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近幾年來(lái)，隨著(zhù)人類(lèi)文明社會(huì )的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來(lái)越多的人渴望了解探知宇宙的奧秘。目前進(jìn)行科普天文觀(guān)測一般過(guò)程為：查天文歷書(shū)、星圖等確定星體位置；尋找合適觀(guān)測地點(diǎn)(為避開(kāi)城市燈光及污染等因素)；不斷調整望遠鏡，尋找欲觀(guān)測天體；定位天體后架設攝影器材進(jìn)行拍攝。整個(gè)觀(guān)測過(guò)程中存在諸多不便，如天體在天空中不斷運動(dòng)，每次觀(guān)測之前必須查閱相關(guān)資料確定天體位置，然而星歷表厚重而不直觀(guān)，簡(jiǎn)易星圖由于天體運動(dòng)的因素必須在指定時(shí)間進(jìn)行觀(guān)測；望遠鏡手工調整非常繁瑣；拍攝不便。 為了解決上述問(wèn)題而開(kāi)發(fā)本系統。它的主要特點(diǎn)如下：通過(guò)計算，在屏幕上顯示出當時(shí)當地星圖，觀(guān)測者無(wú)需攜帶天文資料，在屏幕上將觀(guān)測內容實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，使觀(guān)測者無(wú)須忍受長(cháng)時(shí)間單眼觀(guān)測的視覺(jué)疲勞，同時(shí)提高了觀(guān)測效果；可對觀(guān)測圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；可非常方便地拍攝、保存觀(guān)測結果；可對結果進(jìn)行一些圖像處理，增強可辨性，系統自動(dòng)記錄觀(guān)測日志，方便整理觀(guān)測資料。 1 嵌入式開(kāi)發(fā)平臺介紹 本系統采用深圳億道電子開(kāi)發(fā)的一套基于IntelXScale PXA270處理器的Liod嵌入式開(kāi)發(fā)平臺。Liod開(kāi)發(fā)平臺得名手億道電子的理念“Leading is our du-ty”，是一套功能強大的嵌入式開(kāi)發(fā)平臺，主頻高達520 MHz，支持Intel Wireless MMX及Step Speed技術(shù)，超低功耗，超高性?xún)r(jià)比。核心板(XSBase270-Core)+底板設計(XSBase270-DVK-Ⅱ)，擴展更靈活，應用更豐富。同時(shí)具有完善的功能接口，具有完善的Win CE／Linux雙操作系統支持。本系統主要用到LCD、觸摸屏、全功能串口等。 2 系統硬件設計 移動(dòng)天文觀(guān)測系統以L(fǎng)iod板為主控板，在此基礎上擴展了相關(guān)電路，制成一塊附屬板，整體硬件框圖如圖1所示。 在本系統中，XScale與附屬板通過(guò)串口相互通信，附屬板與GPS模塊、指南針模塊的通信也使用串口，因此需要對附屬板上的單片機串口進(jìn)行復用，以實(shí)現所需功能。 使用CD4053模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現串口復用功能，通過(guò)單片機的控制引腳切換不同的串口信號來(lái)源。 GPS采用了Ho1ux GR-85接收模塊，具有快速追蹤定位12顆衛星的能力，數據更新速率為1 Hz。GPS模塊用來(lái)得到當地經(jīng)緯度及準確時(shí)間的信息。 數字指南針采用了周立功ZNJV2模塊，磁場(chǎng)測量范圍為50 A／m，機首方向顯示分辨率為2°，機首方向精度為3°，補償后精度可達到0．5°，數字指南針模塊用于安放望遠鏡時(shí)準確指向。 溫度傳感器采用DALLAS的DS18B20芯片，其分辨率為0．062 5℃，精度為0．5℃。溫度傳感器測量大氣溫度，用于計算大氣折射率。 動(dòng)力機構采用廉價(jià)云臺機構，其內部為勻速交流同步電機，通過(guò)控制電機轉動(dòng)時(shí)間長(cháng)短控制其所轉角度。 3 天體視位置計算算法 天體的視位置是天文觀(guān)測中最重要的一個(gè)數據。天體的視位置最初是通過(guò)查閱相關(guān)歷書(shū)得到，這種查表求天體的視位置方法存在很大問(wèn)題，主要是計算繁瑣，效率低，定位的周期長(cháng)，天體的數據量大，整本年歷有大量數據，而且每年都必須進(jìn)行數據更新。這種方法顯然不能滿(mǎn)足應用的需要。這里實(shí)現的方法是將天體的運動(dòng)簡(jiǎn)化為數學(xué)模型，通過(guò)對數學(xué)模型中相對固定的參數進(jìn)行運算，最終得出天體的位置，通過(guò)實(shí)驗比對驗證了這種方法的準確性和高效性。 