СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ КООРДИНАТ ЗВЕЗД
METHOD AND DEVICE TO MEASURE ANGULAR COORDINATES OF STARS

Изобретение относится к области навигации и приборам для космической навигации G01C 21/24 и одновременно к приспособлениям к измерительным устройствам, отличающимся оптическими средствами измерения для измерения углов G01B 11/26. Оно может быть использовано в оптико-электронных приборах (ОЭП) ориентации по звездам, содержащих матричный фотоприемник с накоплением заряда.
Известен способ измерения угловых координат звезд оптико-электронным прибором ориентации по звездам путем проецирования на фоточувствительную поверхность приемника изображения участка звездного неба, измерения линейных координат изображений звезд на этой поверхности, проецирования на эту же фоточувствительную поверхность специальных калибрационных отметок, жестко связанных с базовой приборной системой координат и имеющих заранее известные угловые координаты в ней, измерения линейных координат этих отметок и последующего пересчета линейных координат звезд в их угловые координаты с учетом результатов измерений линейных координат калибрационных отметок [1, 2]. При этом базовая приборная система координат реализуется конструктивными элементами прибора, что позволяет исключить влияние микродеформаций недостаточно стабильных элементов конструкции прибора (например, фотоприемника) на точность измерения. Описанный способ имеет следующие недостатки: при проецировании калибрационных отметок на приемник необходимо перекрывать оптический звездный канал с помощью затвора, что увеличивает время измерения, а наличие в приборе электромеханического или оптического затвора ухудшает габаритно-массовые характеристики прибора, снижает надежность. Определяемые сигналом от звезд и уровнем шумов точностные характеристики прибора зависят от спектра излучения звезд и существенно меняются для различных звездных объектов.
Другим аналогом изобретения является способ [3], включающий проецирование через объектив звездного канала на фоточувствительную поверхность матричного приемника изображения участка звездного неба, измерение линейных координат изображения звезд на этой поверхности, последующее проецирование на эту же поверхность через объектив звездного канала специальных калибрационных отметок, формируемых коллиматором оптического канала эталона и жестко связанных с базовой приборной системой координат, заранее выполняемое точное измерение угловых координат калибрационных отметок в базовой приборной системе координат, измерение линейных координат этих калибрационных отметок и пересчет линейных координат звезд в угловые координаты базовой системы координат с учетом результатов измерений линейных координат калибрационных отметок. Указанный способ имеет ряд недостатков: при проецировании калибрационных отметок на приемник здесь также необходимо перекрывать оптический звездный канал с помощью затвора, что увеличивает время измерения, а наличие в приборе электромеханического или оптического затвора ухудшает габаритно-массовые характеристики прибора, снижает надежность. Использование амплитудной селекции сигнала калибрационных меток требует расширения динамического диапазона всего фотоэлектронного тракта, что во многих случаях затруднительно ввиду требуемого большого динамического диапазона для рабочих источников - звезд. Определяемые сигналом от звезд и уровнем шумов точностные характеристики прибора зависят от спектра излучения звезд и существенно меняются для различных звездных объектов.
Наиболее близким к изобретению является способ и устройство измерения угловых координат звезд [4]. Способ включает проецирование на фоточувствительную площадку фотоприемника через объектив изображения участка звездного неба и калибрационных меток, измерение линейных координат центров изображений звезд и линейных координат центров изображений калибрационных отметок на фоточувствительной площадке фотоприемника и пересчет линейных координат центров изображений звезд в угловые координаты звезд в базовой приборной системе координат с учетом результатов измерений линейных координат центров изображений калибрационных отметок. При проецировании калибрационных отметок и измерении линейных координат центров их изображений время накопления сигнала в фотоприемнике устанавливают в K раз меньше, чем при работе по звездам. Величина кратности уменьшения времени накопления K и освещенность изображений калибрационных отметок выбираются так, чтобы сигнал на выходе фотоприемника от самой яркой рабочей звезды был меньше сигнала от калибрационных отметок. Дополнительно выполняют амплитудную селекцию сигналов калибрационных отметок по критерию превышения заранее выбранного порогового уровня, устройство измерения угловых координат звезд содержит бленду, канал геометрического эталона (КГЭ), объектив, матричный фотоприемник с накоплением заряда, фоточувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива, блок АЦП, блок формирования изменяемого времени экспозиции, блок управления работой матричного фотоприемника и блок цифровой обработки и управления. Блок цифровой обработки и управления включает амплитудный селектор сигналов, блок выделения полезных сигналов из помех, блок распознавания звезд, блок синхронизации и вычислительное устройство измерения угловых координат звезд с учетом координат калибрационных отметок КГЭ. Рассматриваемые способ и устройство имеют недостаток: точность измерения угловых координат звезд существенно меняется для различных звездных объектов, что приводит к снижению общей точности измерения угловых координат звезд и связанной с ней точности ориентации по звездам.
