基于鱼眼相机的舰船天文导航关键技术研究

Celestial Navigation is an important kind of marine autonomous navigation methods. However, its development is enslaved to such bottleneck problems as less imaged star and depends on external horizontal datum. These problems could be solved by utilizing a fisheye camera to image the stars and horizontal line simultaneously. This method not only could extremely increase the imaged star number, but also could get rid of the dependence on external horizontal datum by fitting the horizontal line. Therefore, high precision, miniature, and autonomous marine celestial navigation could be realized. This project will devote to research on the theory and key technology of marine celestial navigation based on fisheye camera. The main content include the calibration of fisheye camera, the determination of horizontal datum based on horizontal line, all-sky star extraction and identification algorithm, and celestial navigation algorithm based on mass observation. Through the research of this project, we could break through the existing celestial navigation theory, broaden the methods of marine celestial navigation, fill the blank of related technology field both foreign and domestic, and finally establish the theory and algorithm of marine celestial navigation based on fisheye camera.

天文导航是一种重要的舰船自主导航手段，但是其发展受制于单幅星图可拍摄星点数量少和依赖外部水平基准等瓶颈问题。利用鱼眼相机同时对天体和水天线成像不仅可以极大地增加拍摄星点的数量，还可以通过拟合水天线来提供水平基准以摆脱对外部水平基准装置的依赖，从而实现高精度、小型化、自动化的舰船天文导航。本项目拟对基于鱼眼相机的舰船天文导航理论及其关键技术进行研究，主要内容包括鱼眼相机成像畸变标校、基于水天线的水平基准确定、全天区星点提取与星图识别、基于海量观测值的舰船天文导航算法等。通过本项目的研究，可以突破现有的舰船天文导航理论，拓宽舰船天文导航的技术手段，率先在国内外开展该技术领域的研究，对进一步发展我国舰船天文导航理论技术具有极其重要的意义。

舰船天文导航技术的发展受制于单幅星图可拍摄星点数量少和依赖外部水平基准等瓶颈问题。本项目提出利用鱼眼相机同时对天体和水天线成像，不仅可以极大地增加拍摄星点的数量，而且可以通过拟合水天线来提供水平基准以摆脱对外部水平基准装置的依赖，从而实现高精度、小型化、自动化的舰船天文导航。项目主要开展了以下研究:1）建立了精确的鱼眼相机畸变模型，完成了鱼眼相机的成像畸变标校；2）实现了亚像素级的水天线智能化提取，实现了基于鱼眼星图中水天线的水平基准确定；3）完成了星点的自动化提取技术研究，实现了高精度星点提取，研究了智能化的恒星优化选择算法，为超大视场快速星图识别打下基础，实现了初始模式下的超大视场星图盲匹配和跟踪模式下的快速星图识别；4）建立了基于海量观测值的天文定位模型，提出了抗差自适应舰船天文导航算法，开展了舰船天文导航实验与分析。.本项目共完成了36项研究成果，其中包含教材1部、发明专利4项、SCI论文4篇、EI论文5篇。项目成果获省部级科技进步二等奖1项、协助培养硕士4名。项目突破了超大视场舰船天文导航所涉及的原理、方法和关键技术，进行了舰载天文导航实验，结果表明基于鱼眼相机的舰船天文导航不受复杂电磁环境的影响，只需5分钟就可以完成滤波收敛，定位精度为0.42海里，定向精度为17.8秒，实现了高精度、高效率、自动化的天文导航，可为新型舰载天文导航系统和舰船组合导航系统研制提供理论技术支撑。