摘要：針對(duì)目前天文觀測(cè)系統(tǒng)的局限和不足，在基于Intel PXA270和Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)了一套新的移動(dòng)天文觀測(cè)系統(tǒng)。采用一種特殊的求天體視位置的算法，實(shí)現(xiàn)了天體的高精度定位。用戶可通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊操作使天文望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)轉(zhuǎn)向欲觀測(cè)的星球，應(yīng)用數(shù)字化視頻采集技術(shù)將觀測(cè)的對(duì)象顯示在屏幕上，并對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，增強(qiáng)了觀測(cè)效果。最后給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)可以判斷該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有精度高，誤差小，觀測(cè)效果好等優(yōu)點(diǎn)。
茫宇宙自古是最令人類產(chǎn)生無(wú)限遐思的地方，宇宙的龐大至今仍然讓一般人難以想象。作為我們?nèi)磕芰縼?lái)源、給予我們?nèi)可A(chǔ)的太陽(yáng)，相對(duì)于我們感性的理解能力而言已經(jīng)是龐大無(wú)比，可是它同我們?nèi)缃褚呀?jīng)觀測(cè)到的宇宙相比又不過(guò)是滄海一粟。自古，腳下一望無(wú)際的大地，是人們感覺(jué)平坦、厚重、堅(jiān)實(shí)又可靠的地方。宇宙科學(xué)就是一步一步地超越人們的這種踏實(shí)感的歷史，每一個(gè)新發(fā)現(xiàn)都伴隨著人們的驚奇和難以置信之感，幾乎每一次難題的解決，都會(huì)從相關(guān)證據(jù)中牽引出更富挑戰(zhàn)性的新難題。為獲得這些知識(shí)，人類經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)的努力，每一個(gè)成就的取得都是繼續(xù)進(jìn)步的階梯，每一個(gè)難題的發(fā)現(xiàn)又都是對(duì)智力的挑戰(zhàn)……宇宙科學(xué)的發(fā)展歷程既充滿著理性和邏輯的魅力，又為人類留下了無(wú)盡的想象空間。更多的人渴望探知宇宙的奧秘，然而星歷表厚重而不直觀，簡(jiǎn)易星圖由于天體運(yùn)動(dòng)的因素必須在指定時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)；望遠(yuǎn)鏡手工調(diào)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(tǒng)。它的主要特點(diǎn)如下：通過(guò)計(jì)算，在屏幕上顯示出當(dāng)時(shí)當(dāng)?shù)匦菆D，觀測(cè)者無(wú)需攜帶天文資料，在屏幕上將觀測(cè)內(nèi)容實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，使觀測(cè)者無(wú)須忍受長(zhǎng)時(shí)間單眼觀測(cè)的視覺(jué)疲勞，同時(shí)提高了觀測(cè)效果；可對(duì)觀測(cè)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；可非常方便地拍攝、保存觀測(cè)結(jié)果；可對(duì)結(jié)果進(jìn)行一些圖像處理，增強(qiáng)可辨性，系統(tǒng)自動(dòng)記錄觀測(cè)日志，方便整理觀測(cè)資料。
1 嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹
本系統(tǒng)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(tái)。Liod開(kāi)發(fā)平臺(tái)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(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(jià)比。核心板（XSBase270-Core）+底板設(shè)計(jì)（XSBase270-DVK-Ⅱ），擴(kuò)展更靈活，應(yīng)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(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(jì)
移動(dòng)天文觀測(cè)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(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(duì)附屬板上的單片機(jī)串口進(jìn)行復(fù)用，以實(shí)現(xiàn)所需功能。
使用CD4053模擬開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)串口復(fù)用功能，通過(guò)單片機(jī)的控制引腳切換不同的串口信號(hào)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(wèi)星的能力，數(shù)據(jù)更新速率為1 Hz。GPS模塊用來(lái)得到當(dāng)?shù)亟?jīng)緯度及準(zhǔn)確時(shí)間的信息。
數(shù)字指南針采用了周立功ZNJV2模塊，磁場(chǎng)測(cè)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(shí)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(cè)量大氣溫度，用于計(jì)算大氣折射率。
動(dòng)力機(jī)構(gòu)采用廉價(jià)云臺(tái)機(jī)構(gòu)，其內(nèi)部為勻速交流同步電機(jī)，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)短控制其所轉(zhuǎn)角度。
3 天體視位置計(jì)算算法
