Система определения уклонений отвесной линии
PLUMB LINE DEVIATION DETECTION SYSTEM

Изобретение относится к области геодезического приборостроения, в частности, к системам для определения формы Земли и предназначено для повышения точности при определении уклонений отвесной линии на подвижном основании.
Известны различные устройства для определения УОЛ.
Лазерные измерители [1]. Их недостатком является измерение отклонения отвесной линии от ее среднего по площади района полевых работ.
Гравиметры [2]. Их недостаток аналогичен, с помощью гравиметров измеряются отклонения отвесной линии от ее среднего по площади акватории.
Свободны от этого недостатка системы с цифровым зенитным телескопом [3]. Они устанавливаются на неподвижное основание. Рядом с ними или внутри их корпуса устанавливается устройство для определения местной вертикали (уровень, автоколлиматор с жидким зеркалом, теодолит и т.д.). В результате в одной точке и одновременно определяют зенитные расстояния светил в астрономической и геодезической системах координат. Их недостатком является низкая точность при работе на качающемся основании.
Для устранения этого недостатка создан судовой астрогеодезический комплекс (АГК) [4], в котором на стабилизированной в горизонте платформе [5] размещают зенитный телескоп с телекамерой и двумя жестко установленными относительно нее ортогональными горизонтальными акселерометрами. После двойного интегрирования показаний акселерометров определяют приращение места установки зенитного телескопа, сравнивают это приращение с приращением, полученным от спутниковой навигационной системы, и вычисляют УОЛ. Недостатки комплекса аналогичны недостаткам [1, 2], в АГК отсутствует устройство для определения астрономической вертикали в точке проведения работ. Погрешность акселерометров в такой системе является основной погрешностью в определении УОЛ. Кроме того гиростабилизатор обладает значительными габаритами и весом.
Задачей изобретения является повышение точности и мобильности системы определения УОЛ на подвижном основании.
Это достигается тем, что в отличие от известного технического решения на зенитный телескоп устанавливают абсолютный гравиметр [6].
Технический результат заключается в повышении на порядок точности измерения УОЛ и снижении требований к гиростабилизатору, вплоть до его исключения из астрогеодезического комплекса при работе на подвижном основании.
Устройство системы приведено на схеме. На ней изображены следующие элементы:
1 - зенитный телескоп,
2 - ПЗС матрица для измерения угла между направлением на звезду и оптической осью трубы,
3 - звезда,
4 - абсолютный гравиметр,
5 - качающееся основание,
6 - вычислитель,
7 - звездный каталог,
8 - суммирующее устройство,
9 -спутниковая навигационная система (СНС),
λ - геодезическое зенитное расстояние светила,
Q - уклонение отвесной линии (УОЛ),
q - отклонение направления на звезду от оптической оси,
α - отклонение оптической оси от вертикали.
Зенитный телескоп 1 содержит ПЗС матрицу 2, предназначенную для определения угла между оптической осью трубы и направлением на светило 3. На телескоп установлен абсолютный гравиметр 4, предназначенный для определения направления местной астрономической вертикали. Телескоп стоит на качающемся основании 5. Вычислитель 6, содержит звездный каталог 7 и суммирующее устройство 8. В вычислитель поступает сигнал от спутниковой навигационной системы 9. Величина УОЛ в виде выходного сигнала вычислителя поступает потребителю.
При регулировке на стенде телескоп 1 с ПЗС матрицей 2 устанавливают так, чтобы его оптическая ось была в вертикали, независимо от положения светила 3. На телескоп устанавливают абсолютный гравиметр 4, и паспортизуют показания гравиметра, фиксируя тем самым его положение относительно оптической оси. При эксплуатации на качающемся основании 5 телескоп 1 наводится на звезду. Сигнал отклонения направления на звезду от оптической оси телескопа образуется на ПЗС матрице. Гравиметр при этом вырабатывает сигнал наклона оптической оси относительно астрономической вертикали. Сигналы с ПЗС матрицы и гравиметра поступают в вычислитель 6. В вычислителе по звездному каталогу 7 определяют координаты звезд, находящихся в поле зрения телескопа и подают их на его суммирующее устройство 8, на котором по разнице астрономических и геодезических зенитных расстояний определяют уклонения отвесной линии. Информацию о своем месте получают от спутниковой навигационной системы (СНС) 9.
