基于PXA270的移動天文觀測系統設計

近幾年來，隨著人類文明社會的發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(為避開城市燈光及污染等因素)；不斷調整望遠鏡，尋找欲觀測天體；定位天體后架設攝影器材進行拍攝。整個觀測過程中存在諸多不便，如天體在天空中不斷運動，每次觀測之前必須查閱相關資料確定天體位置，然而星歷表厚重而不直觀，簡易星圖由于天體運動的因素必須在指定時間進行觀測；望遠鏡手工調整非常繁瑣；拍攝不便。

為了解決上述問題而開發本系統。它的主要特點如下：通過計算，在屏幕上顯示出當時當地星圖，觀測者無需攜帶天文資料，在屏幕上將觀測內容實時顯示出來，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；可對觀測圖像進行實時處理；可非常方便地拍攝、保存觀測結果；可對結果進行一些圖像處理，增強可辨性，系統自動記錄觀測日志，方便整理觀測資料。

1 嵌入式開發平臺介紹

本系統采用深圳億道電子開發的一套基于IntelXScale PXA270處理器的Liod嵌入式開發平臺。Liod開發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發平臺，主頻高達520 MHz，支持Intel Wireless MMX及Step Speed技術，超低功耗，超高性價比。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

移動天文觀測系統以Liod板為主控板，在此基礎上擴展了相關電路，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行復用，以實現所需功能。

使用CD4053模擬開關來實現串口復用功能，通過單片機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顆衛星的能力，數據更新速率為1 Hz。GPS模塊用來得到當地經緯度及準確時間的信息。

數字指南針采用了周立功ZNJV2模塊，磁場測量范圍為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。

動力機構采用廉價云臺機構，其內部為勻速交流同步電機，通過控制電機轉動時間長短控制其所轉角度。

3 天體視位置計算算法

天體的視位置是天文觀測中最重要的一個數據。天體的視位置最初是通過查閱相關歷書得到，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，天體的數據量大，整本年歷有大量數據，而且每年都必須進行數據更新。這種方法顯然不能滿足應用的需要。這里實現的方法是將天體的運動簡化為數學模型，通過對數學模型中相對固定的參數進行運算，最終得出天體的位置，通過實驗比對驗證了這種方法的準確性和高效性。

星表就是通常所說的恒星坐標表，它由天體的視位置經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，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，經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學模型，其基本流程圖如圖3所示。



按照以上算法編寫出相關函數庫，主程序將相關變量如輸入觀測地點經緯度、欲觀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直接寫屏來實現。Linux工作在保護模式下，用戶態進程是無法直接使用顯卡：BIOS里提供的中斷調用來實現直接寫屏，故Linux抽象出FrameBuffer。這個設備來供用戶態進程實現直接寫屏。 FrameBtlffer主要是根據VESA標準實現的，所以只能實現最簡單的功能。

直接寫屏的過程：

(1)打開一個FrameBuffer設備；

(2)通過調用mmap()把顯卡的物理內存空間映射到用戶空間；

(3)直接寫內存。

由于直接寫屏是直接對顯存進行修改，同QT對程序界面的刷新并不協調，因此有時會出現顯示上的瑕疵，為此使用另一種方法顯示圖像數據，即利用QT庫中的QImage類來實現。
以上論述了如何進行采集及顯示，但在實際的系統中存在多個任務，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，影響系統性能，因此使用線程技術。

在視頻設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據，采集完一幀數據會改寫狀態變量；顯示部分采用定時顯示，每隔一段時間判斷狀態變量是否為“已采集完畢”狀態，如果是則進行顯示。由于需要耗時等待的采集過程在線程中運行，通過Linux系統的自動調度，系統運行十分流暢。

5 觀測的結果

觀測結果包括：拍攝到的圖像、拍攝時所在地的經緯度、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鏡實際指向進行了測試。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)，通過與專業天文軟件 STARCALC的計算結果進行比對，衡量計算誤差的大小。望遠鏡實際指向的測試采用現場測量的方法。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°，滿足系統觀測要求。

圖4給出北京時間2008年6月27日20：22：49，在福州大學城(東經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，在福州大學城(東經119．29°，北緯26．08°)對金星的觀測圖像。


6 結 語

經測試，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，亦可用于遠距離視頻監控、人造衛星接收、天線指向控制、太陽能電池板指向控制等領域。