CN114141078B - 基于天体视位置的航海技能训练辅助系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于天体视位置的航海技能训练辅助系统，属于航海教学训练技术领域。本发明采用GNSS(全球导航卫星系统)模块定位授时、服务器解算天体视位置(视高度与真方位)和磁差、无线网络播发报文、手表式终端接收显示的方式，构建航海技能训练辅助系统，支持天体视高度、真方位和罗方位的实时读取及按需锁定显示，实时、自动地为航海技能训练提供观测基准值，且将观测基准值的获取途径由强制收听改为按需查看，增强多组学员观测训练的独立性，利于因材施教，提高训练效率，改善训练效果。
Description
技术领域
本发明属于航海教学训练技术领域，涉及基于天体视位置的航海技能训练辅助系统。
背景技术
磁罗经自差校正、陀螺罗经差测定和航海六分仪(以下简称六分仪)观测天体高度是舰艇航海人员必备的基本技能，也是航海专业课程教学和出海实习中的重要训练科目。
磁罗经自差校正和陀螺罗经差测定常以太阳等天体的方位为测量基准，以往需事先查取《航海天文历》、《天体高度方位表》和《太阳方位表》等多个表册并经内插和改正得到预定海区特定时段的天体准确方位。
六分仪观测天体高度训练中，需提供太阳等天体的准确视高度作为观测基准值，供学员边观测边比对，以纠正不良观测习惯，提高观测水平。该准确视高度以往采用教员人工语音播报或电脑连接音箱自动播报的方式，学员通过听觉通道获取。在航海专业学员的教学训练中，针对人工查算天体方位表耗时费力、语音播报观测基准值效果欠佳且效率低下等问题，采用手表式终端连续接收广播报文并解析显示的方式，通过视觉通道实时、自动地为航海技能训练提供观测基准值，增强多组学员观测训练的独立性，提高训练效率，改善训练效果。
磁罗经自差校正和陀螺罗经差测定所需的太阳等天体方位表的人工查算过程耗时费力，且该种表格一般以2分钟的时间间隔制定，使用时遇到非偶数整分的时刻还需人工内插计算，附属工作量大。
六分仪观测天体高度训练所需的天体准确视高度播报方式存在明显弊端：人工播报时，教员劳动强度大，不适合长时间连续观测训练；电脑自动播报时，需设置某固定的播报周期，不同训练水平的学员需跟随其统一的播报节奏，甲板站位分散和航行风等因素易导致学员听不清播报语音，且每次比对均需人工刨除各自六分仪的指标差和器差，训练效率低，效果不理想。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的问题，采用GNSS(全球导航卫星系统)模块定位授时、服务器解算天体视位置(视高度与真方位)和磁差、无线网络播发报文、手表式终端接收显示的方式，构建航海技能训练辅助系统，支持天体视高度、真方位和罗方位的实时读取及按需锁定显示，实时、自动地为航海技能训练提供观测基准值，且将观测基准值的获取途径由强制收听改为按需查看，增强多组学员观测训练的独立性，利于因材施教，提高训练效率，改善训练效果。
本发明的具体技术方案为：
基于天体视位置的航海技能训练辅助系统，包括服务端和终端；服务端包括GNSS模块、服务器和无线AP基站；GNSS模块安装于露天开阔部位，通过接收导航卫星信号解算出位置及时刻信息，并通过串口传输至服务器；服务器和终端通过无线AP基站上配置的热点建立无线连接；服务器根据定位与授时信息调用地球磁场模型计算当地磁差，调用星历表模型计算被测天体的地心真高度和真方位，并对真高度进行误差(包括折光差、眼高差、视差和半径差)反修正得到天体观测高度真值，与日期时刻、天体名称、真方位、磁方位、磁差信息组成报文，通过局域网传输至无线AP基站；基站热点以UDP协议实时广播上述报文；终端连接至无线热点后连续接收报文，解析其中的信息并在屏幕上显示，配合按键操作实现辅助训练功能。