Г
A
Г
A
УОЛ измеряется как разность между зенитными расстояниями звезды в геодезической λ и астрономической λ системах координат Q=λ-λ
Г
λ определяется по звездному каталогу на основе информации о своем месте, получаемой от спутниковой навигационной системы.
A
λ=q+α определяется как сумма угла отклонения q энергетического центра светила от оптической оси зенитного телескопа и отклонения α той же оси от астрономической вертикали.
Общее выражение УОЛ запишется в виде
Q=λ-q+α
S
q
Координаты места S с помощью СНС определяются с точностью в линейной мере Δ=3 м [5], следовательно, геодезические координаты звезд известны с погрешностью в дуговой мере . Энергетический центр звезд определяется на уровне Δ=0,01ʺ [5].
Положение астрономической вертикали определяется с помощью абсолютного гравиметра. Гравиметр, благодаря использованию нескольких лазерных лучей, позволяет не только измерять силу тяжести, но и угол наклона лучей относительно вертикали [6]. Ошибка Δα в определении угла α зависит от точности измерения не параллельности лучей, которая определяется погрешностью Δβ при измерении клина β делительной призмы [7].
техн
β
изм1
изм100
-5
Не сложно изготовить призму с углом между гранями β=3° и технологической точностью Δ=0,1 угл.с. [7]. При паспортизации угол расхождения лучей при одноразовом испытании может быть измерен [8] с относительной погрешностью δ=1,4*10 и с абсолютной погрешностью Δ=0,15 угл.с. При увеличении числа испытаний, например, до 100 погрешность при простом осреднении может быть снижена на порядок, а при оконном осреднении [9] на два-три порядка, то-есть до величины Δ=0,01 угл.с. Если измеряемый угол не превышает α<6°, а угол расхождения β=3°, то погрешность в измерении угла не превысит Δα<3Δβ=0,03 угл.с. Следовательно, в пределах средней корабельной качки θ<6° система зенитного телескопа с абсолютным гравиметром может работать без гиростабилизатора.
Технический эффект заключается в повышении точности измерения УОЛ на подвижном основании и снижении требований к гиростабилизатору, вплоть до его исключения из системы зенитного перископа.
Источники информации
1. Медовников А.С., Нигаматьянов Р.М. Способ определения уклонения отвесной линии. А.С. 4801384/10 12.03.90
2. Добротворский А.Н., Денесюк Е.А., Катенин В.А., Иванов Б.Е. - Гравиметрический способ определения уклонения отвесной линии в океане на подвижном объекте. Патент №2348009 2007-07-02.
3. Музарбеков М.М., Копаев А.В., Фатеев В.Ф. Метрологические характеристики астрогеодезического измерения уклонений отвесной линии на основе цифрового зенитного телескопа. Геодезия и картография. №4 2016. с. 10 - 17. ФГУП ВНИИ ФТРИ.
4. В.А. Васильев, Зиненко В.Н., Коган Л.Б., Савик В.Ф., Пешехонов В.Г., Троицкий В.В., Янушкевич В.Е. Судовой астрогеодезический комплекс для определения уклонения отвесной линии. - «Судостроительная промышленность», серия «Навигация и гироскопия», 1991 г., вып. 2, с 51-56.
5. А.Н. Дзюба, Л.П. Старосельцев Концепция построения системы гироскопической стабилизации зенитного телескопа с аналитической коррекцией астрономических наблюдений на основе волоконно-оптических гироскопов. 7-я Российская мультиконференция по проблемам управления. ГНЦ РФ ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» Санкт-Петербург 2014.
6. А.Б. Попов Устройство для определения вертикали места. Патент РФ №2245331 от 10.12.2013.
7. П.И. Малеев, А.Б. Попов. К вопросу создания абсолютного гравиметра для морских подвижных объектов. С. 40. Навигация и гидрография, 2018, №51, ГНИИГИ Санкт-Петербург.
8. Синельников М.И. Филиппов O.К. Способ определения угла стеклянного клина. Патент RU №2206870 от 24.06.2002 Заявитель и патентообладатель Федеральное государственное унитарное предприятие Научно-исследовательский институт комплексных испытаний оптико-электронных приборов и систем
9. http://www.dsplib.ru Оконное сглаживание