雙通道船用星敏感器設計與構建?

唐 君 鄭振宇 李 偉

（海軍大連艦艇學院航海系 大連 116018）

1 引言

船用星敏感器工作于大氣層內，星空受云層分布情況影響較大，星敏感器需要具有大天區覆蓋能力，以保證視場內有足夠數量的星體。同時，船用星敏感器工作于海平面環境下，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影響，所獲取的星空圖像質量遠不如航天飛行器上的星敏感器，大視場光學系統結構會使單個像素對應的空間角分辨率大大降低，不利于獲得高精度的星象質心坐標，因此需要減小視場提高精度。高精度要求采用的小視場光學系統結構與前面所提的大天區覆蓋需求產生了尖銳矛盾，是船用星敏感器技術研究中亟待解決的問題。針對以上問題，提出一種雙通道結構的捷聯式船用星敏感器系統設計思路，通過小視場拼接技術既保證了大天區覆蓋能力，又兼顧了小視場的高分辨率要求。

2 雙通道觀測方案

雙通道船用星敏感器的觀測單元由兩個各自獨立的光學系統構成，其結構參數由兩觀測通道的空間變換矩陣［1］嚴格確定。為保證船用星敏感器海上工作環境下全時無遮擋觀測，設計上通道光軸（z軸）指向天頂附近。由于低高度天體觀測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需求，采用上、側兩通道成70°的夾角的設計方案。

如圖1所示，o-xyz為上通道像空間坐標系，o-XYZ為側通道像空間坐標系。假設在側通道的視場內有一星體S，在側通道像平面上的投影為s，該星體在側通道像空間坐標系中可表示為(Xc，Yc，-f)。雙通道一經安裝固定后，通過光學系統高精度標定方法［2］，兩個通道像空間坐標系的轉換矩陣Rcs可以嚴格確定，星體S在上通道像空間坐標系中的矢量可表示為

因此，通過空間坐標矩陣變換的方法，可以將兩個相互獨立的小視場捕獲的全部星體信標，轉換融合在一個虛擬的大視場光學系統中成像［3］，并將它們的像空間坐標作為觀測數據一同進行后續的導航計算。該方法不僅保證了小視場觀測的高分辨率，而且多視場組合拓展了天區覆蓋范圍，攝取的星體數量得到了保證，對提高導航解算精度產生了顯著的效果。

圖1 雙通道觀測方案圖

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行的工作是啟動GPS和載入星庫。通過GPS提供的觀測點地理坐標和觀測時間，可以計算確定測站天頂赤道坐標。艦艇的搖擺幅度具有一定范圍，對于中型以上艦艇，在大多數海況下，震蕩幅度不大于10°。因此，以天頂的赤道坐標代替上通道光軸的赤道坐標作為依據載入10°天區范圍的星庫；基于側通道與上通道的夾角關系，側通道光軸的概略赤道坐標也可以確定，作為根據載入側通道10°天區范圍的星庫，至此，系統初始化結束。

2）采集星圖并處理

該步驟主要完成星敏感器觀測數據的獲取和處理。首先，星敏感器的兩個通道嚴格在同一時刻各自攝取一幀星圖。然后，對兩幀星圖進行圖像處理，分別得到星像點在各自像平面上的質心坐標。

圖2 雙通道船用星敏感器工作流程圖

3）像空間坐標轉換

該步驟主要完成兩項工作，一是將兩個通道的星像平面坐標轉換為各自的像空間坐標；二是將側通道星像的像空間坐標通過轉換矩陣Rcs，轉換成上通道像空間坐標系中的坐標，并與上通道星像的像空間坐標一起保存在二維數組中。

4）星體辨識［4］

該步驟承接于步驟2），以上通道為例，根據已獲取的星像間的坐標關系，構造星像三角形，并在步驟1）預先載入的星庫中進行查找比對，得到導航星的相關信息，實現星像的識別。側通道與上通道識別過程相同，當星像識別成功后，在星庫中獲得該星體的赤道坐標。

