用于無(wú)人值守的火箭瞄準(zhǔn)目視圖像的傳遞系統(tǒng)

范毅 袁繼荷 王一兵

（1.北京航天發(fā)射技術(shù)研究所，北京 100000；2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100000）

0.引言

運(yùn)載火箭地面瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的作用是通過(guò)精確測(cè)量獲得慣性器件的方位敏感軸與射向的偏差角，從而保證火箭初始方位精度[1]。運(yùn)載火箭在起飛前通過(guò)地面瞄準(zhǔn)箭上慣性器件的目標(biāo)棱鏡確定火箭起飛初始方位。

在以往的瞄準(zhǔn)操作過(guò)程中，操作人員在瞄準(zhǔn)間就近觀察瞄準(zhǔn)儀目視情況從而操作設(shè)備對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并在火箭加注過(guò)程中不斷監(jiān)視、跟蹤目標(biāo)變化情況。但隨著運(yùn)載火箭系統(tǒng)無(wú)人值守操作和多地點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同控制的需求[2]，原有的操作方式已不符合運(yùn)載火箭系統(tǒng)可靠、安全的發(fā)展方向。本文提出一套自住可控的采集、傳遞系統(tǒng)，通過(guò)采集瞄準(zhǔn)儀目視圖像信息，經(jīng)過(guò)一系列的信息傳遞方式，以經(jīng)濟(jì)、可靠的工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視功能。瞄準(zhǔn)儀目視圖像的傳遞系統(tǒng)具有設(shè)備組成簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，在工作環(huán)境和工作時(shí)間上更有優(yōu)勢(shì)，符合運(yùn)載火箭無(wú)人值守瞄準(zhǔn)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.技術(shù)方案

火箭瞄準(zhǔn)目視圖像是由位于電控瞄準(zhǔn)儀的CMOS相機(jī)進(jìn)行采集。通常用瞄準(zhǔn)儀照準(zhǔn)預(yù)先設(shè)定的標(biāo)志物，以此來(lái)確定和傳遞真北方向[3]。目視圖像的傳遞系統(tǒng)主要由電控瞄準(zhǔn)儀、光端機(jī)（含發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）、瞄準(zhǔn)控制器和顯示器組成，如圖1所示。

圖 1 瞄準(zhǔn)儀目視圖像的傳遞系統(tǒng)示意圖

系統(tǒng)按設(shè)備使用位置分為前端設(shè)備和后端設(shè)備，前端設(shè)備在火箭臍帶塔架設(shè)，如圖2所示，后端設(shè)備安裝于發(fā)射指揮大廳，通過(guò)光纖傳遞視頻信號(hào)并將前、后端設(shè)備連接。

圖 2 前端瞄準(zhǔn)設(shè)備瞄準(zhǔn)示意圖

在火箭加注前，操作人員在火箭臍帶塔利用視頻顯示操作瞄準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)火箭目標(biāo)棱鏡，確定運(yùn)載火箭的初始方位。在火箭加注過(guò)程中和加注后操作人員在指揮大廳利用后端視頻遠(yuǎn)控操作瞄準(zhǔn)儀對(duì)準(zhǔn)火箭目標(biāo)棱鏡，建立火箭初始方位。

2.詳細(xì)實(shí)施過(guò)程

圖像傳遞系統(tǒng)組成的電控瞄準(zhǔn)儀（含CMOS相機(jī)）、光端機(jī)（含發(fā)射機(jī)和接收機(jī)）、瞄準(zhǔn)控制器和顯示器電子元器件全部采用國(guó)產(chǎn)器件，軟件、硬件實(shí)現(xiàn)自主可控。

2.1 相機(jī)

圖像的傳遞系統(tǒng)主要由位于前端的電控瞄準(zhǔn)儀、發(fā)射機(jī)、瞄準(zhǔn)控制器、顯示器和位于后端的接收機(jī)、瞄準(zhǔn)控制器、顯示器組成。電控瞄準(zhǔn)儀相機(jī)在火箭臍帶塔采集目標(biāo)視頻圖像信息，視頻信號(hào)經(jīng)發(fā)射機(jī)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生兩路VGA視頻和一路光纖信號(hào)，兩路VGA視頻分別提供給前端視頻監(jiān)視器和瞄準(zhǔn)控制器用于顯示和信號(hào)處理，視頻光纖信號(hào)傳遞至后端接收機(jī)后產(chǎn)生兩路VGA視頻，用于后端視頻監(jiān)視器和瞄準(zhǔn)控制器進(jìn)行信號(hào)處理。瞄準(zhǔn)控制器顯示器用于瞄準(zhǔn)控制器運(yùn)行界面顯示，通過(guò)通用化設(shè)計(jì)，采取與視頻監(jiān)視器同一機(jī)型共同接收標(biāo)準(zhǔn)VGA視頻信號(hào)。

