天文航姿測(cè)量系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

牛雷

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125001）

0 引言

天文導(dǎo)航技術(shù)是一門(mén)既古老又精確的導(dǎo)航方法，起源于航海，發(fā)展于航空，輝煌于航天。天文鐘和航海六分儀的相繼研制成功、天文等高線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)，使天文導(dǎo)航成為了一種科學(xué)的、常用的導(dǎo)航手段。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，電荷耦合器件和電荷注入器件的成熟應(yīng)用，星光導(dǎo)航儀、星體跟蹤器等高精度天文導(dǎo)航系統(tǒng)使得天文導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。同時(shí)，天文導(dǎo)航還成為現(xiàn)代組合導(dǎo)航系統(tǒng)中一種主要的定位定向基準(zhǔn)，一種主要的輔助導(dǎo)航手段。因此，天文導(dǎo)航在戰(zhàn)爭(zhēng)條件下將是一種難得的精確導(dǎo)航和綜合校準(zhǔn)手段。

本文介紹的天文航姿測(cè)量系統(tǒng)主要是在已知時(shí)間及準(zhǔn)確位置信息的情況下，利用慣導(dǎo)平臺(tái)姿態(tài)信息及航向信息，精確地進(jìn)行姿態(tài)解算及航向解算，從而達(dá)到對(duì)慣導(dǎo)漂移進(jìn)行校正，提高導(dǎo)航精度的目的。

1 系統(tǒng)的原理、組成及功能

1.1 天文定位原理

天文定位的方法可能有多種，但最基本、最直觀的是高度差法。其他的方法必須與高度差的理論相符合，經(jīng)得起高度差法的檢驗(yàn)。

a.高度差法兩星定位公式

雙天體定位是同時(shí)選取兩個(gè)天體（兩天休方位夾角在30°～150°之間），觀測(cè)兩個(gè)天體高度h1、h2，獲得兩條規(guī)位線(xiàn)L1、L2，其兩條艦位線(xiàn)相交于一點(diǎn)M（真實(shí)艦位）。用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出艦位修正量Δφ、Δλ，然后與初始艦位C點(diǎn)座標(biāo)值（φ、λ）相加減得到真實(shí)艦位點(diǎn)M。

圖1 兩星定位原理圖

由圖1可知兩條艦位線(xiàn)的方程式分別為：

式中，Δφ，Δω分別為緯度和東西距，Δω= Δλcosφ0；

AC1，AC2為兩天體的計(jì)算方位；

Δh1，Δh2為兩天體的真實(shí)高度和計(jì)算高度之差。

經(jīng)推導(dǎo)得兩星定位公式：

b.三星定位公式

經(jīng)推導(dǎo)可得三星定位的公式為：

1.2 天文定向原理

天文定向前，必須獲得精確艦位，否則艦位誤差將帶來(lái)定向誤差。

已知觀測(cè)時(shí)刻t0，精確艦位λ0、φ0，根據(jù)天體對(duì)測(cè)者的地方時(shí)角和天體的地平方位角公式有：

所以，

根據(jù)tgA0的分子、分母的正負(fù)判斷象限，即可求得星體精確方位A0。

則觀測(cè)瞬間的真航向K0即為：

式中，qL為觀測(cè)瞬間星體的舷角。

這就是天文定航向原理。

根據(jù)天文定位誤差和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)提供的航向、姿態(tài)角信息，即可得到慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的水平姿態(tài)誤差：

1.3 天文航姿測(cè)量系統(tǒng)組成

天文航姿測(cè)量系統(tǒng)由天文測(cè)量設(shè)備主體和控制機(jī)柜兩大部分組成。

天文測(cè)量設(shè)備主體主要由俯仰和方位軸系、測(cè)角傳感器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)、晝夜測(cè)星通道和目標(biāo)觀測(cè)通道等組成。控制機(jī)柜由伺服控制分系統(tǒng)、電視測(cè)量分系統(tǒng)、視頻監(jiān)控分系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)、時(shí)統(tǒng)分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信分系統(tǒng)、數(shù)據(jù)錄取處理分系統(tǒng)、操縱控制分系統(tǒng)等組成。

