基于魚眼相機的艦船天文導航技術研究

李崇輝

信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001

基于魚眼相機的艦船天文導航技術研究

李崇輝

信息工程大學導航與空天目標工程學院，河南 鄭州 450001

天文導航是一種重要的自主導航技術，本文針對目前艦船天文導航存在的問題，提出了采用魚眼相機同時對天體和水天線成像實現(xiàn)艦船天文導航的理論方法。研究了基于魚眼相機的艦船天文導航原理和流程，并針對星圖獲取、星點提取、水天線提取、水天線擬合、星圖識別、導航定位解算等天文導航過程中的各個技術環(huán)節(jié)展開了研究。試驗結果表明：利用10幅星圖進行天文導航定位耗時約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，說明基于魚眼相機的艦船天文導航方法在效率、精度、自動化程度、可用性等方面取得了重要突破。論文的主要研究內容和創(chuàng)新點如下：

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

(2) 天文導航需要精確的水平基準。通過慣性平臺提供艦船姿態(tài)參數(shù)存在設備復雜、難以集成的問題；通過傾角傳感器等外部設備來確定水平基準存在精度低、響應速度慢、難以標校等問題；通過六分儀觀測水天線來確定水平基準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對水天線成像，進而通過擬合水天線的圖像坐標來確定水平基準的方法，該方法無需外部設備支持，且水平基準確定精度達到了37.2″。

(3) 提出了艦載魚眼相機的星圖識別方法，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導航失鎖等缺乏先驗信息條件下的全天區(qū)星圖識別問題，識別正確率達到了98%，跟蹤模式實現(xiàn)了在艦船航行過程中快速準確識別恒星目標。

(4) 深入研究了多星天文定位算法。首先推導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天文定位精度可提高2～3倍。

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

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.基于魚眼相機的艦船天文導航技術研究[J].測繪學報，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，獲工學博士學位(指導教師：鄭勇教授)，研究方向為自主導航與組合導航。

E-mail：lichonghui6501@126.com