地球上的觀測(cè)者至天體的空間距離。不同類型的天體距離遠(yuǎn)近相差十分懸殊，測(cè)量的方法也各不相同。 ①太陽(yáng)系內(nèi)的天體是最近的一類天體，可用三角測(cè)量法測(cè)定月球和行星的周日地平視差；并根據(jù)天體力學(xué)理論進(jìn)而求得太陽(yáng)視差。也可用向月球或大行星發(fā)射無(wú)線電脈沖或向月球發(fā)射激光，然后接收從它們表面反射的回波，記錄電波往返時(shí)刻而直接推算天體距離。 ②對(duì)于太陽(yáng)系外的較近天體，三角視差法只對(duì)離太陽(yáng) 100 秒差距范圍以內(nèi)的恒星適用。更遠(yuǎn)的恒星三角視差太小，無(wú)法測(cè)定，要用其他方法間接測(cè)定其距離。但是這些方法顯然不能滿足應(yīng)用的需要。這里實(shí)現(xiàn)的方法是將天體的運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通過(guò)對(duì)數(shù)學(xué)模型中相對(duì)固定的參數(shù)進(jìn)行運(yùn)算，最終得出天體的位置，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比對(duì)驗(yàn)證了這種方法的準(zhǔn)確性和高效性。
星表就是通常所說(shuō)的恒星坐標(biāo)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(biāo)，坐標(biāo)的周年變化和恒星的白行等。
FK5是由德國(guó)海德堡天文所編制的近年來(lái)人們普遍使用的一種絕對(duì)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(duì)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(jì)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(xiě)出相關(guān)函數(shù)庫(kù)，主程序?qū)⑾嚓P(guān)變量如輸入觀測(cè)地點(diǎn)經(jīng)緯度、欲觀測(cè)星體等數(shù)據(jù)即可計(jì)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(guò)直接寫(xiě)屏來(lái)實(shí)現(xiàn)。Linux工作在保護(hù)模式下，用戶態(tài)進(jìn)程是無(wú)法直接使用顯卡：BIOS里提供的中斷調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)直接寫(xiě)屏，故Linux抽象出FrameBuffer。這個(gè)設(shè)備來(lái)供用戶態(tài)進(jìn)程實(shí)現(xiàn)直接寫(xiě)屏。 FrameBtlffer主要是根據(jù)VESA標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)的，所以只能實(shí)現(xiàn)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(shè)備；
（2）通過(guò)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(xiě)內(nèi)存。
由于直接寫(xiě)屏是直接對(duì)顯存進(jìn)行修改，同QT對(duì)程序界面的刷新并不協(xié)調(diào)，因此有時(shí)會(huì)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(kù)中的QImage類來(lái)實(shí)現(xiàn)。
以上論述了如何進(jìn)行采集及顯示，但在實(shí)際的系統(tǒng)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(tǒng)性能，因此使用線程技術(shù)。
在視頻設(shè)備初始化后開(kāi)啟一個(gè)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(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)程在線程中運(yùn)行，通過(guò)Linux系統(tǒng)的自動(dòng)調(diào)度，系統(tǒng)運(yùn)行十分流暢。
5 觀測(cè)的結(jié)果
觀測(cè)結(jié)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等。存儲(chǔ)時(shí)以文件的形式按時(shí)間存儲(chǔ)，形成觀測(cè)日志。
對(duì)天體視位置計(jì)算算法及望遠(yuǎn)鏡實(shí)際指向進(jìn)行了測(cè)試。天體視位置算法的測(cè)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)與專業(yè)天文軟件 STARCALC的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，衡量計(jì)算誤差的大小。望遠(yuǎn)鏡實(shí)際指向的測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的方法。使用的主要測(cè)試工具為計(jì)算機(jī)、量角器等，測(cè)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(jì)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(cè)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(duì)月球的觀測(cè)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(duì)金星的觀測(cè)圖像。
6 結(jié) 語(yǔ)
針對(duì)目前天文觀測(cè)系統(tǒng)的局限和不足，在基于Intel PXA270和Linux環(huán)境下設(shè)計(jì)了一套新的移動(dòng)天文觀測(cè)系統(tǒng)。采用一種特殊的求天體視位置的算法，實(shí)現(xiàn)了天體的高精度定位。用戶可通過(guò)簡(jiǎn)單的點(diǎn)擊操作使天文望遠(yuǎn)鏡自動(dòng)轉(zhuǎn)向欲觀測(cè)的星球，應(yīng)用數(shù)字化視頻采集技術(shù)將觀測(cè)的對(duì)象顯示在屏幕上，并對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，增強(qiáng)了觀測(cè)效果。最后給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)可以判斷該系統(tǒng)與其他系統(tǒng)相比具有精度高，誤差小，觀測(cè)效果好等優(yōu)點(diǎn)。
