论文部分内容阅读
摘要：本文针对在光测任务站点对实时太阳夹角的需求问题，提出了利用VSOP87行星理论，在AVR单片机平台上的实现任意地点的实时太阳夹角计算的实现方法，并对此方法的特点进行了分析。
关键词：实时 太阳夹角 单片机 实现
在靶场光测装备参试过程中，由于光测装备跟踪目标所采用的一般为操作手通过瞄准镜跟踪或红外自动跟踪的方法。在实际参试过程中，由于光测装备实际布站和任务时段的原因，很多情况下，都会遇到太阳夹角的问题，而装备一旦进入太阳夹角的危险区，轻则可能因亮度高使操作手眼花而丢失目标或红外装置因太阳亮度过高而跟错目标从而导致任务失利，重则可能损伤操作手视力或因红外CCD装置过饱和造成装备损害。提前预知可能进入太阳夹角危险区的时间和方位，成为每位光测装备战位长非常关心的问题。
在实际操作过程中，一般采取的方法是依据日常训练时，对任务时段的高低角数据来对可能进入太阳夹角的时机和区域进行估计。但由于在实际飞行任务过程中，发射零点可能随任务执行中的可能出现的各种突发情况而推迟或顺延，在这种情况下，光测装备在合练中根据理论数据所选择的躲避太阳夹角的方法和时机都因此无法使用。因此，一种能够适合野外站点的计算实时太阳视角位置的装置，可以较好地解决此类问题。
针对上述需求，依据VSOP87行星理论，利用GPS模块接收时间和经纬度信息，使用具有较强运算能力的AVR单片机，可以进行中纬度地区任一时刻太阳视角位置的实时计算，且精度可以满足试验任务的实际需要，具有一定的应用价值。
一、便携式实时太阳视角计算装置的系统主要构成
1.格林尼治时间和本地经纬度的接收采用HOLUX公司的M-89 GPS接收模块，该模块外形尺寸仅为25.4*25.4*3mm，核心采用ARM7EJ-S芯片，输出数据格式符合NMEA0183通用标准，具有冷启动速度快，对GPS天线要求较低，输出数据稳定以及适应环境条件较宽等特点。
2.显示与输入控制单元采用LCM320240zk型液晶屏，该型器件具有适用条件广，显示对比度高，触摸控制定位准确的特点。
3.主控器件部分采用ATMEL的AVR mega128L型单片机，该型器件的主要特点是运算控制能力强，内存空间和程序存储空间较大，同时具有体积小，功耗低，使用环境条件较宽的特点，可以满足实际需要。
二、实时太阳视角计算所用方法及其实现过程
1.太阳视位置的实时计算方法。以光测装备的实际参试情况来看，提前对进入太阳夹角危险区域的预测和规避对实时太阳的视位置精度要求一般为小于30′左右即可，考虑到单片机的运算能力和对外围器件的相应可控制需求，可以假设地球运动是一个纯椭圆，也就说忽略月球及行星摄动，可以满足要求的精度，计算过程如下:
a.在格林尼治时间已知（GPS接收）的情况下，计算当时儒略日数及相对儒略世纪数。
J为自公元2000年1月1日零时起算的儒略日数，INT表示取整，Y表示自公元2000年起算的年数，M为月数，D为日数，t为格林尼治时间，T为相对儒略世纪数。
b.计算黄道与月球平轨道升交点黄经；太阳几何平黄经；月亮几何平黄经及黄经章动。
mw为黄道与月球平轨道升交点黄经，L为太阳几何平黄经，Date平分点起算，L1为月亮几何平黄经，hjzd为黄经章动，radeg=57.29577951307。
c.计算考虑黄经章动情况下的黄赤交角；计算当前时刻格林尼治平恒星时，加章动修正。
Q0为任意时刻格林尼治平恒星时，未加章动修正；ybc为平黄赤交角；
d.计算太阳平近点及真黄经并以此算出太阳地心赤经及太阳地心赤纬。
M为太阳平近点角；wa为太阳真黄经；dcw为太阳地心赤纬；dcj为太阳地心赤经；
e.在本地经度已知的情况下，计算本地时角。
H为本地时角； 为格林尼治平恒星时；jd为本地经度；dcj为太阳地心赤经；
f.在本地纬度已知的情况下，利用坐标变换公式计算出本地现在时刻太阳方位角、高低角即视位置。
fj为所求的相对本地现在时刻太阳方位角；gj为所求的相对本地现在时太阳高度角；wd为本地维度；
2.硬件组成示意图
3.系统软件流程图：
三、结束语
在本系统硬件上可以实现液晶屏显示数据刷新率为每秒四帧的条件下，太阳视角实时精度计算达到0.01度而这对于本装置的应用来讲已经足够。
通过实际的应用试验，本装置能够在显示数据刷新率为每秒四帧的条件下，太阳视角实时精度计算达到0.1度，并且可以较为方便地与某型光测装备互相配合，达到了预期目的，在实际应用中具有较好的推广价值。
参考文献：
[1] ean. Meeus，Astronomical Algorithms， Willmann-Bell.Inc.1991.
[2] 陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega 128单片机原理与开发指导[M].机械工业出版社.2005.
[3] 康一梅.嵌入式软件设计[M].机械工业出版社.2007.
[4] 郭丽华,朱元昌,邸彦强.基于遗传算法的光电经纬仪布站优化设计.仪器仪表学报[J].2010.04.
[5] 王书宏,胡谋法,陈曾平.强背景下空间目标光电探测的可行性分析.信号处理[J].2007.08.