进一步地，上述GNSS模块选用u-blox NEO-M8N芯片，支持北斗、GPS/QZSS和Galileo联合定位和星基增强系统，数据语句协议配置为NMEA 0183 4.0版。
进一步地，上述无线AP基站选用LG-HWAP50胖版本；其单台热点可接入的终端设备数量为70个，满足批量学员的训练使用需求；2.4GHz无线信号水平全向覆盖半径不小于150m，可按需中继布设实现舰艇多平台有遮挡环境下的信号覆盖；IP65防护等级适应舰艇上固定安装时海水飞溅和盐雾等恶劣环境。
进一步地，上述服务器为运行Windows 7SP1或更高版本系统的计算机；服务器通过串口接收GNSS模块发出的数据，解析其中的经纬度、日期、时刻和定位有效性字段；当数据有效时，调用地球主磁场模型(WMM，World Magnetic Model)计算当地磁差；调用天文航海星历表模型计算选定天体的地心真高度和真方位，并对折光差、眼高差、视差和半径差误差项进行反修正，得到该天体视高度真值；根据GNSS模块定位信息可用性、天体视位置解算数据有效性及远程控制状态进行编码；将报文通过无线AP基站对外广播。支持包括太阳、金星、火星、木星、土星、月亮和航海常用恒星在内共50颗星体数据的计算与广播，训练中可根据需要选用。
进一步地，上述终端选用的M5Stack可编程控制器是基于ESP32芯片的高集成度物联网开发套件；该控制器内置2.4GHz Wi-Fi功能和3D天线，用于连接无线服务热点；集成1块2英寸320×240像素分辨率的彩色LCD屏，用于显示天体视位置等辅助训练信息；提供3个实体按键(非触摸)用于指标差器差输入、工作状态切换以及其它人机交互操作；加装底壳和表带用于手腕佩戴，实现可穿戴形态；Type-C USB接口用于编程下载，且兼容5V充电方案。
进一步地，上述终端工作流程：单击终端电源键开机后，程序初始化，先引用ESP32的WiFiUdp、M5Stack和display_ch头文件后，通过Lcd.begin函数启动屏幕并调用Lcd.setBrightness函数将其亮度设为中档，Speaker.mute函数使扬声器静音，displaych.loadHzk16函数加载汉字库，绘制顶端标题栏文字、图像、Wifi信号标识、电池电量及充电状态；连接服务热点并判定服务状态有效后，接收广播报文并解析其中的日期时刻、时区、天体索引、天体真高度、真方位、磁方位、磁差和眼高信息，按布局分区显示在屏幕上，同时将服务端状态编码报文和终端自身工作状态汇总成系统服务状态，在屏幕状态显示区以不同字符和颜色显示；连续接收报文并刷新显示期间，对A、B和C键这3个物理按键进行中断响应；若按下A键，则进入“i+S”值(六分仪指标差与器差的代数和)装定状态，此时按B键将其值递增0.1′(角分)，按C键将其值递减0.1′，再次按A键结束装定，程序将广播报文中的天体视高度真值减去“i+S”值得到所用六分仪的观测高度准确值，六分仪读数与该值之差即观测误差；若按下B键，则在天体视位置连续更新显示(继续)与锁定显示(暂停)状态之间切换，锁定显示状态旨在方便学员每次观测完毕时将六分仪高度(六分仪分度弧、鼓形轮与游标尺的综合读数)与终端所示准确值进行比对；若按下C键，则显示的天体方位值在真方位(TB)与磁方位(MB)之间切换，真方位用于辅助测定陀螺罗经差，磁方位用于辅助校正磁罗经自差训练；运行过程中能够随时双击终端电源键关机，或者由服务端统一执行“关机”指令远程控制所有在线的终端关机。
本发明的有益效果为：
1、辅助训练基准值获取途径由听觉通道改为视觉通道