Цель изобретения - повышение общей точности измерения угловых координат звезд.
Указанная цель достигается тем, что формирование изображения участка звездного неба на фоточувствительной площадке матричного фотоприемника осуществляется в трех или более (M) спектральных диапазонах с изменением режима экспонирования матричного приемника для каждого диапазона. При этом время экспозиции матричного фотоприемника в спектральных диапазонах изменяется обратно пропорционально полосе этого спектрального диапазона, а измерение линейных координат центров изображений звезд производится в каждом спектральном диапазоне с последующим выбором тех координат, в которых соответствующий звездный объект имеет максимальное среднее значение интенсивности. Такой выбор обеспечивает наилучшие условия измерений среди всех спектральных диапазонов, а следовательно, и повышает общую точность измерения угловых координат звезд и точностные характеристики измерителя в целом.
Предлагаемый способ измерения угловых координат звезд углоизмерительным звездным прибором, построенным на основе матричного фотоприемника с накоплением заряда, включает:
- проецирование на фоточувствительную поверхность матричного фотоприемника с накоплением заряда через объектив изображения участка звездного неба;
- измерение линейных координат центров изображений звезд на фоточувствительной площадке приемника;
- проецирование на фоточувствительную поверхность матричного фотоприемника с накоплением заряда через объектив специальных калибрационных меток, формируемых коллиматором канала геометрического эталона и жестко связанных с базовой приборной системой координат, реализуемой конструктивными элементами прибора, причем при проецировании калибрационных отметок время накопления сигнала в приемнике устанавливают в K раз меньше, чем при работе по звездам, а величина кратности уменьшения времени накопления K и освещенность изображений калибрационных отметок заранее выбираются так, чтобы при этом сигнал на выходе приемника от самой яркой рабочей звезды был меньше сигнала от калибрационных отметок;
- амплитудную селекцию сигналов калибрационных отметок по критерию превышения заранее выбранного порогового уровня, превышающего сигнал от самой яркой звезды, и измерение линейных координат центров изображений калибрационных отметок на фоточувствительной поверхности матричного фотоприемника с накоплением заряда;
- пересчет линейных координат центров изображений звезд в угловые координаты звезд в базовой приборной системе координат с учетом результатов измерений линейных координат центров изображений калибрационных отметок при заранее известных их угловых координатах.
При этом для повышения общей точности измерения угловых координат звезд:
- изображение участка звездного неба формируется на фоточувствительной площадке матричного фотоприемника с накоплением заряда в трех и более (M) спектральных диапазонах путем предварительной фильтрации светового потока от выбранного участка звездного неба в системе светофильтров, причем время экспозиции в каждом спектральном диапазоне обратно пропорционально относительной ширине этого спектрального диапазона;
- из полученных диапазонных изображений звездного неба выделяются изображения звездных объектов во всех спектральных диапазонах и из них формируются мультиспектральные изображения звездных объектов путем выбора по каждому звездному объекту изображения того спектрального диапазона, средняя величина амплитуды в котором оказывается наибольшей среди всех диапазонных изображений данной звезды;
- в качестве линейных координат центров изображений звезд выбираются координаты центров мультиспектральных изображений звезд.