[6] 周诗悦,朱凯,刘爽.太阳能电池板自动跟踪系统.控制工程[J].2009.11.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”
关键词：实时 太阳夹角 单片机 实现
在靶场光测装备参试过程中，由于光测装备跟踪目标所采用的一般为操作手通过瞄准镜跟踪或红外自动跟踪的方法。在实际参试过程中，由于光测装备实际布站和任务时段的原因，很多情况下，都会遇到太阳夹角的问题，而装备一旦进入太阳夹角的危险区，轻则可能因亮度高使操作手眼花而丢失目标或红外装置因太阳亮度过高而跟错目标从而导致任务失利，重则可能损伤操作手视力或因红外CCD装置过饱和造成装备损害。提前预知可能进入太阳夹角危险区的时间和方位，成为每位光测装备战位长非常关心的问题。
在实际操作过程中，一般采取的方法是依据日常训练时，对任务时段的高低角数据来对可能进入太阳夹角的时机和区域进行估计。但由于在实际飞行任务过程中，发射零点可能随任务执行中的可能出现的各种突发情况而推迟或顺延，在这种情况下，光测装备在合练中根据理论数据所选择的躲避太阳夹角的方法和时机都因此无法使用。因此，一种能够适合野外站点的计算实时太阳视角位置的装置，可以较好地解决此类问题。
针对上述需求，依据VSOP87行星理论，利用GPS模块接收时间和经纬度信息，使用具有较强运算能力的AVR单片机，可以进行中纬度地区任一时刻太阳视角位置的实时计算，且精度可以满足试验任务的实际需要，具有一定的应用价值。
一、便携式实时太阳视角计算装置的系统主要构成
1.格林尼治时间和本地经纬度的接收采用HOLUX公司的M-89 GPS接收模块，该模块外形尺寸仅为25.4*25.4*3mm，核心采用ARM7EJ-S芯片，输出数据格式符合NMEA0183通用标准，具有冷启动速度快，对GPS天线要求较低，输出数据稳定以及适应环境条件较宽等特点。
2.显示与输入控制单元采用LCM320240zk型液晶屏，该型器件具有适用条件广，显示对比度高，触摸控制定位准确的特点。
3.主控器件部分采用ATMEL的AVR mega128L型单片机，该型器件的主要特点是运算控制能力强，内存空间和程序存储空间较大，同时具有体积小，功耗低，使用环境条件较宽的特点，可以满足实际需要。
二、实时太阳视角计算所用方法及其实现过程
1.太阳视位置的实时计算方法。以光测装备的实际参试情况来看，提前对进入太阳夹角危险区域的预测和规避对实时太阳的视位置精度要求一般为小于30′左右即可，考虑到单片机的运算能力和对外围器件的相应可控制需求，可以假设地球运动是一个纯椭圆，也就说忽略月球及行星摄动，可以满足要求的精度，计算过程如下:
a.在格林尼治时间已知（GPS接收）的情况下，计算当时儒略日数及相对儒略世纪数。
J为自公元2000年1月1日零时起算的儒略日数，INT表示取整，Y表示自公元2000年起算的年数，M为月数，D为日数，t为格林尼治时间，T为相对儒略世纪数。
b.计算黄道与月球平轨道升交点黄经；太阳几何平黄经；月亮几何平黄经及黄经章动。
mw为黄道与月球平轨道升交点黄经，L为太阳几何平黄经，Date平分点起算，L1为月亮几何平黄经，hjzd为黄经章动，radeg=57.29577951307。
c.计算考虑黄经章动情况下的黄赤交角；计算当前时刻格林尼治平恒星时，加章动修正。
Q0为任意时刻格林尼治平恒星时，未加章动修正；ybc为平黄赤交角；
d.计算太阳平近点及真黄经并以此算出太阳地心赤经及太阳地心赤纬。
M为太阳平近点角；wa为太阳真黄经；dcw为太阳地心赤纬；dcj为太阳地心赤经；
e.在本地经度已知的情况下，计算本地时角。
H为本地时角； 为格林尼治平恒星时；jd为本地经度；dcj为太阳地心赤经；
f.在本地纬度已知的情况下，利用坐标变换公式计算出本地现在时刻太阳方位角、高低角即视位置。
fj为所求的相对本地现在时刻太阳方位角；gj为所求的相对本地现在时太阳高度角；wd为本地维度；
2.硬件组成示意图
3.系统软件流程图：
三、结束语
在本系统硬件上可以实现液晶屏显示数据刷新率为每秒四帧的条件下，太阳视角实时精度计算达到0.01度而这对于本装置的应用来讲已经足够。
通过实际的应用试验，本装置能够在显示数据刷新率为每秒四帧的条件下，太阳视角实时精度计算达到0.1度，并且可以较为方便地与某型光测装备互相配合，达到了预期目的，在实际应用中具有较好的推广价值。
参考文献：
[1] ean. Meeus，Astronomical Algorithms， Willmann-Bell.Inc.1991.
[2] 陈冬云,杜敬仓,任柯燕.ATmega 128单片机原理与开发指导[M].机械工业出版社.2005.
[3] 康一梅.嵌入式软件设计[M].机械工业出版社.2007.
[4] 郭丽华,朱元昌,邸彦强.基于遗传算法的光电经纬仪布站优化设计.仪器仪表学报[J].2010.04.
[5] 王书宏,胡谋法,陈曾平.强背景下空间目标光电探测的可行性分析.信号处理[J].2007.08.
[6] 周诗悦,朱凯,刘爽.太阳能电池板自动跟踪系统.控制工程[J].2009.11.
注：“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”