一种天文标校控制器IP核及其标校方法与流程

本发明涉及光电测量技术领域，具体来讲是一种天文标校控制器ip(intellectualproperty，知识产权)核及其标校方法。

背景技术：

靶场经纬仪、雷达的指向精度是决定系统能否正常引导捕获目标、目标角度位置输出精度的关键指标之一。光、电轴的指向需定期或任务前进行标定校正。传统的标校方式需要在经纬仪或雷达周围建立多个方位标，通过大地测量以及人工瞄标，获得实测方位、俯仰数据，将人工实测数据与大地测量值对比实现雷达自身的标定。

但是，实际应用中，建方位标、大地测量、人工瞄标的过程周期长、工作量大、随机误差大，难以满足光测、雷测设备日益机动化的实际需求。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种天文标校控制器ip核及其标校方法，旨在解决现有标校技术存在的效率低下、自主性差、难以满足机动设备外场标校需求的问题。

为达到以上目的，本发明提供一种天文标校控制器ip核，包括：通过系统总线相互连接的星历计算模块、恒星提取测量模块、基本管理模块、数据解算模块以及通信接口模块；

所述星历计算模块，其用于存储每个恒星的特征参数，依据所述特征参数计算得到指定星体的理论计算精确位置值；并通过通信接口模块发送给外部的跟踪架伺服控制机，用以驱动光电轴指向星体，将指定星体引入外部的ccd摄像机视场；

所述恒星提取测量模块，其用于接收由ccd摄像机视频转换成的数字图像，完成对该数字图像的实时处理，将目标星体从背景中提取出来，计算得出目标星体相对视场中心的脱靶量；并通过通信接口模块将脱靶量输出给跟踪架伺服控制机，驱动跟踪架对目标星体连续跟踪；

所述基本管理模块，其用于实时记录跟踪架角度值以及脱靶量值，得到目标星体的实际测量值；

所述数据解算模块，其用于将指定星体的理论计算精确位置值与目标星体的实际测量值进行比对，采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算后，得到零值与轴系修正系数；并通过通信接口模块输出；

所述通信接口模块，其用于完成与外部设备的接口通信协议转换，实现数据的采集和发送。

在上述技术方案的基础上，所述星历计算模块存储的每个恒星的特征参数包括星号、星等、平赤经、平赤纬、自行、视差。

在上述技术方案的基础上，所述指定星体的理论计算精确位置值包括星体的理论地平方位a0、理论俯仰角e0；所述理论地平方位a0、理论俯仰角e0分别由以下计算公式得到：

e0＝arcsin(sinδsinφ+cosδcosφcostm)；

式中，tm＝s0+1.00274t+λ－α；α为星体的平赤经，δ为星体的平赤纬，λ为经度，φ为纬度，t为世界时，s0为世界零时的恒星时。

在上述技术方案的基础上，所述目标星体的实际测量值包括方位实际测量值ai、俯仰角实际测量值ei，i为目标星体的序号，表示第i颗目标星体；所述数据解算模块将指定星体的理论计算精确位置值与目标星体的实际测量值进行比对时，将理论地平方位a0、理论俯仰角e0分别与方位实际测量值ai、俯仰角实际测量值ei相减，得到方位测量误差值△ai、俯仰角测量误差值△ei；

所述数据解算模块采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算时，按照以下函数得出：

△ai＝f1(g，h，βx,βy,δ,c)

△ei＝f2(g，h，βx,βy,δ,c)

