Устройство измерения высоты небесных светил
DEVICE FOR MEASURING THE HEIGHT OF CELESTIAL BODIES

Изобретение относится к мореходной астрономии и может быть использовано в астронавигационных системах морских носителей (далее -АНС) (и на других качающихся основаниях и подвижных носителях) для измерения высот небесных светил над уровнем видимого горизонта.
Известен астровизирующий прибор (патент RU 2682260, дата публикации 18.03.2019), содержащий входную оптическую систему с объективом, в фокальной плоскости которого установлен приемник излучения с многоканальным видеовыходом. Видеосистема размещена на внутренней рамке подвеса. Имеется также внешняя рамка подвеса и блок обработки информации. Внутренняя и внешняя рамки подвеса снабжены приводами и измерителями угла поворота. Блок обработки информации имеет возможность параллельной обработки видеоданных.
Недостаток известного астровизирующего прибора заключается в отсутствии третьей рамки подвеса и третьего привода с измерителем угла поворота, что в морских условиях (на качке) не позволит получить неподвижное видеоизображение звездного неба и линии горизонта, и увеличить погрешности измерений высот небесных светил. При этом, для повышения точности измерений потребуются подвесы с высокой точностью «удержания» горизонта.
Известно изобретение «Двухзвездный морской коллиматорный секстан» (патент RU 2178144, дата публикации 10.01.2002 г.). Двухзвездный морской коллиматорный секстан содержит зрительную трубу с широким полем зрения, окуляр с освещаемой сеткой взаимно перпендикулярных вертикальной и горизонтальной нитей, пересекающихся на оптической оси трубы, объективом и светоделителем для создания двух оптических каналов, один из которых имеет измерительную призму с отсчетным устройством, что последовательно за первым установлен второй светоделитель, создающий третий канал, в котором коллиматор с грузиком проектирует в поле зрения окуляра сетку вертикальной и горизонтальной нитей, точно накладываемых на сетку нитей окуляра, когда визирная плоскость прибора совпадает с плоскостью вертикали грузика. Указанное совпадение фиксируется оператором.
Известно также изобретение (патент RU №2120108, дата публикации 10.10.1998 г.), представляющее собой устройство для определения астрономических координат, содержащее призменную астролябию -эталонную призму, объектив, горизонтальное зеркало, установленное на поворотной платформе, и датчик времени, а также телевизионный датчик, установленный в фокальной плоскости астролябии, основной и дополнительный датчики наклона, вычислительное устройство, содержащее блок вычисления взаимных угловых отстояний двух изображений звезды, пороговое устройство, блок преобразования координат, блок коммутации двигателей, инвертор, блок вычисления астрономических координат. Основание всего устройства установлено на трех "ногах", одна из которых жестко связана с основанием, а две другие через редуктор соответственно связаны каждый со своим двигателем. Изобретение обеспечивает возможность использования устройства в высоких широтах с качающегося основания.
Недостатки известных изобретений заключаются в том, что погрешности измерений высоты небесного светила зависят от подготовленности оператора, определяемой способностью человеческого глаза различать и фиксировать положения небесных светил относительно линии горизонта и возможностью устройств по «удержанию» линии горизонта с помощью механических подвесов.
Известен способ и устройство определения азимута (заявка RU 2010137011, дата публикации заявки 20.03.2012), принятые за прототип.
Устройство и способ определения азимута включают в себя блок ориентирования относительно местного горизонта и отвесной линии, блок оптического визирования на точечные источники света, блок измерения горизонтальных углов, блок измерения вертикальных углов - для измерения высот небесных светил над линией видимого горизонта, блок измерения времени и вычислительный блок.
Недостатком устройства и способа является трудозатратность снижения погрешностей измерений, связанная с необходимостью замены блоков ориентирования, визирования, измерения.
Таким образом, техническая проблема в рассматриваемой сфере заключается в сложности конструкций, а также в их низкой надежности. Предлагаемое изобретение нацелено на решение названной технической проблемы.
Технический результат предлагаемого изобретения состоит в улучшении технических характеристик устройства измерения высот небесных светил, а именно, в упрощении конструкции с одновременным повышением надежности.
Кроме того, благодаря предлагаемому устройству, повышается независимость от ошибок ориентирования и визирования, а также снижается погрешность измерений.
Достигается технический результат тем, что устройство измерения высот небесных светил, содержащее блоки для ориентирования и измерения высот небесных светил над линией видимого горизонта, согласно изобретению содержит фотоприемник (далее - ФП), являющийся частью видеокамеры видеосистемы широкого поля (далее - ВСШП), с матрицей высокого разрешения и соединенный с видеокамерой широкоугольный объектив (далее - ШОБ), формирующий плоскость изображений небесных светил всей небесной полусферы и линии видимого горизонта в единой системе координат для измерения высот небесных светил над линией видимого горизонта, при котором небесные светила и видимый горизонт отображаются в плоскости изображений на фотоприемнике одновременно в реальном масштабе времени.