使用本系统辅助训练时，学员通过手表式终端屏幕获取辅助训练基准值，其途径由以往听觉通道(周期性的统一音频播报)的强制接收改为视觉通道的按需查看。各组学员观测过程中可随时观测随时比对，而不必按照节奏完全同步进行，观测耗时短的学员可以在达到训练指标要求后转入其它训练科目，避免因多次等待而浪费宝贵的训练时间，增强了组与组之间观测训练的独立性，利于因材施教和训练的个性化，也不再受航行风和其它噪音干扰，训练效率大为提升。
2、终端功能实用，界面布局合理
终端采用手腕穿戴式设计，无需持握，在保持轻巧(仅72g)的同时，提供较大的可视面积，界面信息显示直观，按键操作简单方便。要素配色、显示格式、单位符号、字符大小、服务状态及按键提示等均按照航海人员使用习惯进行科学合理设计并经使用检验优化。终端默认工作界面的显示区域划分及按键功能。
针对磁罗经自差校正和陀螺罗经差测定训练，所需天体方位以往需查表并经内插和改正获取，耗时长且效率低。尤其是利用太阳方位校正磁罗经自差时，需预先查算选定海区在任务时段内每隔2分钟的太阳真方位，并根据磁差换算制定太阳磁方位表，工作量较大；且通过海图向位圈等方式获取的磁差信息因更新周期长(数年)而不准确，造成由真方位换算出的磁方位亦含较大误差，导致剩余自差偏大而影响航行使用。本系统可实时提供所处位置(经纬度)的磁差、天体真方位和磁方位，无需查表和换算。
针对六分仪观测天体高度训练，以往统一周期性音频播报的基准值是天体视高度真值，每次观测比对均需人工刨除各自六分仪的指标差和器差后，六分仪高度才可与之比对，人工计算步骤较多。本系统终端提供与六分仪鼓形轮游标相同精度的指标差与器差装定(步进值0.1′)功能，且仅需在每轮观测之初操作一次。如，第一更次学员到达训练场地后，取出各自六分仪测定指标差i，与器差S求代数和并通过各自终端的按键进行装定，则后续每次观测完毕时可直接将六分仪高度与终端显示的观测高度准确值比对，以判定观测误差大小及方向，纠正不良观测习惯，快速提高观测水平。
3、终端程序低功耗设计
为保证终端重量轻、佩戴无负重感前提下的续航时间，终端程序设计过程中采用了多种降低功耗的措施。可根据工作状态和当前连接条件，调用ets_update_cpu_frequency函数动态调节ESP32芯片的CPU频率，如进入“暂停”状态或屏幕熄灭期间将其下降至80MHz，连续更新期间再将频率提升至160MHz。M5Stack电源管理芯片为IP5306的定制版本，支持I2C通信。调用Wire.begin函数后，对其寄存器地址的操作按照“读→修改→写”的方式进行。设置亮屏延时模块，当终端按键无操作30s后熄灭屏幕(调用Power.setPowerBoostKeepOn、Lcd.setBrightness和Lcd.sleep函数)，但保持WiFi连接和报文接收，按A、B、C键中的任意键可点亮屏幕(调用Power.setPowerBoostKeepOn、Lcd.wakeup和Lcd.setBrightness函数)；设置超时模块，当开机后连接服务器超时(30s)或数据无效超时(60s)事件发生时，终端将调用Power.powerOFF函数自动关机；关闭蓝牙基带和射频等非必要功能；将界面主体背景设为黑色等暗色。
使用700mAh容量的锂电池时，连续工作时间在8小时以上，可保证1个训练日中2更次(每更次3小时)及晨光昏影期间(约1小时)的辅助训练需求。
本系统以位置和时刻信息为输入，以天体视位置和磁差等信息为输出，功能多样，性能优异。
应用于基于天体方位的磁罗经自差校正和陀螺罗经差测定训练后，实时、高精度的测量基准信息避免了查表、计算和制备专用表格的繁冗工作，不仅降低了学员岗位任职能力训练的时间成本，而且间接提高了指向装备的航向保证及物标方位测量精度，进而为陆标定位、推算定位及武器系统射击等训练科目提供了信息保障。