式中，g为方位编码器零位；h为俯仰编码器零位；βx、βy分别为大盘不水平的两个正交分量；δ为俯仰轴与方位轴不垂直度；c为光机偏差。

在上述技术方案的基础上，所述天文标校控制器ip核还包括蒙气差修正模块，其用于对俯仰角实际测量值ei进行蒙气差修正。

在上述技术方案的基础上，所述蒙气差修正模块进行蒙气差修正时，蒙气差修正值根据以下计算公式得出：

式中，p为大气压，单位为帕；t为温度，单位为k；eij为第i颗目标星体的第j个实测俯仰角。

在上述技术方案的基础上，所述恒星提取测量模块采用平方质心方法使星体坐标精确到亚像素级。

在上述技术方案的基础上，所述基本管理模块，还用于完成启动操作、参数设置操作以及过程控制操作。

在上述技术方案的基础上，所述天文标校控制器ip核还包括显示模块，其用于将数字图像与显示参数信息进行混叠，编码成vga数据，经数模转换电路，送至外部显示器进行综合显示。

本发明还提供一种基于上述天文标校控制器ip核的标校方法，该标校方法包括以下步骤：

s1、所述星历计算模块依据存储的每个恒星的特征参数进行天文学计算，得到指定星体的理论计算精确位置值，并通过通信接口模块发送给外部的跟踪架伺服控制机，驱动光电轴指向星体，将指定星体引入外部的ccd摄像机视场；

s2、所述恒星提取测量模块接收由ccd摄像机视频转换成的数字图像，完成对该数字图像的实时处理，将目标星体从背景中提取出来，计算得出目标星体相对视场中心的脱靶量；并通过通信接口模块发送给跟踪架伺服控制机，驱动跟踪架对目标星体连续跟踪；所述基本管理模块实时记录跟踪架角度值以及脱靶量值，得到目标星体的实际测量值；

s3、所述数据解算模块将指定星体的理论计算精确位置值与目标星体的实际测量值进行比对，采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算后，得到零值与轴系修正系数；将修正系数通过通信接口模块输出至光测、雷测系统，使其根据修正系数完成误差标定。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明的天文标校控制器ip核内置高精度星历表、具备自动选星与自动星体检测功能，可以根据时间、测站位置，自动计算待测星体的地平高度和方位并引导跟踪架指向待测恒星，采用数字图像处理技术自动捕获星体目标、实时跟踪测量其角位置，并解算出系统误差系数,提高了外场标校工作的效率和精度。

与现有技术相比，本发明利用恒星位置的确定性，以精确的恒星位置代替传统方位标，自动标定出光测、雷测设备的零值和轴系误差，可提高外场标校的工作效率和自动化水平，有效解决光测、雷测设备外场指向精度标定问题；与此同时，还能降低方位标布设、大地测量工作产生的人力成本并减少繁琐人工瞄标操作，具备显著的经济效益和社会效益。

(2)本发明中的恒星提取测量模块具有捕获、跟踪测量空中目标、监视目标状态等功能，能对雷达低空、近程盲区进行填补，可提高光测、雷测执行多样化测控任务的能力。

(3)本发明的天文标校控制器ip核综合运用天文导航技术和数字图像处理技术，有效解决光测、雷测设备外场标校问题，可应用于航天测控和靶场测量领域，适用性好。

(4)本发明的天文标校控制器ip核集成度高、外形尺寸小、重量轻，适装性能好。

附图说明

图1为本发明实施例中天文标校控制器ip核的结构框图；

图2为本发明实施例中星历计算模块的功能示意图；

图3为本发明实施例中恒星提取测量模块的功能示意图；

图4为本发明实施例中数据解算模块的功能示意图；

图5为本发明实施例中蒙气差修正模块的功能示意图；

图中：1、星历计算模块；2、恒星提取测量模块；3、基本管理模块；4、数据解算模块；5、通信接口模块；6、蒙气差修正模块；7、显示模块。

具体实施方式

首先，对本发明的设计原理作进一步详细说明：为了提供一种集成度高、智能化、自主程度高的天文标校控制器ip核，本发明设计利用恒星位置的确定性，以精确的恒星位置代替传统方位标，使得天文标校控制器ip核不依赖方位标，独立自主完成指向精度标校任务。具体来说，本发明将天文标校过程设计包括引星、拍星和数据处理这三个主要步骤。