Предлагаемое устройство измерения угловых координат звезд содержит: бленду, канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде коллиматорного блока с осветителем, формирующего изображения калибрационных меток, и элемента ввода, осуществляющего ввод изображения калибрационных меток в объектив, объектив, матричный фотоприемник с накоплением заряда, фоточувствительная площадка которого расположена в фокальной плоскости объектива, блок управления работой матричного фотоприемника с накоплением заряда, выходы которого подключены к управляющим входам матричного фотоприемника с накоплением заряда, блок формирования изменяемого времени экспозиции, выход которого соединен со входом экспозиции матричного фотоприемника с накоплением заряда, блок аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования (АЦП), вход которого подключен к выходу матричного фотоприемника с накоплением заряда, блок цифровой обработки и управления, вход которого подключен к выходу блока аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования, первый выход подключен ко входу коллиматорного блока с осветителем, второй выход соединен со входом блока управления работой матричного фотоприемника с накоплением заряда, третий выход подключен ко входу блока формирования изменяемого времени экспозиции, а четвертый выход является выходом устройства измерения угловых координат звезд, блок цифровой обработки и управления включает последовательно соединенные: амплитудный селектор сигналов, вход которого является входом блока цифровой обработки и управления, блок выделения полезных сигналов из помех и блок распознавания звезд, формирователь команд переключения экспозиции матричного фотоприемника, выход которого является третьим выходом блока цифровой обработки и управления, вычислительное устройство определения угловых координат звезд, выход которого является четвертым выходом блока цифровой обработки и управления, и блок синхронизации, первый и второй выходы которого являются соответственно первым и вторым выходами блока цифровой обработки и управления, его третий выход подключен ко входу формирователя команд переключения экспозиции матричного фотоприемника, а четвертый выход соединен со входом синхронизации вычислительного устройства определения угловых координат звезд. В устройство измерения угловых координат звезд дополнительно введены блок переключаемых светофильтров, включенный между блендой и элементом ввода и образующий в последовательности бленда, блок переключаемых светофильтров, элемент ввода, объектив - тракт прохождения оптического изображения, управитель блока переключаемых светофильтров, выход которого подключен ко входу управления блока переключаемых светофильтров, а в блок цифровой обработки и управления дополнительно введены пятый выход, являющийся третьим выходом блока синхронизации и подключенный ко входу управителя блока переключаемых светофильтров, блок формирования мультиспектрального изображения звезд, вход которого соединен с выходом блока распознавания звезд, выход подключен ко входу вычислительного устройства определения угловых координат звезд, а вход синхронизации соединен с четвертым выходом блока синхронизации.
Предлагаемый способ измерения в целом реализуется следующим образом. При проектировании прибора в его конструкцию закладывается возможность проецирования на фоточувствительную площадку приемника специальных калибрационных отметок, жестко связанных с базовой приборной системой координат и включаемых по мере необходимости. При изготовлении прибора угловые координаты этих отметок в базовой системе координат измеряются с высокой точностью и записываются в память вычислительного устройства прибора. При работе прибора по звездам на фоточувствительную площадку приемника через объектив звездного канала проецируется участок звездного неба в трех или более спектральных диапазонах путем переключения светофильтров и одновременного изменения времени экспозиции обратно пропорционально относительной ширине спектра сигнала, проходящего через этот светофильтр. По каждому изображению звездного объекта принимается решение о выборе спектрального диапазона его представления в формируемом мультиспектральном изображении звезд. Выбор спектрального диапазона представления изображения звезды осуществляется в результате сравнения и выбора максимального из средних значений по элементам изображения звезды в каждом спектральном диапазоне. По результатам такого выбора формируется мультиспектральное изображение звездных объектов. Вычислительное устройство определения угловых координат звезд осуществляет измерение линейных координат изображений звезд на чувствительной площадке матричного приемника по полученному мультиспектральному изображению звездных объектов. Далее включаются калибрационные отметки и их изображение проецируется на ту же фоточувствительную площадку. Одновременно изменяется время экспозиции матричного приемника так, чтобы сигнал калибрационных меток превышал отметки от изображения самых ярких звезд. При обработке сигнала от калибрационных меток в электронном тракте прибора производится их амплитудная селекция по признаку превышения порога, величина которого больше, чем сигнал от ярких звезд. При соблюдении этих условий выполняют измерение линейных координат калибрационных отметок на рабочей площадке матричного приемника. Далее осуществляют пересчет измеренных линейных координат звезд, полученных по мультиспектральному изображению, в угловые координаты в базовой системе координат с учетом результатов измерения линейных координат калибрационных отметок и результатов выполненных заранее измерений угловых координат этих отметок.
На фиг.1 представлена структурная схема устройства измерения угловых координат звезд, реализующего предлагаемый способ.