应用于太阳高度观测、晨光测星及昏影测星等训练后，各组参训学员观测活动的独立性明显提高，避免了采用同步音频播报时“慢者奋力苦追、快者耗时等待”的局面，可按照各自的快慢程度进行观测数据的比对和量化分析，在高速航行的舰艇甲板环境中也不受航行风和其它噪音的干扰，有利于学员在有条不紊的操作中尽快找准自己的技能短板，纠正不良观测习惯，从而增强训练的针对性，使每次操作有的放矢，训练时间明显缩短，观测水平精益求精。
附图说明
图1为系统构成示意图。
图2为终端流程图。
具体实施方式
本系统在舰艇航海指挥专业“航海仪器”、“天文航海”等课程实践教学(陆上训练场)和远航出海实习(训练舰艇甲板)过程中均进行了实际应用。
1、辅助磁罗经自差校正技能训练
下述实施过程以利用太阳方位测定磁罗经自差为例。终端屏幕显示的磁差和实时更新的太阳磁方位可直接用于求取磁罗经自差，因而无需预先查算和制定太阳磁方位表，省却了前期人工制表工作量和准备时间，使学员专注于自差校正任务本身。只要天气和海区等条件允许，可随时展开磁罗经自差校正技能训练。参训学员按磁罗经的数量分组，每个磁罗经部位配备1部终端。
1)按照爱利法(Airy Method)，操纵舰艇稳定航行于选定的磁航向。
2)确认终端屏幕显示太阳的磁方位MB(若显示TB，请按终端MB键)。
3)利用方位圈太阳反射镜及经棱镜反射至罗盘表面的亮线观测太阳罗方位CB，测取完毕时按下终端暂停键(暂停)，读取其屏幕锁定显示的MB值，并按公式求取自差：
δ＝MB-CB
4)在磁罗经自差校正装置中，使用硬磁棒或软铁片将上述自差δ按需消除到0或δ/2。
5)操纵舰艇转入下一磁航向并稳定航行，重复上述自差测定与消除的过程，共航行4个主点磁航向和2个正交的隅点磁航向。
6)同法，操纵舰艇在4个主点磁航向和4个隅点磁航向上测定剩余自差。
7)填制剩余自差表，即可为舰艇后续使用磁罗经航行提供可靠的自差信息。
2、辅助天体高度观测技能训练
下述实施过程以观测金星高度为例。参训学员每2人编为1组(观测员与记录员各1名)，每名记录员配备1部终端。
1)观测员对所用六分仪进行检查与规正后，测定其指标差i，并与该六分仪器差S求代数和，得到“i+S”。
2)记录员按下终端“i+S”键进入指标差与器差装定状态，所示，通过按B或C键输入“i+S”值(以0.1′为步进值递增或递减)，并按确认键，此后屏幕显示的“高度”即该六分仪对金星的观测高度准确值。
3)观测员垂直持六分仪，通过推拉指标杆和转动鼓形轮，按照“大摆找切线、小摆找切点、微摆等相切”的要领进行观测，当金星反射影像“微摆”弧线与水天线直射影像在望远镜视野中央相切时，发出口令，记录员按下终端暂停键，屏幕上的“高度”值锁定显示(日期时刻等信息正常更新)，并在右下区域以红色字符显示观测时刻(UTC，协调世界时)。
4)将六分仪高度与终端显示“高度”值进行比较。若前者大于后者，则可判定观测时金星反射影像摇摆弧线与水天线已相离；若前者小于后者，则可判定观测时金星反射影像摇摆弧线与水天线已相割。后续观测中应调整重合时机，修正观测习惯，直至观测误差满足训练指标要求，反复体会并固化相切情景感受，依此提高观测员的观测水平，进而为天文舰位线精度的提高奠定基础。如果误差明显过大，可能是选用了假水天线，应提醒观测员环视其它方向上的水天线，并与所测天体下方的水天线进行比较辨认。
Claims (4)
