基于PXA270的移動天文觀測系統(tǒng)設(shè)計

近幾年來，隨著人類文明社會的發(fā)展和人民生活水平的提高，越來越多的人渴望了解探知宇宙的奧秘。目前進(jìn)行科普天文觀測一般過程為：查天文歷書、星圖等確定星體位置；尋找合適觀測地點(diǎn)(為避開城市燈光及污染等因素)；不斷調(diào)整望遠(yuǎn)鏡，尋找欲觀測天體；定位天體后架設(shè)攝影器材進(jìn)行拍攝。整個觀測過程中存在諸多不便，如天體在天空中不斷運(yùn)動，每次觀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，簡易星圖由于天體運(yùn)動的因素必須在指定時間進(jìn)行觀測；望遠(yuǎn)鏡手工調(diào)整非常繁瑣；拍攝不便。

為了解決上述問題而開發(fā)本系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)如下：通過計算，在屏幕上顯示出當(dāng)時當(dāng)?shù)匦菆D，觀測者無需攜帶天文資料，在屏幕上將觀測內(nèi)容實時顯示出來，使觀測者無須忍受長時間單眼觀測的視覺疲勞，同時提高了觀測效果；可對觀測圖像進(jìn)行實時處理；可非常方便地拍攝、保存觀測結(jié)果；可對結(jié)果進(jìn)行一些圖像處理，增強(qiáng)可辨性，系統(tǒng)自動記錄觀測日志，方便整理觀測資料。

1 嵌入式開發(fā)平臺介紹

本系統(tǒng)采用深圳億道電子開發(fā)的一套基于IntelXScale PXA270處理器的Liod嵌入式開發(fā)平臺。Liod開發(fā)平臺得名手億道電子的理念“Leading is our du-ty”，是一套功能強(qiáng)大的嵌入式開發(fā)平臺，主頻高達(dá)520 MHz，支持Intel Wireless MMX及Step Speed技術(shù)，超低功耗，超高性價比。核心板(XSBase270-Core)+底板設(shè)計(XSBase270-DVK-Ⅱ)，擴(kuò)展更靈活，應(yīng)用更豐富。同時具有完善的功能接口，具有完善的Win CE／Linux雙操作系統(tǒng)支持。本系統(tǒng)主要用到LCD、觸摸屏、全功能串口等。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

移動天文觀測系統(tǒng)以Liod板為主控板，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)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(tǒng)中，XScale與附屬板通過串口相互通信，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(jī)串口進(jìn)行復(fù)用，以實現(xiàn)所需功能。

使用CD4053模擬開關(guān)來實現(xiàn)串口復(fù)用功能，通過單片機(jī)的控制引腳切換不同的串口信號來源。

GPS采用了Ho1ux GR-85接收模塊，具有快速追蹤定位12顆衛(wèi)星的能力，數(shù)據(jù)更新速率為1 Hz。GPS模塊用來得到當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度及準(zhǔn)確時間的信息。

數(shù)字指南針采用了周立功ZNJV2模塊，磁場測量范圍為50 A／m，機(jī)首方向顯示分辨率為2°，機(jī)首方向精度為3°，補(bǔ)償后精度可達(dá)到0．5°，數(shù)字指南針模塊用于安放望遠(yuǎn)鏡時準(zhǔn)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。

動力機(jī)構(gòu)采用廉價云臺機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部為勻速交流同步電機(jī)，通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動時間長短控制其所轉(zhuǎn)角度。

3 天體視位置計算算法

天體的視位置是天文觀測中最重要的一個數(shù)據(jù)。天體的視位置最初是通過查閱相關(guān)歷書得到，這種查表求天體的視位置方法存在很大問題，主要是計算繁瑣，效率低，定位的周期長，天體的數(shù)據(jù)量大，整本年歷有大量數(shù)據(jù)，而且每年都必須進(jìn)行數(shù)據(jù)更新。這種方法顯然不能滿足應(yīng)用的需要。這里實現(xiàn)的方法是將天體的運(yùn)動簡化為數(shù)學(xué)模型，通過對數(shù)學(xué)模型中相對固定的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，最終得出天體的位置，通過實驗比對驗證了這種方法的準(zhǔn)確性和高效性。

