用于無人值守的火箭瞄準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)射技術研究所，北京 100000；2.北京機電工程研究所，北京 100000）

0.引言

運載火箭地面瞄準系統(tǒng)的作用是通過精確測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]。運載火箭在起飛前通過地面瞄準箭上慣性器件的目標棱鏡確定火箭起飛初始方位。

在以往的瞄準操作過程中，操作人員在瞄準間就近觀察瞄準儀目視情況從而操作設備對準目標，并在火箭加注過程中不斷監(jiān)視、跟蹤目標變化情況。但隨著運載火箭系統(tǒng)無人值守操作和多地點進行協(xié)同控制的需求[2]，原有的操作方式已不符合運載火箭系統(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)，通過采集瞄準儀目視圖像信息，經(jīng)過一系列的信息傳遞方式，以經(jīng)濟、可靠的工作模式實現(xiàn)對目標的監(jiān)視功能。瞄準儀目視圖像的傳遞系統(tǒng)具有設備組成簡單、適應性強的特點，在工作環(huán)境和工作時間上更有優(yōu)勢，符合運載火箭無人值守瞄準的發(fā)展趨勢。

1.技術方案

火箭瞄準目視圖像是由位于電控瞄準儀的CMOS相機進行采集。通常用瞄準儀照準預先設定的標志物，以此來確定和傳遞真北方向[3]。目視圖像的傳遞系統(tǒng)主要由電控瞄準儀、光端機（含發(fā)射機和接收機）、瞄準控制器和顯示器組成，如圖1所示。

圖 1 瞄準儀目視圖像的傳遞系統(tǒng)示意圖

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

圖 2 前端瞄準設備瞄準示意圖

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儀對準火箭目標棱鏡，確定運載火箭的初始方位。在火箭加注過程中和加注后操作人員在指揮大廳利用后端視頻遠控操作瞄準儀對準火箭目標棱鏡，建立火箭初始方位。

2.詳細實施過程

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

2.1 相機

圖像的傳遞系統(tǒng)主要由位于前端的電控瞄準儀、發(fā)射機、瞄準控制器、顯示器和位于后端的接收機、瞄準控制器、顯示器組成。電控瞄準儀相機在火箭臍帶塔采集目標視頻圖像信息，視頻信號經(jīng)發(fā)射機進行信號轉(zhuǎn)換。發(fā)射機產(chǎn)生兩路VGA視頻和一路光纖信號，兩路VGA視頻分別提供給前端視頻監(jiān)視器和瞄準控制器用于顯示和信號處理，視頻光纖信號傳遞至后端接收機后產(chǎn)生兩路VGA視頻，用于后端視頻監(jiān)視器和瞄準控制器進行信號處理。瞄準控制器顯示器用于瞄準控制器運行界面顯示，通過通用化設計，采取與視頻監(jiān)視器同一機型共同接收標準VGA視頻信號。

瞄準儀圖像信息由位于望遠鏡目鏡組后端的相機進行采集，通過分光棱鏡使瞄準儀同時滿足目視觀測和視頻采集。相機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、國產(chǎn)化等方面綜合考慮，選用國產(chǎn)上海格科微電子生產(chǎn)的高靈敏度CMOS圖像傳感器。

瞄準儀望遠鏡的光學系統(tǒng)在結構上采用遠心光路，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I2C接口配置CMOS傳感器的工作參數(shù)，同時接收CMOS傳感器輸出的視頻信號，然后再對原始圖像進行調(diào)節(jié)增強后，編碼輸出模擬視頻信號，實現(xiàn)攝像功能。為了與圖像傳感器更好地配合，同時簡化設計，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。通過軟件調(diào)度圖像處理芯片內(nèi)部相應的功能模塊實現(xiàn)圖像調(diào)節(jié)、自動白平衡、自動增益控制、自動曝光控制、數(shù)字降噪、背景補償、色差校正等功能。如圖3所示。

圖3 相機模組原理組成框圖

相機安裝于瞄準儀望遠鏡的尾部，通過調(diào)節(jié)望遠鏡的調(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，達到清晰成像的目的。