1.4 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)具有晝夜觀測(cè)恒星的能力；通過(guò)測(cè)量恒星的舷角和甲板高度角解算出慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的航向誤差，同時(shí)對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的水平姿態(tài)誤差進(jìn)行考核；為慣性導(dǎo)航系統(tǒng)綜合校準(zhǔn)提供艦船航向基準(zhǔn)信息。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

2.1 天文測(cè)量設(shè)備主體

天文測(cè)量設(shè)備主體由高度和方位軸系、測(cè)角傳感器、晝夜測(cè)星和目標(biāo)觀測(cè)通道、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)等組成。

天文測(cè)量設(shè)備主體露天工作，俯仰軸系、方位軸系通過(guò)密封環(huán)節(jié)嚴(yán)格水密，密封環(huán)節(jié)采用O形密封圈設(shè)計(jì)；方位軸上設(shè)置導(dǎo)電滑環(huán)；方位座內(nèi)部設(shè)計(jì)有電纜連接通道，晝夜測(cè)星和目標(biāo)觀測(cè)單元的所有電氣走線(xiàn)均通過(guò)該通道，與外部電氣控制機(jī)柜連接，連接的電纜插座設(shè)置在方位座底部，方便安裝和維修；設(shè)置專(zhuān)用的水平基準(zhǔn)面和方位基準(zhǔn)鏡，便于設(shè)備在艦船安裝標(biāo)校。

2.2 晝夜測(cè)星光學(xué)系統(tǒng)

根據(jù)天文經(jīng)緯儀研制合同中白天檢測(cè)+3.0等星和夜間測(cè)+4.0等星要求，晝夜測(cè)星光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)具有較好地抑制白天背景光和增強(qiáng)星光信號(hào)的能力，采用折反射光路進(jìn)行設(shè)計(jì)以減小經(jīng)緯儀體積。

根據(jù)星光和 CCD傳感器光譜敏感特性，設(shè)計(jì)濾光片，提高星光與背景光的光學(xué)對(duì)比度。

晝夜測(cè)星光學(xué)系統(tǒng)由保護(hù)玻璃窗口、遮光罩、主、副反射鏡等組成。

白天測(cè)星能力與光學(xué)系統(tǒng)的口徑焦距比有較大關(guān)系，長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)有利于抑制背景光強(qiáng)度，有利于提高測(cè)星等級(jí)，為了滿(mǎn)足白天檢測(cè)+3等星的技術(shù)指標(biāo)要求，晝夜測(cè)星光學(xué)系統(tǒng)焦距設(shè)計(jì)為2500 mm。

在晝夜測(cè)星光機(jī)組件中，采用遮光罩減少外部雜光進(jìn)入；在光路中設(shè)置消雜光光柵，主鏡筒壁采用消雜光設(shè)計(jì)，對(duì)鏡筒內(nèi)壁進(jìn)行消光處理。

在晝夜測(cè)星光學(xué)系統(tǒng)的焦面上安裝高靈敏度的CCD攝像機(jī)。在測(cè)星CCD靶面前方設(shè)計(jì)有強(qiáng)光保護(hù)機(jī)構(gòu)，當(dāng)視場(chǎng)中出現(xiàn)太陽(yáng)或強(qiáng)光時(shí)，強(qiáng)光保護(hù)機(jī)構(gòu)控制電機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)遮光板擋住 CCD，保護(hù) CCD靶面不受灼傷。根據(jù)星光和白天天空背景光特點(diǎn)設(shè)計(jì)濾光鏡。

2.3 目標(biāo)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)