瞄準(zhǔn)儀圖像信息由位于望遠(yuǎn)鏡目鏡組后端的相機(jī)進(jìn)行采集，通過(guò)分光棱鏡使瞄準(zhǔn)儀同時(shí)滿足目視觀測(cè)和視頻采集。相機(jī)的核心器件為圖像傳感器，其性能決定著成像質(zhì)量的高低，從使用性能、成本、國(guó)產(chǎn)化等方面綜合考慮，選用國(guó)產(chǎn)上海格科微電子生產(chǎn)的高靈敏度CMOS圖像傳感器。

瞄準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上采用遠(yuǎn)心光路，其像方的入射角度接近于0°，小于傳感器CRA的9°，能夠滿足使用要求。

圖像處理電路通過(guò)I2C接口配置CMOS傳感器的工作參數(shù)，同時(shí)接收CMOS傳感器輸出的視頻信號(hào)，然后再對(duì)原始圖像進(jìn)行調(diào)節(jié)增強(qiáng)后，編碼輸出模擬視頻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)攝像功能。為了與圖像傳感器更好地配合，同時(shí)簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，選用富瀚微司生產(chǎn)的專用圖像處理器fh8536，內(nèi)部集成圖像處理器（ISP）和模擬視頻轉(zhuǎn)換器，最高支持1920×1080高清視頻。通過(guò)軟件調(diào)度圖像處理芯片內(nèi)部相應(yīng)的功能模塊實(shí)現(xiàn)圖像調(diào)節(jié)、自動(dòng)白平衡、自動(dòng)增益控制、自動(dòng)曝光控制、數(shù)字降噪、背景補(bǔ)償、色差校正等功能。如圖3所示。

圖3 相機(jī)模組原理組成框圖

相機(jī)安裝于瞄準(zhǔn)儀望遠(yuǎn)鏡的尾部，通過(guò)調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的調(diào)焦手輪使不同物距的外部景物均能夠聚焦成像于CMOS傳感器表面，達(dá)到清晰成像的目的。

2.2 光端機(jī)

光端機(jī)分為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)，采用MPEGⅡ圖像壓縮技術(shù)將圖像視頻壓縮成N×2Mbps的數(shù)據(jù)流直接通過(guò)光纖傳輸。由于采用了圖像壓縮技術(shù)，大大降低信號(hào)傳輸帶寬。

光端機(jī)由核心控制模塊FPGA、音頻采樣編解碼模塊、VGA分離模塊、VGA放大模塊、VGA A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、并串/串并轉(zhuǎn)換模塊、光纖調(diào)制收發(fā)模塊、電源控制模塊組成。

在光端機(jī)發(fā)射端，來(lái)自相機(jī)的視頻信號(hào)首先經(jīng)過(guò)發(fā)射板上的視頻濾波網(wǎng)絡(luò)去除噪聲干擾信號(hào)，然后對(duì)該視頻信號(hào)進(jìn)行視頻分離和視頻放大。視頻分離模塊得到視頻信號(hào)的行、場(chǎng)同步信號(hào)以及奇偶場(chǎng)信號(hào)、視頻鉗位等重要的視頻信息。接下來(lái)，對(duì)放大后的視頻信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字化的視頻信號(hào)送入系統(tǒng)主控核心FPGA中。與此同時(shí)，如果系統(tǒng)檢測(cè)到了有音頻信號(hào)的存在，則對(duì)其進(jìn)行音頻濾波、音頻數(shù)字化采樣以及音頻PCM編碼。經(jīng)過(guò)PCM編碼后的音頻信號(hào)，送入系統(tǒng)主控核心FPGA中。反向數(shù)據(jù)傳輸主要是485信號(hào)，該信號(hào)也送入到FPGA，系統(tǒng)主控核心FPGA對(duì)來(lái)自不同模塊的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信號(hào)整合，時(shí)分復(fù)用地將各個(gè)信號(hào)編碼成8位并行信號(hào)流送入到并串轉(zhuǎn)換模塊。信號(hào)流經(jīng)過(guò)并串轉(zhuǎn)換后變成高速的LVDS信號(hào)驅(qū)動(dòng)光纖收發(fā)模塊以波分復(fù)用的方式完成了電/光變化和光發(fā)射。在光端機(jī)的接收端，經(jīng)過(guò)以上的逆過(guò)程完成對(duì)原始信號(hào)的恢復(fù)。利用圖像壓縮技術(shù)大大降低信號(hào)傳輸帶寬，并且支持音頻雙向、數(shù)據(jù)雙向、開關(guān)量雙向、以太網(wǎng)等信號(hào)的并行傳輸，接線方便，即插即用。

