Цифровой секстан

Заявляемая полезная модель относится к области морского судовождения, а именно к навигационным приборам, определяющим по расположению небесных светил географические координаты судна. Предлагаемое устройство обеспечивает перевод показаний навигационного секстана в цифровой вид.
В условиях современного мореплавания актуальной задачей безопасности судов является кроме радиотехнических средств связи, обеспечивающих определение координат местоположения объекта, наличие на борту резервных способов аналогичного назначения. Одним из них является астрономический способ получения обсервованных координат места судна по наблюдению небесных светил. Однако данный способ не отвечает требованиям современных цифровых технологий. Предлагаемое устройство позволяет повысить эффективность астрономического способа определения координат места судна за счёт цифровизации отсчета секстана.
Известен навигационный секстан СНО-Т (секстан навигационный с осветителем), содержащий секторную раму с лимбом, малое наполовину прозрачное зеркало, расположенное на раме, алидаду с осью вращения, перпендикулярной плоскости лимба, большое зеркало, расположенное на алидаде в плоскости ее оси вращения, угломерное отсчетно-стопорное устройство алидады, оптическую трубу и вспомогательные детали.
При измерении угла между направлениями на два объекта оптическую ось трубы наводят на первый объект и наблюдают его через прозрачную часть малого зеркала. Плоскость лимба секстана располагают в плоскости, проходящей через оба объекта. Алидаду вместе с закрепленным на ней большим зеркалом поворачивают до тех пор, пока в оптической трубе секстана луч, дважды отраженный от второго объекта в большом зеркале и в зеркальной части малого зеркала, не совместится с прямовидимым лучом первого объекта. Угломерное отсчетно-стопорное устройство алидады при этом покажет величину угла между большим и малым зеркалами, оцифрованного в величинах угла между направлениями на объекты.
Недостатками секстана являются значительные трудо- и временные затраты, связанные с измерением высоты небесного объекта, моральная устарелость прибора и не соответствие современным требованиям электронной навигации «E-Navigation», необходимость в двух операторах для точной фиксации времени измерений и др.
Известен навигационный секстан по патенту RU №2523100, МПК G01C1/08, опубл. 20.07.2014, содержащий секторную раму с лимбом, малое наполовину прозрачное зеркало, расположенное на раме, алидаду с осью вращения, перпендикулярной плоскости лимба, большое зеркало, расположенное на алидаде, угломерное отсчетно-стопорное устройство алидады, оптическую трубу и вспомогательные детали, при этом большое зеркало снабжено осью вращения, лежащей в плоскости этого зеркала параллельно плоскости лимба, и снабжено угломерным отсчетно-стопорным устройством, а оптическая труба снабжена жидкостным уровнем.
Недостатком прибора является нестабильность пузырькового уровня, сложность определения положения горизонта на фоне колебаний пузырька и, таким образом, необходимость приобретения новых навыков по измерению высоты светила для операторов. Также к недостаткам можно причислить отсутствие цифрового отсчета секстана.
По технической сущности и назначению наиболее близким аналогом предлагаемого устройства и принятым за его прототип является цифровой секстан по патенту CN №203489871, МПК G01C1/08, опубл. 2014. Устройство содержит механический секстан, состоящий из неподвижной рамы с лимбом и нанесенной на нем угловой шкалой, подвижной радиальной планки (алидады), имеющей шарнирное крепление в центре рамы, жестко связанного с алидадой в центре секстанта большого зеркала, полупрозрачного неподвижного малого зеркала, расположенного параллельно нулевому отсчету шкалы лимба, и телескопа. На секстане параллельно плоскости лимба закреплен через кривошипное соединение датчик линейных перемещений, один конец которого присоединен к алидаде, а второй - к основанию секстана. При повороте алидады относительно оси вращения большого зеркала происходит прямолинейное перемещение датчика относительно шкалы секстана. Расстояние между вращающимся валом на алидаде и вращающимся валом на корпусе секстана изменяется пропорционально углу поворота алидады. С датчика линейных перемещений сигнал поступает в микропроцессор, осуществляющий цифровую обработку аналогового сигнала. В микропроцессоре кроме того происходит перерасчет линейных перемещений в угол поворота алидады и последующая подача сигналов на дисплей, на котором отображается величина рассчитанного угла поворота алидады в цифровом виде.
Основными недостатками прототипа являются сложность конструкции секстана, вызванная нерациональной установкой датчика перемещений, и неудобство его использования. Кроме того, из-за наличия люфта в пазу измерительного устройства, прибор обладает недостаточной точностью отсчета.
