，設(shè)計(jì)上通道光軸（z軸）指向天頂附近。由于低高度天體觀測(cè)大氣折光影響的不確定性，并且兼顧兩通道大夾角分布的觀測(cè)需求，采用上、側(cè)兩通道成70°的夾角的設(shè)計(jì)方案。

如圖1所示，o-xyz為上通道像空間坐標(biāo)系，o-XYZ為側(cè)通道像空間坐標(biāo)系。假設(shè)在側(cè)通道的視場(chǎng)內(nèi)有一星體S，在側(cè)通道像平面上的投影為s，該星體在側(cè)通道像空間坐標(biāo)系中可表示為(Xc，Yc，-f)。雙通道一經(jīng)安裝固定后，通過光學(xué)系統(tǒng)高精度標(biāo)定方法［2］，兩個(gè)通道像空間坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣Rcs可以嚴(yán)格確定，星體S在上通道像空間坐標(biāo)系中的矢量可表示為

因此，通過空間坐標(biāo)矩陣變換的方法，可以將兩個(gè)相互獨(dú)立的小視場(chǎng)捕獲的全部星體信標(biāo)，轉(zhuǎn)換融合在一個(gè)虛擬的大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)中成像［3］，并將它們的像空間坐標(biāo)作為觀測(cè)數(shù)據(jù)一同進(jìn)行后續(xù)的導(dǎo)航計(jì)算。該方法不僅保證了小視場(chǎng)觀測(cè)的高分辨率，而且多視場(chǎng)組合拓展了天區(qū)覆蓋范圍，攝取的星體數(shù)量得到了保證，對(duì)提高導(dǎo)航解算精度產(chǎn)生了顯著的效果。

圖1 雙通道觀測(cè)方案圖

3 雙通道星敏感器的工作流程

船用雙通道星敏感器的工作流程如圖2所示：

1）初始化

雙通道星敏感器的初始化過程主要進(jìn)行的工作是啟動(dòng)GPS和載入星庫(kù)。通過GPS提供的觀測(cè)點(diǎn)地理坐標(biāo)和觀測(cè)時(shí)間，可以計(jì)算確定測(cè)站天頂赤道坐標(biāo)。艦艇的搖擺幅度具有一定范圍，對(duì)于中型以上艦艇，在大多數(shù)海況下，震蕩幅度不大于10°。因此，以天頂?shù)某嗟雷鴺?biāo)代替上通道光軸的赤道坐標(biāo)作為依據(jù)載入10°天區(qū)范圍的星庫(kù)；基于側(cè)通道與上通道的夾角關(guān)系，側(cè)通道光軸的概略赤道坐標(biāo)也可以確定，作為根據(jù)載入側(cè)通道10°天區(qū)范圍的星庫(kù)，至此，系統(tǒng)初始化結(jié)束。

2）采集星圖并處理

該步驟主要完成星敏感器觀測(cè)數(shù)據(jù)的獲取和處理。首先，星敏感器的兩個(gè)通道嚴(yán)格在同一時(shí)刻各自攝取一幀星圖。然后，對(duì)兩幀星圖進(jìn)行圖像處理，分別得到星像點(diǎn)在各自像平面上的質(zhì)心坐標(biāo)。

圖2 雙通道船用星敏感器工作流程圖

3）像空間坐標(biāo)轉(zhuǎn)換

該步驟主要完成兩項(xiàng)工作，一是將兩個(gè)通道的星像平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為各自的像空間坐標(biāo)；二是將側(cè)通道星像的像空間坐標(biāo)通過轉(zhuǎn)換矩陣Rcs，轉(zhuǎn)換成上通道像空間坐標(biāo)系中的坐標(biāo)，并與上通道星像的像空間坐標(biāo)一起保存在二維數(shù)組中。

4）星體辨識(shí)［4］

該步驟承接于步驟2），以上通道為例，根據(jù)已獲取的星像間的坐標(biāo)關(guān)系，構(gòu)造星像三角形，并在步驟1）預(yù)先載入的星庫(kù)中進(jìn)行查找比對(duì)，得到導(dǎo)航星的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)星像的識(shí)別。側(cè)通道與上通道識(shí)別過程相同，當(dāng)星像識(shí)別成功后，在星庫(kù)中獲得該星體的赤道坐標(biāo)。

5）視位置計(jì)算［5］

對(duì)于成功識(shí)別的星體，獲取的赤道坐標(biāo)是該星體的年中平位置（構(gòu)造星庫(kù)時(shí)已經(jīng)完成由星表歷元平位置到年中平位置的轉(zhuǎn)化），為獲得艦船載體觀測(cè)瞬時(shí)的姿態(tài)，必須進(jìn)行年中平位置到觀測(cè)歷元視位置的轉(zhuǎn)換。視位置計(jì)算的主要內(nèi)容是：計(jì)算恒星的赤經(jīng)自行和赤緯自行，修正歲差對(duì)恒星赤經(jīng)赤緯的影響，修正章動(dòng)對(duì)恒星赤經(jīng)赤緯的影響，修正周年光行差對(duì)恒星赤經(jīng)赤緯的影響。通過視位置計(jì)算對(duì)星體的赤道坐標(biāo)進(jìn)行精確修正后，再經(jīng)轉(zhuǎn)換矩陣RH，就可以得到星體的站心地平坐標(biāo)［6］。