FPGA芯片采用安路ELF2系列，ELF2器件系列建立在一個(gè)優(yōu)化的低功耗工藝基礎(chǔ)之上，并通過(guò)最低的成本實(shí)現(xiàn)較高的功能性。此外，系統(tǒng)核心控制器內(nèi)嵌RAM和FIFO等功能塊。

A/D采樣芯片采用云芯YA14D系列，采樣率最高可以達(dá)到250MSPS，滿足信號(hào)傳輸帶寬要求，ADC內(nèi)核采用多級(jí)、差分流水線架構(gòu)，并集成了輸出糾錯(cuò)邏輯。每個(gè)ADC均具有寬帶寬的輸入，支持用戶可選的各種輸入范圍；集成基準(zhǔn)電壓源簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)；占空比穩(wěn)定器可用來(lái)補(bǔ)償ADC時(shí)鐘占空比的波動(dòng)；使轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)越的性能。

D/A芯片采用無(wú)錫思泰迪半導(dǎo)體的SC7123系列芯片。SC7123是一個(gè)低成本、通用的三通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），它應(yīng)用于優(yōu)化視頻圖像。它主要包含了3個(gè)匹配的10位DAC，使用了先進(jìn)的、高速的、分段DAC結(jié)構(gòu)。

2.3 瞄準(zhǔn)控制器與顯示器

瞄準(zhǔn)控制器采用基于高性能雙龍芯3A3500 CPU+7A1000J橋片架構(gòu)的VPX主板，板卡設(shè)計(jì)均滿足VPX設(shè)計(jì)規(guī)范，具有良好的兼容性。

龍芯LS3A3500處理器擁有雙通道內(nèi)存控制器，外部掛載板貼DDR4內(nèi)存顆粒，實(shí)現(xiàn)共16GB的內(nèi)存，通過(guò)LS7A1000J中SATA2.0接口外接Mini SATA電子盤，實(shí)現(xiàn)1TB容量的存儲(chǔ)；通過(guò)國(guó)產(chǎn)網(wǎng)訊科技的WX1860芯片實(shí)現(xiàn)4路千兆網(wǎng)的功能；提供4路USB2.0接口功能，經(jīng)過(guò)防護(hù)電路后引至后出線。功能框圖如圖4所示。

圖4 瞄準(zhǔn)控制器功能框圖

瞄準(zhǔn)控制器運(yùn)行中標(biāo)麒麟操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)軟件集成內(nèi)核源碼樹，支持在國(guó)產(chǎn)化體系架構(gòu)下的驅(qū)動(dòng)軟件及應(yīng)用軟件開發(fā)。視頻流通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)入計(jì)算機(jī)后，被接收下來(lái)存儲(chǔ)在機(jī)械硬盤上，同時(shí)對(duì)視頻進(jìn)行頻協(xié)議解碼，解碼后通過(guò)VGA接口嵌入顯示到本地顯示屏的應(yīng)用程序內(nèi)。

顯示器液晶控制板采用紫光展銳顯控芯片，液晶屏采用京東方19寸TFT-LCD屏，視頻接口采用VGA格式。

3.實(shí)施效果

在以往的瞄準(zhǔn)操作過(guò)程中，操作人員在瞄準(zhǔn)間就近觀察瞄準(zhǔn)儀目視情況操作設(shè)備對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，并在火箭加注過(guò)程中不斷監(jiān)視、跟蹤目標(biāo)變化情況。但隨著運(yùn)載火箭系統(tǒng)無(wú)人值守操作和多地點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同控制的需求，原有的操作方式已不符合運(yùn)載火箭系統(tǒng)可靠、安全的發(fā)展方向。本文提出通過(guò)采集瞄準(zhǔn)儀目視圖像信息，經(jīng)過(guò)一系列的信息傳遞方式，以經(jīng)濟(jì)、可靠的工作模式實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的監(jiān)視功能。瞄準(zhǔn)儀目視圖像的傳遞系統(tǒng)具有設(shè)備組成簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)，實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中在工作環(huán)境和工作時(shí)間上更有優(yōu)勢(shì)。

4.結(jié)語(yǔ)

無(wú)人值守發(fā)射是航天發(fā)射技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，火箭瞄準(zhǔn)目視圖像的傳遞系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高、操作流程簡(jiǎn)化，可以滿足我國(guó)航天發(fā)射任務(wù)的應(yīng)用需求，為我國(guó)航天事業(yè)發(fā)展提供有力支撐。