目標(biāo)測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)由保護(hù)玻璃窗口、透鏡組和太陽(yáng)濾光鏡、斜平板、自準(zhǔn)直分劃板和光源等組成。目標(biāo)觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)主要完成觀測(cè)太陽(yáng)進(jìn)行定向，其次利用該通道完成對(duì)目標(biāo)跟蹤與觀測(cè)，在光路中增加光源和自準(zhǔn)直分劃板等部分，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速標(biāo)校功能。

目標(biāo)觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)的光軸和晝夜測(cè)星光學(xué)系統(tǒng)光軸為平行設(shè)計(jì)，白天測(cè)量太陽(yáng)解算航向時(shí)切入濾光片Ⅰ，目標(biāo)跟蹤時(shí)，切入濾光片Ⅱ，夜間工作時(shí)切入濾光片Ⅲ。

自準(zhǔn)直光源和分劃板設(shè)置為系統(tǒng)快速標(biāo)校提供手段，方位標(biāo)校時(shí)自準(zhǔn)直光源打開(kāi)，分劃標(biāo)線(xiàn)引出，經(jīng)五角棱鏡后由方位基準(zhǔn)鏡反射，成像在CCD靶面上，由圖像檢測(cè)模塊直接測(cè)出方位零值；正常測(cè)太陽(yáng)或跟蹤目標(biāo)時(shí)關(guān)閉分劃板光源，太陽(yáng)（或目標(biāo)）圖像直接成像在CCD靶面上。

2.4 伺服控制分系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)采用全數(shù)字控制，數(shù)引隨動(dòng)跟蹤。數(shù)字控制器采用PCI04嵌入式工控計(jì)算機(jī)完成，速度和位置反饋采用角編碼器，功率級(jí)采用上下臂同時(shí)控制H橋式功率級(jí)，執(zhí)行電機(jī)采用直流力矩電機(jī)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

主要任務(wù)是由計(jì)算機(jī)控制驅(qū)動(dòng)天文經(jīng)緯儀實(shí)現(xiàn)方位和俯仰回轉(zhuǎn)，自動(dòng)跟蹤船體搖擺瞄準(zhǔn)星體，自動(dòng)換星，使星體在視場(chǎng)內(nèi)完成預(yù)定的測(cè)量動(dòng)作，其工作方式包括：

尋星：當(dāng)星體資料和時(shí)間參數(shù)給定后，通過(guò)軟件啟動(dòng)伺服控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)天文經(jīng)緯儀捕獲星體。

測(cè)量：星體捕獲后，電視測(cè)量系統(tǒng)接受指令開(kāi)始測(cè)量，通過(guò)電視處理器計(jì)算天體的脫靶量等參數(shù)，給出天體的甲板高度角和舷角。

換星：在進(jìn)行雙星定位或三星定位時(shí)，完成第一顆星的測(cè)量后，按照預(yù)定的測(cè)量順序驅(qū)動(dòng)天文經(jīng)緯儀自動(dòng)尋找需要測(cè)量的第二顆星。這樣直至測(cè)量完畢，計(jì)算完成后輸出測(cè)量結(jié)果，等待下一次測(cè)量指令。

2.5 電視測(cè)量分系統(tǒng)

由望遠(yuǎn)鏡、圖像傳感器、電視處理器三部分組成。

望遠(yuǎn)鏡：光學(xué)系統(tǒng)采用透射式結(jié)構(gòu)，具有自動(dòng)調(diào)光、調(diào)焦功能，可根據(jù)目標(biāo)的距離和光強(qiáng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)光、調(diào)焦，使CCD探測(cè)器得到清晰圖像。

圖像傳感器：由圖像接收器、圖像驅(qū)動(dòng)器和圖像信號(hào)處理器三部分組成。光學(xué)圖像經(jīng)圖像傳感器電荷耦合后轉(zhuǎn)換成模擬視頻信號(hào)，經(jīng)并行A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像信號(hào)，分為兩路輸出：一路由 AD7127轉(zhuǎn)換成SVGA信號(hào)，作為視頻輸出，用于系統(tǒng)工作監(jiān)視。一路經(jīng)圖像傳感器輸出傳送給圖像處理器。如圖3所示。