(一)引星：首先，在天文标校控制器ip核内，预置高精度数字星历表，该星历表为每个恒星记录有星号、星等、平赤经、平赤纬、自行、视差等特征参数。然后，依据这些参数进行天文学计算，可以得到任一时刻、任一地点确定精度的星体理论地平方位a0、俯仰角e0。将计算得出的星体理论地平方位a0、俯仰角e0发送给外部的光测、雷测设备的跟踪架伺服控制机，驱动光电轴指向星体，把星体引入外部的ccd(charge-coupleddevice，电荷耦合元件)摄像机视场，从而完成引星操作。

(二)拍星：外部的视频采样电路将ccd摄像机视频转换为数字图像信号传送给天文标校控制器ip核；天文标校控制器ip核自动捕获图像中的星体目标，根据目标的特征和背景的灰度分布，自动分离出目标和背景，测出目标偏离视准轴的脱靶量，并输出给跟踪架伺服控制机，驱动跟踪架方位和俯仰方向运动，确保外部的光测、雷测设备连续跟踪目标；同时，天文标校控制器ip核自动记录跟踪架角度值以及脱靶量值，得到星体的实际测量值。

(三)数据处理：将被测星体的理论位置值(方位a0、俯仰角e0)与实际测量值进行比对，采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算后，可以得到光测、雷测系统的零值与轴系修正系数；最后将解算结果输出，从而根据得到修正系数完成光测、雷测系统误差标定。

另外，在整体的单元模块设计方面，采用sopc(system-on-a-programmable-chip，可编程片上系统)。sopc是可编程系统，具有灵活的设计方式，可裁剪、可扩充、可升级，它能满足系统对于体积、灵活性以及稳定性的要求。引入sopc将图像的并行硬件处理与数据的mcu顺序结构处理结合，发挥各自优点，降低了开发和维护难度。其中，fpga逻辑主要辅助图像数据的实时并行处理，计算由sopc软核完成。控制器ip核需与外围接口的数据交互，涉及相关通信协议。在通信协议开发和维护方面，传统的处理器语言编程方式相比fpga的硬件逻辑方式更具优势。

为了使本领域技术人员更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

但需说明的是：接下来要介绍的示例仅是一些具体的例子，而不作为限制本发明的实施例必须为如下具体的步骤、数值、条件、数据、顺序等。本领域技术人员可以通过阅读本说明书来运用本发明的构思来构造本说明书中未提到的更多实施例。

实施例一

参见图1所示，本发明实施例提供一种天文标校控制器ip核，包括：通过系统总线相互连接的星历计算模块1、恒星提取测量模块2、基本管理模块3、数据解算模块4以及通信接口模块5。

其中，参见图2所示，星历计算模块1，用于存储每个恒星的特征参数，并依据该特征参数进行天文学计算，得到任意测量时刻确定精度的指定星体的理论计算精确位置值，即星体的理论地平方位a0和俯仰角e0；其还用于将计算得出的指定星体的理论计算精确位置值(即恒星引导角)通过通信接口模块5发送给外部跟踪架伺服控制机，用以驱动光电轴指向星体，将指定星体引入外部的ccd摄像机视场。

可以理解的是，与常规标校相比，天文标校可以随时了解设备的指向精度，方便了用户使用。天文标校的核心之一是对星体的理论位置精确的计算。本实施例中，星历计算模块1中存储有每个恒星的星号、星等、平赤经、平赤纬、自行、视差等特征参数，依据这些特征参数进行天文学计算，可以得到任意测量时刻、任一测量地点的确定精度的指定星体视位置，即指定星体的理论计算精确位置——理论地平方位a0和俯仰角e0。