5）視位置計算［5］

對于成功識別的星體，獲取的赤道坐標是該星體的年中平位置（構造星庫時已經完成由星表歷元平位置到年中平位置的轉化），為獲得艦船載體觀測瞬時的姿態，必須進行年中平位置到觀測歷元視位置的轉換。視位置計算的主要內容是：計算恒星的赤經自行和赤緯自行，修正歲差對恒星赤經赤緯的影響，修正章動對恒星赤經赤緯的影響，修正周年光行差對恒星赤經赤緯的影響。通過視位置計算對星體的赤道坐標進行精確修正后，再經轉換矩陣RH，就可以得到星體的站心地平坐標［6］。

6）姿態計算

基于步驟3）和步驟5）中獲得的觀測時刻的星體像空間坐標和星體站心地平坐標，通過求解姿態矩陣［7］RC，星敏感器就實現了載體的三軸姿態測量。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建

星敏感器硬件主要由如下幾部分組成：光學鏡頭（兩個），CCD及控制器（兩套），嵌入式計算機，即PCC-3790工控主板（一塊），DH-VT111視頻采集卡（兩塊），電源（一個），3.5寸觸摸顯示屏（一個）。其中鏡頭和CCD（包括控制器）構成了星敏感器的光學系統［9］，它們的選擇合適與否，直接關系到星體成像質量的優劣，進而影響到姿態計算的精度。

1）鏡頭

星敏感器采用鏡頭的焦距為160mm，最大相對孔徑為1：1.6，視場角為2.9°。其相對孔徑、視場角等參數可以滿足星敏感器高分辨率指標的要求，為最終姿態計算精度提供保證。

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，它是一種半導體光電信號轉換器件，具有靈敏度高、抗強光、畸變小、體積小、壽命長、抗震動等優點［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，使設備更加小型化、一體化，采用PCC-3790嵌入式工業計算機主板對星敏感器的數據進行處理與解算，如圖3所示。PCC-3790是一款在90mm×110mm尺寸上開發出來的P4級全功能嵌入式工業計算機主板，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”Atom P4處理器主頻達1.6G，可完全滿足高端工業智能設備的高速運算需求。在擴展型PCI∕104尺寸主板上板載1G DDRII內存，徹底解決了內存插件不良的系統隱患［11］。板載CF卡座，方便搭建無盤工作系統。

由于采用英特爾超低功耗嵌入式芯片，P4級高性能的PCC-3790整板最大功耗僅15W，采用獨特的被動散熱系統，無需風扇。主板集成度高、體積小、功能齊全、低功耗，最為適合應用于各種嵌入式智能設備中。

圖3 PCC-3790工控主板實物圖

4）DH-VT111視頻采集卡

星敏感器采用兩塊大恒圖像公司生產的DH-VT111視頻采集卡作為圖像采集設備（DH-VT111支持1路復合視頻輸入輸出，所以選用兩塊采集卡以滿足雙通道的觀測要求）。DH-VT111是基于PC∕104-PLUS總線的高性能圖像采集卡，可進行高質量彩色∕黑白圖像的實時采集。DH-VT111可將輸入的彩色或黑白視頻信號，經數字解碼器、模∕數轉換器進行比例縮放、裁剪、采集、色空變換等處理，通過PCI總線傳送到VGA卡上實時顯示或傳送到計算機內存中實時存儲。視頻數據的傳送過程是由DH-VT111來控制的，無需CPU參與，傳輸速度可達40MB∕s，采集卡實物照片如圖4所示。

圖4 DH-VT111視頻采集卡實物圖

5 結語

論文提出的雙通道船用星敏感器設計與構建方案，為動態條件下高精度艦船姿態測量、艦面設備基準檢測、以及艦船天文導航提供了一種新方法［12］。系統主要由兩套小視場光學傳感器與嵌入式工控主機構成，無需造價昂貴、結構復雜的硬件支撐，具有較高的應用價值與經濟效益。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，系統軟件設計方面也存在進一步優化的空間。