圖3 圖像傳感器

電視處理器：根據(jù)使用環(huán)境的要求實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤和測(cè)量，使用全數(shù)字化超高速數(shù)字處理器，通過(guò)并行處理技術(shù)滿(mǎn)足系統(tǒng)總體要求。由于被跟蹤測(cè)量的目標(biāo)小，而且無(wú)動(dòng)力，基本為暗目標(biāo)，而且目標(biāo)與背景的對(duì)比度較小，為了實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)提取，采用數(shù)字圖象處理，增強(qiáng)目標(biāo)與背景的對(duì)比度，對(duì)小目標(biāo)增大，可變帶通濾波器等技術(shù)。電視跟蹤器采用了先進(jìn)的預(yù)處理電路、高速A／D數(shù)據(jù)采集以及高速信號(hào)處理器和相應(yīng)的數(shù)字視頻信號(hào)處理軟件。

2.6 主控計(jì)算機(jī)

主控計(jì)算機(jī)主要完成與經(jīng)緯儀通信系統(tǒng)、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的通信?？刂朴?jì)算機(jī)對(duì)外接口邏輯框圖如圖4所示。

圖4 控制計(jì)算機(jī)對(duì)外接口邏輯框圖

以50Hz頻率并行采集慣性導(dǎo)航系統(tǒng)姿態(tài)數(shù)據(jù)，采集經(jīng)緯儀通信管理系統(tǒng)發(fā)送的經(jīng)緯儀實(shí)測(cè)信息，同時(shí)將引導(dǎo)信息發(fā)送到經(jīng)緯儀通信管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)緯儀的引導(dǎo)?？刂朴?jì)算機(jī)與B碼時(shí)統(tǒng)通信采用I/O讀寫(xiě)方式讀取時(shí)間碼，向時(shí)統(tǒng)卡發(fā)送工作狀態(tài)?？刂朴?jì)算機(jī)將實(shí)時(shí)解算的航向偏差輸出到數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

采用最小二乘法進(jìn)行船體速度位置預(yù)測(cè)，進(jìn)行大地坐標(biāo)系到甲板坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換和前饋處理，形成測(cè)量系統(tǒng)的引導(dǎo)值，實(shí)現(xiàn)在無(wú)機(jī)械穩(wěn)定平臺(tái)下的星體跟蹤測(cè)量。

2.7 軟件方案計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中，在同時(shí)兼顧數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的情況下，合理設(shè)計(jì)各軟件模塊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，選取合理的數(shù)據(jù)處理算法，充分發(fā)揮現(xiàn)有的硬件資源，滿(mǎn)足各項(xiàng)功能和性能上的要求。

程序采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，動(dòng)態(tài)地加載和釋放各個(gè)功能模塊，實(shí)現(xiàn)各功能模塊的分時(shí)運(yùn)行；程序主要包括三個(gè)一級(jí)模塊和六個(gè)二級(jí)模塊，各模塊采用不同優(yōu)先級(jí)的多線(xiàn)程工作方式，可對(duì)各事件、中斷做出快速響應(yīng)；采用面向?qū)ο蟮脑O(shè)計(jì)思想，將整個(gè)軟件分成不同層次結(jié)構(gòu)的模塊，以利于減少軟件開(kāi)發(fā)的工作量，便于多人協(xié)同編程、調(diào)試、排錯(cuò)和修改，同時(shí)可以降低系統(tǒng)的維護(hù)成本，提高軟件的可靠性與可維護(hù)性。計(jì)算機(jī)主控軟件總體流程框圖如圖5所示。