Заявляемая полезная модель позволяет упростить конструкцию секстана и улучшить условия его использования.
Для решения проблемы в заявленной полезной модели используется следующая совокупность существенных признаков: в цифровом секстане, (содержащем, как и прототип, механический секстан, состоящий из неподвижной рамы с лимбом и нанесенной на нем угловой шкалой, алидады, шарнирно закрепленной в центре рамы, большого зеркала, жестко связанного с алидадой и установленного в центре рамы, полупрозрачного неподвижного малого зеркала, установленного параллельно нулевому отсчету шкалы лимба, и зрительной трубы, а также датчик перемещений, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем с блоком питания и дисплеем), в отличие от прототипа,  датчик перемещений выполнен в виде резисторного датчика угла поворота,  установленного в технологическом отверстии, выполненном в алидаде на оси вращения большого зеркала. При этом аналого-цифровой преобразователь, блок питания и дисплей размещены в защитном корпусе, закрепленном с тыльной стороны корпуса секстана. Это обеспечивает универсальность установки элементов цифровизации в конструкцию навигационного сектанта СНО-Т без конструктивных вмешательств.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в рациональном размещении датчика перемещений - на оси вращения большого зеркала, а не на шкале секстана, как в прототипе. Это с одной стороны упрощает конструкцию прибора и улучшает условия его использования, т.к. оператору не требуется после каждого измерения прерывать свои действия для наблюдения показаний на отсчетной шкале лимба и отсчетного барабана. С другой стороны отсутствие люфта в механике измеряющего устройства позволяет повысить точность показаний прибора.
Сопоставление предлагаемого устройства и прототипа показало, что упрощение устройства и повышение удобства его использования обеспечивается в результате новой совокупности признаков, что доказывает соответствие предлагаемой полезной модели критерию патентоспособности «новизна». Заявляемая полезная модель представляет собой устройство, элементы которого находятся в конструктивном единстве и функциональной взаимосвязи и обеспечивают получение показаний навигационного секстана в цифровом виде.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется чертежом, где на фиг. 1 представлено изображение секстана с тыльной стороны.
Прибор содержит механический секстан, состоящий из неподвижной рамы 1 с лимбом 2 и нанесенной на нем угловой шкалой, алидады 3, шарнирно закрепленной в центре рамы 1.  Там же установлено большое зеркало 4, жестко связанное с алидадой 3. Параллельно нулевому отсчету шкалы лимба 2 установлено полупрозрачное малое зеркало 5. В технологическом отверстии 6, выполненном в алидаде 3 на оси вращения большого зеркала 4, установлен датчик поворота 7, выход которого соединен с аналого-цифровым преобразователем с блоком питания (на рис. не показаны). Последние размещены в защитном корпусе 8, закрепленном на тыльной стороне устройства. Там же установлен дисплей 9.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для определения географических координат судна оператор определяет горизонтальные координаты небесного светила, для этого он наводит оптическую ось зрительной трубы на объект и наблюдает его совмещенное изображение, прошедшее через прозрачную часть малого зеркала 5 и дважды отраженное от большого 4 и малого зеркал 5. Затем алидаду 3 вместе с закрепленным на ней большим зеркалом 4 поворачивают до тех пор, пока в зрительной трубе секстана луч светила, дважды отраженный в большом зеркале 4 и в зеркальной части малого зеркала 5, не совместится с видимым изображением горизонта. При вращении алидады 3 происходит соответствующий поворот датчика угла поворота 7, сигнал с которого поступает на преобразователь, который обрабатывает сигнал, переводит его в цифровой вид и далее передает на дисплей 9, на котором оператор может наблюдать угол поворота в цифровом виде в реальном времени. Также преобразователь передает сигнал на вычислительное устройство, которое позволяет избежать ошибок в работе оператора, что значительно повышает точность и автоматизацию процесса измерения высоты светила. Роль аналого-цифрового преобразователя устройства играет микроконтроллер (МК). При включении прибора происходит подача питания и настройка МК, после чего происходит опрос МК датчика угла поворота 7 и далее преобразование аналогового сигнала в цифровой. Затем МК обрабатывает сигнал согласно алгоритму вычисления угла поворота и выводит данные на дисплей 9 и ЭВМ.
Описанное устройство разработано специалистами кафедры судоходства на внутренних водных путях ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О.Макарова» в процессе выполнения научно-исследовательских работ. Проведенные испытания модели дали положительный результат, подтвердивший возможность использования устройства.