2.2 光端機

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

光端機由核心控制模塊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。

在光端機發(fā)射端，來自相機的視頻信號首先經(jīng)過發(fā)射板上的視頻濾波網(wǎng)絡去除噪聲干擾信號，然后對該視頻信號進行視頻分離和視頻放大。視頻分離模塊得到視頻信號的行、場同步信號以及奇偶場信號、視頻鉗位等重要的視頻信息。接下來，對放大后的視頻信號進行A/D轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字化的視頻信號送入系統(tǒng)主控核心FPGA中。與此同時，如果系統(tǒng)檢測到了有音頻信號的存在，則對其進行音頻濾波、音頻數(shù)字化采樣以及音頻PCM編碼。經(jīng)過PCM編碼后的音頻信號，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，該信號也送入到FPGA，系統(tǒng)主控核心FPGA對來自不同模塊的視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信號整合，時分復用地將各個信號編碼成8位并行信號流送入到并串轉(zhuǎn)換模塊。信號流經(jīng)過并串轉(zhuǎn)換后變成高速的LVDS信號驅(qū)動光纖收發(fā)模塊以波分復用的方式完成了電/光變化和光發(fā)射。在光端機的接收端，經(jīng)過以上的逆過程完成對原始信號的恢復。利用圖像壓縮技術大大降低信號傳輸帶寬，并且支持音頻雙向、數(shù)據(jù)雙向、開關量雙向、以太網(wǎng)等信號的并行傳輸，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優(yōu)化的低功耗工藝基礎之上，并通過最低的成本實現(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，采樣率最高可以達到250MSPS，滿足信號傳輸帶寬要求，ADC內(nèi)核采用多級、差分流水線架構，并集成了輸出糾錯邏輯。每個ADC均具有寬帶寬的輸入，支持用戶可選的各種輸入范圍；集成基準電壓源簡化了設計；占空比穩(wěn)定器可用來補償ADC時鐘占空比的波動；使轉(zhuǎn)換器具有優(yōu)越的性能。

D/A芯片采用無錫思泰迪半導體的SC7123系列芯片。SC7123是一個低成本、通用的三通道數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），它應用于優(yōu)化視頻圖像。它主要包含了3個匹配的10位DAC，使用了先進的、高速的、分段DAC結構。

2.3 瞄準控制器與顯示器

瞄準控制器采用基于高性能雙龍芯3A3500 CPU+7A1000J橋片架構的VPX主板，板卡設計均滿足VPX設計規(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，實現(xiàn)共16GB的內(nèi)存，通過LS7A1000J中SATA2.0接口外接Mini SATA電子盤，實現(xiàn)1TB容量的存儲；通過國產(chǎn)網(wǎng)訊科技的WX1860芯片實現(xiàn)4路千兆網(wǎng)的功能；提供4路USB2.0接口功能，經(jīng)過防護電路后引至后出線。功能框圖如圖4所示。

圖4 瞄準控制器功能框圖

瞄準控制器運行中標麒麟操作系統(tǒng)，操作系統(tǒng)軟件集成內(nèi)核源碼樹，支持在國產(chǎn)化體系架構下的驅(qū)動軟件及應用軟件開發(fā)。視頻流通過網(wǎng)絡接口進入計算機后，被接收下來存儲在機械硬盤上，同時對視頻進行頻協(xié)議解碼，解碼后通過VGA接口嵌入顯示到本地顯示屏的應用程序內(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.實施效果

在以往的瞄準操作過程中，操作人員在瞄準間就近觀察瞄準儀目視情況操作設備對準目標，并在火箭加注過程中不斷監(jiān)視、跟蹤目標變化情況。但隨著運載火箭系統(tǒng)無人值守操作和多地點進行協(xié)同控制的需求，原有的操作方式已不符合運載火箭系統(tǒng)可靠、安全的發(fā)展方向。本文提出通過采集瞄準儀目視圖像信息，經(jīng)過一系列的信息傳遞方式，以經(jīng)濟、可靠的工作模式實現(xiàn)對目標的監(jiān)視功能。瞄準儀目視圖像的傳遞系統(tǒng)具有設備組成簡單、適應性強的特點，實際應用過程中在工作環(huán)境和工作時間上更有優(yōu)勢。

4.結語

無人值守發(fā)射是航天發(fā)射技術發(fā)展的必然趨勢，火箭瞄準目視圖像的傳遞系統(tǒng)組成簡單、自動化程度高、操作流程簡化，可以滿足我國航天發(fā)射任務的應用需求，為我國航天事業(yè)發(fā)展提供有力支撐。