6）姿態(tài)計(jì)算

基于步驟3）和步驟5）中獲得的觀測(cè)時(shí)刻的星體像空間坐標(biāo)和星體站心地平坐標(biāo)，通過求解姿態(tài)矩陣［7］RC，星敏感器就實(shí)現(xiàn)了載體的三軸姿態(tài)測(cè)量。如式（2）所示，H為航向角，P為縱搖角，R為橫搖角［8］。

4 船用星敏感器的硬件構(gòu)建

星敏感器硬件主要由如下幾部分組成：光學(xué)鏡頭（兩個(gè)），CCD及控制器（兩套），嵌入式計(jì)算機(jī)，即PCC-3790工控主板（一塊），DH-VT111視頻采集卡（兩塊），電源（一個(gè)），3.5寸觸摸顯示屏（一個(gè)）。其中鏡頭和CCD（包括控制器）構(gòu)成了星敏感器的光學(xué)系統(tǒng)［9］，它們的選擇合適與否，直接關(guān)系到星體成像質(zhì)量的優(yōu)劣，進(jìn)而影響到姿態(tài)計(jì)算的精度。

1）鏡頭

星敏感器采用鏡頭的焦距為160mm，最大相對(duì)孔徑為1：1.6，視場(chǎng)角為2.9°。其相對(duì)孔徑、視場(chǎng)角等參數(shù)可以滿足星敏感器高分辨率指標(biāo)的要求，為最終姿態(tài)計(jì)算精度提供保證。

2）CCD（Charge Coupled Device，電荷耦合器件）

CCD是Charge Coupled Device（電荷耦合器件）的縮寫，它是一種半導(dǎo)體光電信號(hào)轉(zhuǎn)換器件，具有靈敏度高、抗強(qiáng)光、畸變小、體積小、壽命長(zhǎng)、抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)［10］。星敏感器選取CCD的面陣尺寸為6.4×4.8（mm），有效像素為44萬，最低照度＜0.0001Lux，信噪比為52dB，工作電壓為12 V。

3）PCC-3790嵌入式工控主板

為減少星敏感器的體積，使設(shè)備更加小型化、一體化，采用PCC-3790嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)主板對(duì)星敏感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與解算，如圖3所示。PCC-3790是一款在90mm×110mm尺寸上開發(fā)出來的P4級(jí)全功能嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)主板，該款主板采用低功耗Intel Atom N450微處理器及ICH8M集成芯片組，“凌動(dòng)”Atom P4處理器主頻達(dá)1.6G，可完全滿足高端工業(yè)智能設(shè)備的高速運(yùn)算需求。在擴(kuò)展型PCI∕104尺寸主板上板載1G DDRII內(nèi)存，徹底解決了內(nèi)存插件不良的系統(tǒng)隱患［11］。板載CF卡座，方便搭建無盤工作系統(tǒng)。

由于采用英特爾超低功耗嵌入式芯片，P4級(jí)高性能的PCC-3790整板最大功耗僅15W，采用獨(dú)特的被動(dòng)散熱系統(tǒng)，無需風(fēng)扇。主板集成度高、體積小、功能齊全、低功耗，最為適合應(yīng)用于各種嵌入式智能設(shè)備中。

圖3 PCC-3790工控主板實(shí)物圖

4）DH-VT111視頻采集卡

星敏感器采用兩塊大恒圖像公司生產(chǎn)的DH-VT111視頻采集卡作為圖像采集設(shè)備（DH-VT111支持1路復(fù)合視頻輸入輸出，所以選用兩塊采集卡以滿足雙通道的觀測(cè)要求）。DH-VT111是基于PC∕104-PLUS總線的高性能圖像采集卡，可進(jìn)行高質(zhì)量彩色∕黑白圖像的實(shí)時(shí)采集。DH-VT111可將輸入的彩色或黑白視頻信號(hào)，經(jīng)數(shù)字解碼器、模∕數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比例縮放、裁剪、采集、色空變換等處理，通過PCI總線傳送到VGA卡上實(shí)時(shí)顯示或傳送到計(jì)算機(jī)內(nèi)存中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。視頻數(shù)據(jù)的傳送過程是由DH-VT111來控制的，無需CPU參與，傳輸速度可達(dá)40MB∕s，采集卡實(shí)物照片如圖4所示。

圖4 DH-VT111視頻采集卡實(shí)物圖

5 結(jié)語(yǔ)

論文提出的雙通道船用星敏感器設(shè)計(jì)與構(gòu)建方案，為動(dòng)態(tài)條件下高精度艦船姿態(tài)測(cè)量、艦面設(shè)備基準(zhǔn)檢測(cè)、以及艦船天文導(dǎo)航提供了一種新方法［12］。系統(tǒng)主要由兩套小視場(chǎng)光學(xué)傳感器與嵌入式工控主機(jī)構(gòu)成，無需造價(jià)昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的硬件支撐，具有較高的應(yīng)用價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益。但是由于硬件小型化集成度高，在處理速度方面受到了限制，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方面也存在進(jìn)一步優(yōu)化的空間。