基于智能移動終端的天文定位APP設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

吳 浩，周愛軍

（海軍大連艦艇學(xué)院 航海系，遼寧大連 116018）

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，衛(wèi)星導(dǎo)航和無線電導(dǎo)航等系統(tǒng)容易受到干擾，具有自主性特點(diǎn)的天文定位越來越重要。目前天文定位系統(tǒng)主要有3類：基于六分儀的天文定位系統(tǒng)、基于星敏感器的天文定位系統(tǒng)和基于射電的天文定位系統(tǒng)[1-3]。基于六分儀的天文定位系統(tǒng)存在查算表冊步驟繁瑣、依賴水天線等局限性；基于星敏感器和射電的天文定位系統(tǒng)雖然定位精度高，但是設(shè)備體積質(zhì)量都較大，無法隨身攜帶，設(shè)備操作復(fù)雜且價格昂貴。智能電子終端及內(nèi)置傳感器的快速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)開發(fā)天文定位APP提供硬件支持，天文定位APP可在不借助基站信號和衛(wèi)星導(dǎo)航信息的前提下進(jìn)行天文定位。

1 天文定位算法原理

天文定位算法有傳統(tǒng)高度差法、直接解算法和迭代法等[4]。傳統(tǒng)高度差法原理簡單，便于手工繪圖。測者位于同一地點(diǎn)，測算2個夾角合適的天體，即可得出一組天文艦位線方程。

式（5）和式（6）中：φC和λC分別為推算緯度和推算經(jīng)度。

船位圓弧方程是超越方程，直接聯(lián)立求解較為困難。傳統(tǒng)高度差法用直線近似船位圓弧，則會引入曲率誤差。2個天文船位圓相交形成球面三角形，利用球面三角形的邊角關(guān)系可直接解算天文船位。直接解算法有2個近似解，需要對照推測船位進(jìn)行取舍。

迭代法是通過觀測天體可得同一時刻、同一天頂2個天體的觀測真高度h1和h2。2個天體的赤緯和格林時角分別為δ1、δ2和tG1、tG2，所求觀測船位的經(jīng)緯度為(λ,φ)，可得2個船位圓方程為：

式（11）和式（12）中：Δφ和Δλ分別為緯度和經(jīng)度變化量；hC1和hC2分別為2個天體在推算船位的計算高度；AC1、AC2分別為兩天體的計算方位?？捎纱粓A方程求得：

再將近似解(φ,λ)作為新的推算船位進(jìn)行迭代求解，得到新的Δφ和Δλ。當(dāng)Δφ和Δλ的絕對值小于0′.1時，迭代計算結(jié)束。

綜合比較高度差法、直接解析法和迭代法：當(dāng)觀測天體高度超過70°時，高度差法的船位線曲率誤差比較大，因此定位誤差也較大；直接解算法編程較為復(fù)雜，而且結(jié)果需要取舍；迭代法計算編程簡單，既避免了高度差法原理性誤差，又容易編程實(shí)現(xiàn)，可選取迭代法進(jìn)行天文定位計算。

2 天文定位APP 設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

天文定位APP的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)主要包括天文定位計算、PyEphem星歷庫、人機(jī)交互等內(nèi)容，見圖1。

圖1 天文定位APP 系統(tǒng)組成框圖

2.1 星歷計算

天文定位APP計算所用星歷庫為PyEphem。PyEphem庫是一個Python環(huán)境下天文歷法計算的第三方庫，由埃爾伍德·查爾斯·唐尼（Elwood Charles Downey）編寫，采用VSOP87行星理論，其精度在1角秒左右，足以滿足天文航海所要求的0.1角分的精度。PyEphem庫中部分函數(shù)功能見表1。PyEphem星歷庫使用語言是Python，而天文定位APP開發(fā)所使用的軟件為Android Studio，其開發(fā)語言為Java。在Android Studio中調(diào)用Python語言的PyEphem星歷庫需使用Python Community Edition插件。首先對項目框架build.gradle進(jìn)行配置，加入Python程序的運(yùn)行路徑，然后在Android Studio中下載插件，最后在項目中創(chuàng)建Python文件，調(diào)用Python文件的方法見表2。

表1 PyEphem 庫部分函數(shù)功能表

表2 調(diào)用Python 的方法

2.2 人機(jī)交互界面

天文定位APP輸入數(shù)據(jù)是通過EditText控件實(shí)現(xiàn)，并可設(shè)置輸入數(shù)據(jù)的類型、提示內(nèi)容和最大長度等屬性；顯示數(shù)據(jù)是通過TextView控件實(shí)現(xiàn)，可設(shè)置顯示數(shù)據(jù)的顏色和字號等屬性；下拉菜單是通過Spinner控件實(shí)現(xiàn)，可設(shè)置下拉菜單的標(biāo)題、內(nèi)容和下拉模式等屬性[5]，見圖2和圖3。

圖2 人機(jī)交互界面圖

圖3 迭代法程序框圖

3 使用方法和測試結(jié)果分析

3.1 使用方法

在天文定位計算界面，輸入推算船位、觀測時間、時區(qū)和觀測高度等信息，然后點(diǎn)擊“計算”，即可得出觀測者的經(jīng)緯度。

3.2 測試結(jié)果分析

在天氣晴朗、能見度良好的情況下，在華為P20Pro手機(jī)上安裝天文定位APP，多次對恒星進(jìn)行觀測，并進(jìn)行定位計算。對比GPS定位信息與天文定位APP 的定位數(shù)據(jù)，平均誤差約為3 n mile～4 n mile。定位計算選取3月～4月部分?jǐn)?shù)據(jù)為例，定位結(jié)果見表3，推測經(jīng)緯度為38°52.5′N、121°40′E。

表3 定位計算結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)

表3 定位計算結(jié)果部分?jǐn)?shù)據(jù)（續(xù)）

4 結(jié)論

針對天文定位手動查算表冊的缺點(diǎn)，基于Android開發(fā)了天文定位APP，可快速方便比較準(zhǔn)確進(jìn)行天文定位。天文定位APP相較于高度差法方便快捷；相較于星敏感器、射電天文定位，天體定位APP在Android手機(jī)或平板上即裝即用，價格低廉、便于攜帶。對比GPS定位信息與天文定位APP的定位數(shù)據(jù)，天文定位APP定位數(shù)據(jù)的平均誤差為3 n mile～4 n mile左右。天文定位APP適用于在無基站信號和衛(wèi)星導(dǎo)航信息情況下快速得到較為準(zhǔn)確的定位信息。下步打算實(shí)現(xiàn)太陽移線定位和三天體定位功能。