星表就是通常所說的恒星坐標(biāo)表，它由天體的視位置經(jīng)過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(biāo)，坐標(biāo)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)過與編制星表相反的步驟來求天體的視位置，通過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、自行等誤差的分析，給出計算恒星視位置的數(shù)學(xué)模型，其基本流程圖如圖3所示。



按照以上算法編寫出相關(guān)函數(shù)庫，主程序?qū)⑾嚓P(guān)變量如輸入觀測地點(diǎn)經(jīng)緯度、欲觀測星體等數(shù)據(jù)即可計算出星體視位置。FK5星表以文件形式存放。

4 視頻數(shù)據(jù)采集及顯示

圖像數(shù)據(jù)的顯示可以通過直接寫屏來實現(xiàn)。Linux工作在保護(hù)模式下，用戶態(tài)進(jìn)程是無法直接使用顯卡：BIOS里提供的中斷調(diào)用來實現(xiàn)直接寫屏，故Linux抽象出FrameBuffer。這個設(shè)備來供用戶態(tài)進(jìn)程實現(xiàn)直接寫屏。 FrameBtlffer主要是根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)實現(xiàn)的，所以只能實現(xiàn)最簡單的功能。

直接寫屏的過程：

(1)打開一個FrameBuffer設(shè)備；

(2)通過調(diào)用mmap()把顯卡的物理內(nèi)存空間映射到用戶空間；

(3)直接寫內(nèi)存。

由于直接寫屏是直接對顯存進(jìn)行修改，同QT對程序界面的刷新并不協(xié)調(diào)，因此有時會出現(xiàn)顯示上的瑕疵，為此使用另一種方法顯示圖像數(shù)據(jù)，即利用QT庫中的QImage類來實現(xiàn)。
以上論述了如何進(jìn)行采集及顯示，但在實際的系統(tǒng)中存在多個任務(wù)，各個模塊之間需要相互配合，如果簡單地采用上述方法，由于視頻采集的速度較慢，將會造成阻塞，影響系統(tǒng)性能，因此使用線程技術(shù)。

在視頻設(shè)備初始化后開啟一個采集線程，此線程不斷采集新的視頻數(shù)據(jù)，采集完一幀數(shù)據(jù)會改寫狀態(tài)變量；顯示部分采用定時顯示，每隔一段時間判斷狀態(tài)變量是否為“已采集完畢”狀態(tài)，如果是則進(jìn)行顯示。由于需要耗時等待的采集過程在線程中運(yùn)行，通過Linux系統(tǒng)的自動調(diào)度，系統(tǒng)運(yùn)行十分流暢。

5 觀測的結(jié)果

觀測結(jié)果包括：拍攝到的圖像、拍攝時所在地的經(jīng)緯度、拍攝時間、大氣溫度及拍攝的星體名稱等。存儲時以文件的形式按時間存儲，形成觀測日志。

對天體視位置計算算法及望遠(yuǎn)鏡實際指向進(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天體(太陽、大鳥六、月球、金星)，通過與專業(yè)天文軟件 STARCALC的計算結(jié)果進(jìn)行比對，衡量計算誤差的大小。望遠(yuǎn)鏡實際指向的測試采用現(xiàn)場測量的方法。使用的主要測試工具為計算機(jī)、量角器等，測試數(shù)據(jù)如表1所示。



從比較結(jié)果可以看出，由本系統(tǒng)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(tǒng)使用望遠(yuǎn)鏡(物鏡焦距360 mm，目鏡焦距20 mm)視角6．35°，滿足系統(tǒng)觀測要求。

圖4給出北京時間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°)對月球的觀測圖像；圖5給出北京時間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°)對金星的觀測圖像。


6 結(jié) 語

經(jīng)測試，系統(tǒng)工作正常，性能表現(xiàn)良好，達(dá)到了原設(shè)計目標(biāo)。但是因為機(jī)械系統(tǒng)精度較差，選用的天文望遠(yuǎn)鏡受價格約束，使本系統(tǒng)的總體表現(xiàn)受到一定影響。本系統(tǒng)稍加改動，亦可用于遠(yuǎn)距離視頻監(jiān)控、人造衛(wèi)星接收、天線指向控制、太陽能電池板指向控制等領(lǐng)域。