进一步地，在一种可选的实施方式中，指定星体的理论地平方位a0和俯仰角e0，由以下计算公式得到：

e0＝arcsin(sinδsinφ+cosδcosφcostm)；

式中，tm＝s0+1.00274t+λ－α；α为星体的平赤经，δ为星体的平赤纬，λ为经度，φ为纬度，t为世界时，s0为世界零时的恒星时。

参见图3所示，恒星提取测量模块2，用于接收由ccd摄像机视频转换成的数字图像，完成对该数字图像的实时处理，将目标星体(即上文所述指定星体)从背景中提取出来，计算得出目标星体相对视场中心的脱靶量，即方位脱靶量△a和俯仰角脱靶量△e；并通过通信接口模块5将脱靶量输出给外部跟踪架伺服控制机，驱动跟踪架对目标星体连续跟踪。基本管理模块3，用于实时记录跟踪架角度值以及脱靶量值，得到目标星体的实际测量值，即方位实际测量值ai、俯仰角实际测量值ei，其中i为目标星体的序号，表示第i颗目标星体。可以理解的是，将理论地平方位a0、俯仰角e0分别与方位实际测量值ai、俯仰角实际测量值ei相减可得方位测量误差值△ai和俯仰测量误差值△ei。本实施例中，恒星提取测量模块2采用平方质心方法使得星体坐标精确到亚像素级，提高了后续解算的精度。

进一步地，在实际操作中，所述基本管理模块3，还用于完成启动、参数设置以及过程控制等操作。具体来说，启动操作：用以完成标校数据和功能模块的初始化，以及硬件自检。其中，硬件自检包括但不限于：通信串口自检、视频输入接口自检、显示输出接口自检等。参数设置操作：用以完成天文标校控制器ip核参数的设置，设置的参数包括但不限于：通信接口参数、引导修正参数，以及对ccd摄像机的控制指令等。过程控制操作：用以完成自检、引星、测星、数据解算工作状态的过程控制。

参见图4所示，数据解算模块4，用于将指定星体的理论计算精确位置值(a0、e0)与目标星体的实际测量值(ai、ei)进行比对(即，将理论地平方位a0、俯仰角e0分别与方位实际测量值ai、俯仰角实际测量值ei相减可得方位测量误差值△ai和俯仰测量误差值△ei)，采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算后，得到零值与轴系修正系数；并将修正系数作为解算结果通过通信接口模块5输出。

进一步地，在实际操作中，可以认为测星的误差是由于雷达天线的零位差和轴系差引起。因此，在一种可选的实施方式中，数据解算模块4采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算时，可按照以下函数得出：

△ai＝f1(g，h，βx,βy,δ,c)

△ei＝f2(g，h，βx,βy,δ,c)

式中，g为方位编码器零位；h为俯仰编码器零位；βx、βy分别为大盘不水平的两个正交分量；δ为俯仰轴与方位轴不垂直度；sb为光机偏差。f1和f2为比较复杂的函数，通过工程近似得到f1和f2的线性模型，利用最小二乘法解算出g、h、βx、βy、δ、c单项误差系数值。

参见图1所示，通信接口模块5，用于完成与外部设备的接口通信协议转换，实现数据的采集和发送。本实施例中，通过通信接口模块5与天文标校控制器ip核进行通信的外部设备包括：时统设备，跟踪架测角系统，跟踪架伺服控制机，光测、雷测主控机，ccd摄像机。具体来说：当与时统设备通信时，接收其发送的irig-b规范北京时间信号、定时脉冲、经度、纬度以及高程数据；当与跟踪架测角系统通信时，接收其发送的跟踪架方位、俯仰指向角；当与跟踪架伺服控制机通信时，向其发送恒星方位、俯仰引导值；当与光测、雷测主控机通信时，向其发送天文标校控制器ip核的工作状态、解算结果数据等信息；当与ccd摄像机通信时，向其发送镜头滤光片控制、摄像机参数设置等数据，接收ccd摄像机工作状态监测数据。

更进一步地，由于大气折射，观测得的星体位置与星体的真实位置会有所不同，观测得到的星体高度应减去蒙气差，才能更准确的得到星体真实高度，因此目标星体的俯仰角实际测量值ei应进行蒙气差修正。基于上述考虑，作为一种优选的实施方式，参见图1和图5所示，该天文标校控制器ip核还包括蒙气差修正模块6，用于对目标星体的俯仰角实际测量值ei进行蒙气差修正。实际操作中，蒙气差修正值可采用以下计算公式得出：