圖5 計(jì)算機(jī)主控軟件總體流程框圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

試驗(yàn)驗(yàn)證方案采用靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行，靜態(tài)試驗(yàn)主要考核檢測(cè)單元對(duì)目標(biāo)方位角和高度角測(cè)量精度。動(dòng)態(tài)試驗(yàn)主要考核檢測(cè)單元在接近艦船實(shí)際搖擺狀態(tài)下對(duì)目標(biāo)的跟蹤和測(cè)量精度。

3.1 靜態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

系統(tǒng)星體檢測(cè)單元接收授時(shí)型 GPS提供的時(shí)間和位置信息，在靜態(tài)情況下進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后，將系統(tǒng)記錄的一次差數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，得到試驗(yàn)數(shù)據(jù)為白天測(cè)量太陽(yáng)和恒星所得到的地平方位角誤差和地平高度角誤差曲線(xiàn)，如圖6所示。

圖6 白天測(cè)量天體誤差曲線(xiàn)

從以上數(shù)據(jù)處理結(jié)果可以看出，在靜態(tài)情況下，星體檢測(cè)單元所得的方位角誤差和高度角誤差比較穩(wěn)定，由于檢測(cè)單元安裝標(biāo)校存在一定的誤差，特別是方位對(duì)準(zhǔn)誤差將直接影響方位角測(cè)量精度，同時(shí)由于測(cè)角元件存在5"左右的誤差，在扣除上述兩種影響因素后，星體檢測(cè)單元具有很高的測(cè)量精度。

3.2 動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

搖擺臺(tái)和系統(tǒng)檢測(cè)單元同時(shí)開(kāi)機(jī)，系統(tǒng)測(cè)量設(shè)備實(shí)時(shí)錄取搖擺臺(tái)提供的搖擺角信息和授時(shí)型GPS提供的時(shí)間和位置信息，通過(guò)天文解算得到航向和姿態(tài)誤差信息，得到系統(tǒng)一次差。試驗(yàn)結(jié)束后，將系統(tǒng)記錄的一次差數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理，試驗(yàn)數(shù)據(jù)為夜間測(cè)量星體模擬裝置得到系統(tǒng)的航向和水平姿態(tài)誤差，誤差曲線(xiàn)如圖7所示。

將系統(tǒng)記錄的夜間測(cè)星定向的航向角一次差數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理后得到：；

將系統(tǒng)記錄的夜間測(cè)星定姿的縱搖角一次差數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理后得到：；

將系統(tǒng)記錄的夜間測(cè)星定姿的橫搖角一次差數(shù)據(jù)進(jìn)行事后處理后得到：。

圖7 夜間測(cè)星定向定姿誤差曲線(xiàn)

從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，在動(dòng)態(tài)測(cè)量的情況下，系統(tǒng)的航向和水平姿態(tài)誤差比較穩(wěn)定，由于星體檢測(cè)單元測(cè)角元件存在 5"左右的誤差，三軸模擬試驗(yàn)臺(tái)軸角輸出具有一定的誤差，可以認(rèn)為測(cè)量誤差主要是由于測(cè)角元件和三軸轉(zhuǎn)臺(tái)軸角輸出引起的，星體檢測(cè)單元本身具有很高的測(cè)量精度，滿(mǎn)足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)論述了天文航姿測(cè)量系統(tǒng)的工作原理和單機(jī)分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，最后進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證及試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析。試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)完全滿(mǎn)足船用慣導(dǎo)系統(tǒng)試驗(yàn)使用要求，具有精度高，數(shù)據(jù)自動(dòng)化處理，測(cè)量手段靈活，使用范圍廣泛等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]袁信,俞濟(jì)祥,陳哲.導(dǎo)航系統(tǒng)[M].北京:航空工業(yè)出版社,1993.

[2]郭敬樞,莊繼東,孔峰.微機(jī)控制技術(shù)[M].重慶:重慶大學(xué)出版社,2001.

[3]申功勛,孫建峰.信息融合理論[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998.

[4]張?jiān)莆?現(xiàn)代圖像元器件及設(shè)備指南[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1999.