星表就是通常所說(shuō)的恒星坐標表，它由天體的視位置經(jīng)過(guò)一系列的換算而得到星表歷元平位置，在星表中載有恒星的赤道平坐標，坐標的周年變化和恒星的白行等。 FK5是由德國海德堡天文所編制的近年來(lái)人們普遍使用的一種絕對星表。目前，這種由星表求解天體視位置的方法已被廣泛用于求解天文三角形中。 從FK5星表出發(fā)，經(jīng)過(guò)與編制星表相反的步驟來(lái)求天體的視位置，通過(guò)對影響恒星視位置的各種因素，如大氣折射、視差、光行差、歲差、章動(dòng)、自行等誤差的分析，給出計算恒星視位置的數學(xué)模型，其基本流程圖如圖3所示。 按照以上算法編寫(xiě)出相關(guān)函數庫，主程序將相關(guān)變量如輸入觀(guān)測地點(diǎn)經(jīng)緯度、欲觀(guān)測星體等數據即可計算出星體視位置。FK5星表以文件形式存放。 4 視頻數據采集及顯示 圖像數據的顯示可以通過(guò)直接寫(xiě)屏來(lái)實(shí)現。Linux工作在保護模式下，用戶(hù)態(tài)進(jìn)程是無(wú)法直接使用顯卡：BIOS里提供的中斷調用來(lái)實(shí)現直接寫(xiě)屏，故Linux抽象出FrameBuffer。這個(gè)設備來(lái)供用戶(hù)態(tài)進(jìn)程實(shí)現直接寫(xiě)屏。 FrameBtlffer主要是根據VESA標準實(shí)現的，所以只能實(shí)現最簡(jiǎn)單的功能。 直接寫(xiě)屏的過(guò)程： (1)打開(kāi)一個(gè)FrameBuffer設備； (2)通過(guò)調用mmap()把顯卡的物理內存空間映射到用戶(hù)空間； (3)直接寫(xiě)內存。 由于直接寫(xiě)屏是直接對顯存進(jìn)行修改，同QT對程序界面的刷新并不協(xié)調，因此有時(shí)會(huì )出現顯示上的瑕疵，為此使用另一種方法顯示圖像數據，即利用QT庫中的QImage類(lèi)來(lái)實(shí)現。 以上論述了如何進(jìn)行采集及顯示，但在實(shí)際的系統中存在多個(gè)任務(wù)，各個(gè)模塊之間需要相互配合，如果簡(jiǎn)單地采用上述方法，由于視頻采集的速度較慢，將會(huì )造成阻塞，影響系統性能，因此使用線(xiàn)程技術(shù)。 在視頻設備初始化后開(kāi)啟一個(gè)采集線(xiàn)程，此線(xiàn)程不斷采集新的視頻數據，采集完一幀數據會(huì )改寫(xiě)狀態(tài)變量；顯示部分采用定時(shí)顯示，每隔一段時(shí)間判斷狀態(tài)變量是否為“已采集完畢”狀態(tài)，如果是則進(jìn)行顯示。由于需要耗時(shí)等待的采集過(guò)程在線(xiàn)程中運行，通過(guò)Linux系統的自動(dòng)調度，系統運行十分流暢。 5 觀(guān)測的結果 觀(guān)測結果包括：拍攝到的圖像、拍攝時(shí)所在地的經(jīng)緯度、拍攝時(shí)間、大氣溫度及拍攝的星體名稱(chēng)等。存儲時(shí)以文件的形式按時(shí)間存儲，形成觀(guān)測日志。 對天體視位置計算算法及望遠鏡實(shí)際指向進(jìn)行了測試。天體視位置算法的測試是選擇有代表性的四個(gè)天體(太陽(yáng)、大鳥(niǎo)六、月球、金星)，通過(guò)與專(zhuān)業(yè)天文軟件 STARCALC的計算結果進(jìn)行比對，衡量計算誤差的大小。望遠鏡實(shí)際指向的測試采用現場(chǎng)測量的方法。使用的主要測試工具為計算機、量角器等，測試數據如表1所示。 從比較結果可以看出，由本系統的天體視位置計算算法得出的方位角平均誤差為0．261°，高度角平均誤差為0．155°，小于系統使用望遠鏡(物鏡焦距360 mm，目鏡焦距20 mm)視角6．35°，滿(mǎn)足系統觀(guān)測要求。 圖4給出北京時(shí)間2008年6月27日20：22：49，在福州大學(xué)城(東經(jīng)119．29°，北緯26．08°)對月球的觀(guān)測圖像；圖5給出北京時(shí)間2008年6月22日3：47：49，在福州大學(xué)城(東經(jīng)119．29°，北緯26．08°)對金星的觀(guān)測圖像。 6 結 語(yǔ) 經(jīng)測試，系統工作正常，性能表現良好，達到了原設計目標。但是因為機械系統精度較差，選用的天文望遠鏡受價(jià)格約束，使本系統的總體表現受到一定影響。本系統稍加改動(dòng)，亦可用于遠距離視頻監控、人造衛星接收、天線(xiàn)指向控制、太陽(yáng)能電池板指向控制等領(lǐng)域。 |