式中，p为大气压，单位为帕；t为温度，单位为k；eij为第i颗目标星体的第j个实测俯仰角。

再进一步地，为了能在外部显示器上对数字图像进行综合显示，作为一种优选的实施方式，参见图1所示，该天文标校控制器ip核还包括显示模块7，用于将数字图像与显示参数信息进行混叠，编码成vga(videographicsarray，视频图形阵列)数据，经da(digitaltoanalog，数字信号转模拟信号)转换电路，送至外部显示器进行综合显示。其中，显示参数信息包括：跟踪波门、十字分划线、工作状态字等信息。

实施例二

基于同一发明构思，本发明实施例还提供一种基于上述天文标校控制器ip核的标校方法，该标校方法包括以下步骤：

s1、星历计算模块1依据存储的每个恒星的特征参数进行天文学计算，得到指定星体的理论计算精确位置值，即星体的理论地平方位a0和俯仰角e0；并通过通信接口模块5发送给外部的跟踪架伺服控制机，驱动光电轴指向星体，将指定星体引入外部的ccd摄像机视场；

s2、恒星提取测量模块2接收由ccd摄像机视频转换成的数字图像，完成对该数字图像的实时处理，将目标星体从背景中提取出来，计算得出目标星体相对视场中心的脱靶量，即方位脱靶量△a和俯仰角脱靶量△e；并通过通信接口模块5发送给外部的跟踪架伺服控制机，驱动跟踪架对目标星体连续跟踪；基本管理模块3实时记录跟踪架角度值以及脱靶量值，得到目标星体的实际测量值，即方位实际测量值ai和俯仰角实际测量值ei；

s3、数据解算模块4将步骤s1中指定星体的理论计算精确位置值(a0、e0)与步骤s2中目标星体的实际测量值(ai、ei)进行比对，采用最小二乘法完成单项误差系数的分离解算后，得到零值与轴系修正系数；将修正系数作为解算结果通过通信接口模块5输出至光测、雷测系统，使其根据修正系数完成误差标定。

注意：上述的具体实施例仅是例子而非限制，且本领域技术人员可以根据本发明的构思从上述分开描述的各个实施例中合并和组合一些步骤和装置来实现本发明的效果，这种合并和组合而成的实施例也被包括在本发明中，在此不一一描述这种合并和组合。

本发明实施例中提及的优点、优势、效果等仅是示例，而非限制，不能认为这些优点、优势、效果等是本发明的各个实施例必须具备的。另外，本发明实施例公开的上述具体细节仅是为了示例的作用和便于理解的作用，而非限制，上述细节并不限制本发明实施例必须采用上述具体的细节来实现。

本发明实施例中涉及的器件、装置、设备、系统的方框图仅作为例示性的例子，并且不意图要求或暗示必须按照方框图示出的方式进行连接、布置、配置。如本领域技术人员将认识到的，可以按任意方式连接、布置、配置这些器件、装置、设备、系统。诸如“包括”、“包含”、“具有”等等的词语是开放性词汇，指“包括但不限于”，且可与其互换使用。本发明实施例所使用的词汇“或”和“和”指词汇“和/或”，且可与其互换使用，除非上下文明确指示不是如此。

提供所公开的方面的以上描述以使本领域的任何技术人员能够做出或者使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员而言是非常显而易见的，并且在此定义的一般原理可以应用于其他方面而不脱离本发明的范围。因此，本发明不意图被限制到在此示出的方面，而是按照与在此公开的原理和新颖的特征一致的最宽范围。

为了例示和描述的目的已经给出了以上描述。此外，此描述不意图将本发明的实施例限制到在此公开的形式。尽管以上已经讨论了多个示例方面和实施例，但是本领域技术人员将认识到其某些变型、修改、改变、添加和子组合。且本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。