Дополнительные отличия предлагаемого изобретения:
- имеет 3-х- осевую ориентацию для получения неподвижного изображения на экране видеомонитора при наклонах и поворотах подвижного носителя;
- широкоугольный объектив соединен с видеокамерой с помощью узла крепления, позволяющего производить регулировку для нахождения плоскости наилучшего изображения.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется следующим графическим материалом, а именно, фиг.1, на которой схематично представлено взаимное расположение ФП и ШОБ в предлагаемом устройстве, а также изображены объекты наблюдения (небесные светила, линия видимого горизонта и др.) и оптические лучи, идущие от них, где:
1 - ФП;
2-ШОБ;
3 - узел крепления ШОБ к видеокамере;
4 - лучи оптические внешние, указывающие поле зрения видеокамеры;
5 - лучи оптические внутренние, идущие от небесных светил и линии видимого горизонта;
6 - линия видимого горизонта (горизонт);
7 - видеокамера.
Устройство измерения высот небесных светил содержит ФП 1 высокого разрешения, являющийся частью видеокамеры ВСШП, соединенный с видеокамерой 7 посредством узла крепления 3 ШОБ 2 к видеокамере. Узел крепления 3 позволяет производить регулировку для нахождения плоскости наилучшего изображения.
Устройство позволяет формировать плоскость изображений небесных светил всей небесной полусферы (в поле зрения видеокамеры не менее 90°) и линию видимого горизонта 6 в единой системе координат и производить измерения высот всех небесных светил (h1, h2, h3, h4) над линией видимого горизонта в плоскости изображения одновременно в реальном масштабе времени.
Устройство имеет 3-х- осевую ориентацию (Z, У и X) для получения неподвижного изображения на экране видеомонитора при наклонах и поворотах подвижного носителя.
При использовании предлагаемого устройства в АНС, погрешность измерений высот астронавигационных светил не зависит от погрешностей блоков ориентирования и наведения, и может быть снижена заменой матрицы ФП 1 на матрицу ФП более высокого разрешения (с меньшим размером пиксела Pix) при условии одинакового энергетического потенциала пиксела Pix.
Измерения высоты небесного светила над линией видимого горизонта 6 производятся расчетом количества элементов матрицы ФП 1 (пикселов -Pix), находящихся на линии условного перпендикуляра, опущенного из энергетического центра изображения небесного светила на линию видимого горизонта.
Вычислительный блок, реализуя в единой системе координат графику условного опущенного перпендикуляра из энергетического центра изображения выбранного небесного светила на линию видимого горизонта 6, производит расчет количества элементов (пикселей) ФП 1, укладывающихся по линии условно опущенного перпендикуляра и, выполнив умножение заранее известного углового размера одного элемента (пикселя) ФП 1 на количество элементов (пикселей) ФП 1, рассчитывает значение угла, который является высотой небесного светила (h) над линией видимого горизонта 6.
Из геометрической оптики известна взаимосвязь углового размера объекта и линейного размера его изображения:
где: У' - линейный размер изображения объекта на матрице ФП 1;
w - угловой размер объекта в пространстве предметов;
F' - фокусное расстояние объектива.
Поле зрения видеокамеры 7 в пространстве предметов определяется следующим образом:
где: Z' - половина линейного размера ФП 1.
Угловой размер одного пикселя (Pix°) также определяется по формуле (3).
где: Npix - количество пикселов по одной стороне, соответствующей расчетному значению поля зрения видеокамеры 7.
Задав координатную сетку матрицы ФП в Pix° и используя расчетное значение углового размера пиксела Pix° и их количество, находящееся по условно опущенному перпендикуляру из энергетического центра небесного светила на линию видимого горизонта (Npix с-л), нетрудно рассчитать угол, являющийся высотой небесного светила (h):
Погрешности наведения и ориентирования находятся в единой системе координат небесного светила и линии видимого горизонта 6, и могут не учитываться при вычислении высоты. Погрешности измерения высот небесных светил над видимым горизонтом 6 при использовании предлагаемого устройства будут определяться, в основном, только угловым размером минимального элемента двумерного изображения (Pix) на ФП 1 и энергетическим потенциалом пиксела.
Таким образом, измеряемый устройством угол Y между направлением на светило и видимым горизонтом 6, обозначенный на фиг.1, в плоскости предметов (небесных светил) может быть измерен в плоскости изображений с точностью, определяемой разрешающей способностью матрицы ФП 1.
Благодаря предлагаемому изобретению, улучшаются технические характеристики устройства измерения высот небесных светил, а именно, упрощается конструкция с одновременным повышением ее надежности.