1.基于天体视位置的航海技能训练辅助系统，其特征在于，包括服务端和终端；服务端包括GNSS模块、服务器和无线AP基站；GNSS模块安装于露天开阔部位，通过接收导航卫星信号解算出位置及时刻信息，并通过串口传输至服务器；服务器和终端通过无线AP基站上配置的热点建立无线连接；服务器根据定位与授时信息调用地球磁场模型计算当地磁差，调用星历表模型计算被测天体的地心真高度和真方位，并对真高度进行误差反修正得到天体观测高度真值，与日期时刻、天体名称、真方位、磁方位、磁差信息组成报文，通过局域网传输至无线AP基站；基站热点以UDP协议实时广播上述报文；终端连接至无线热点后连续接收报文，解析其中的信息并在屏幕上显示，配合按键操作实现辅助训练功能；终端选用的M5Stack可编程控制器是基于ESP32芯片的高集成度物联网开发套件；该控制器内置2.4GHzWi-Fi功能和3D天线，用于连接无线服务热点；集成1块2英寸320×240像素分辨率的彩色LCD屏，用于显示包括天体视位置在内的辅助训练信息；提供3个实体按键用于指标差器差输入、工作状态切换以及其它人机交互操作；加装底壳和表带用于手腕佩戴，实现可穿戴形态；Type-C USB接口用于编程下载，且兼容5V充电方案；
终端工作流程：单击终端电源键开机后，程序初始化，先引用ESP32的WiFiUdp、M5Stack和display_ch头文件后，通过Lcd.begin函数启动屏幕并调用Lcd.setBrightness函数将其亮度设为中档，Speaker.mute函数使扬声器静音，displaych.loadHzk16函数加载汉字库，绘制顶端标题栏文字、图像、Wifi信号标识、电池电量及充电状态；连接服务热点并判定服务状态有效后，接收广播报文并解析其中的日期时刻、时区、天体索引、天体真高度、真方位、磁方位、磁差和眼高信息，按布局分区显示在屏幕上，同时将服务端状态编码报文和终端自身工作状态汇总成系统服务状态，在屏幕状态显示区以不同字符和颜色显示；连续接收报文并刷新显示期间，对A、B和C键这3个物理按键进行中断响应；若按下A键，则进入“i+S”值装定状态，此时按B键将其值递增0.1′，按C键将其值递减0.1′，再次按A键结束装定，程序将广播报文中的天体视高度真值减去“i+S”值得到所用六分仪的观测高度准确值，六分仪读数与该值之差即观测误差；若按下B键，则在天体视位置连续更新显示与锁定显示状态之间切换，锁定显示状态旨在方便学员每次观测完毕时将六分仪高度与终端所示准确值进行比对；若按下C键，则显示的天体方位值在真方位与磁方位之间切换，真方位用于辅助测定陀螺罗经差，磁方位用于辅助校正磁罗经自差训练；运行过程中能够随时双击终端电源键关机，或者由服务端统一执行“关机”指令远程控制所有在线的终端关机。
2.根据权利要求1所述的基于天体视位置的航海技能训练辅助系统，其特征在于，所述GNSS模块选用u-blox NEO-M8N芯片，支持北斗、GPS/QZSS和Galileo联合定位和星基增强系统，数据语句协议配置为NMEA 0183 4.0版。
3.根据权利要求1所述的基于天体视位置的航海技能训练辅助系统，其特征在于，所述无线AP基站选用LG-HWAP50胖版本；其单台热点可接入的终端设备数量为70个；2.4GHz无线信号水平全向覆盖半径不小于150m。
4.根据权利要求1所述的基于天体视位置的航海技能训练辅助系统，其特征在于，服务器为运行Windows 7SP1或更高版本系统的计算机；服务器通过串口接收GNSS模块发出的数据，解析其中的经纬度、日期、时刻和定位有效性字段；当数据有效时，调用地球主磁场模型计算当地磁差；调用天文航海星历表模型计算选定天体的地心真高度和真方位，并对折光差、眼高差、视差和半径差误差项进行反修正，得到该天体视高度真值；根据GNSS模块定位信息可用性、天体视位置解算数据有效性及远程控制状态进行编码；将报文通过无线AP基站对外广播。
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