Устройство измерения угловых координат звезд содержит: бленду 1; управитель блока переключаемых светофильтров 2; блок переключаемых светофильтров 3; объектив 4; канал геометрического эталона (КГЭ), выполненный в виде коллиматорного блока с осветителем 6, формирующего изображения калибрационных отметок, и элемента ввода 5, выполненного, например, в виде зеркально-призменного блока, осуществляющего ввод изображения калибрационных отметок в объектив, технически осветитель коллиматорного блока может быть выполнен в виде, по меньшей мере, одного светодиода; блок формирования изменяемого времени экспозиции 7; матричный фотоприемник с накоплением заряда 8; блок управления работой матричного фотоприемника с накоплением заряда 9; блок аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования 10; блок цифровой обработки и управления 11, включающий формирователь команд переключения экспозиции 12; амплитудный селектор сигналов 13; блок выделения полезных сигналов из помех 14, блок распознавания звезд 15, блок синхронизации 16; блок формирования мультиспектрального изображения звезд 17, вычислительный блок определения угловых координат звезд 18.
Технически в блок формирования мультиспектрального изображения звезд 17 и в вычислительный блок определения угловых координат звезд 18 обычно включают запоминающее устройство, реализуемое в том числе в виде энергонезависимой памяти или в виде любого другого типа памяти.
Блок формирования изменяемого времени экспозиции 7 введен специально для формирования одного из М+1 значений времени экспозиции фотоприемника, соответствующих М спектральным диапазонам и экспозиции калибрационных меток по командам соответствующего формирователя команд переключения экспозиции 12 из блока цифровой обработки и управления 11.
Устройство измерения угловых координат звезд работает следующим образом. В начале работы на фоточувствительную площадку матричного фотоприемника с накоплением заряда 8 путем последовательного переключения светофильтров в блоке переключаемых светофильтров 3 с помощью объектива 4 проецируется участок звездного неба в различных спектральных диапазонах. Причем одновременно с переключением светофильтров, которое обеспечивается управителем блока переключаемых светофильтров 2 по сигналам с третьего выхода блока синхронизатора 16, изменяется и время экспозиции в матричном фотоприемнике с накоплением заряда 8, которое обеспечивается блоком формирования изменяемого времени экспозиции 7 по командам с формирователя команд переключения экспозиции 12, синхронизированного также третьим выходом блока синхронизации 16.
Каждое из полученных спектральных изображений через блок аналоговой обработки сигналов фотоприемника и аналого-цифрового преобразования 10 последовательно поступает в блок цифровой обработки и управления 11, где производится их амплитудная селекция от калибрационных меток в амплитудном селекторе сигналов 13, отделение полезных сигналов от мешающих шумов и помех в блоке выделения полезных сигналов из помех 14, распознавание звездных объектов в виде набора элементов изображения, соответствующих отдельной звезде в блоке распознавания звезд 15. В результате по каждому спектральному диапазону формируется набор изображений звездных объектов, полученных на чувствительной площадке матричного фотоприемника, которые записываются в память блока формирования мультиспектрального изображения звезд 17 для дальнейшей обработки. В блоке формирования мультиспектрального изображения звезд 17 для каждого изображения звездного объекта производится оценка среднего значения величины сигнала изображения в каждом спектральном диапазоне и по результатам этих вычислений для каждого звездного объекта принимается решение о спектральном диапазоне его представления для измерения угловых координат. Решение принимается простым выбором максимального значения из всех средних значений величины сигнала изображения по спектральным диапазонам для текущего звездного объекта. Именно эти выбранные изображения звезд и составляют общее мультиспектральное представление звездных объектов, по которому формируются измерения угловых координат звезд. В вычислительном устройстве определения угловых координат звезд 18 производится измерение линейных координат мультиспектральных изображений звезд на чувствительной площадке матричного приемника и их запоминание. Синхронизация работы блока формирования мультиспектрального изображения звезд 17 и вычислительного устройства определения угловых координат звезд 18 осуществляется по четвертому выходу блока синхронизации 16. Затем по сигналу, формируемому на первом выходе блока синхронизации 16, включается осветитель коллиматорного блока с осветителем 6 и изображение калибрационных отметок проецируется на ту же фоточувствительную площадку. Одновременно по сигналу, формируемому на третьем выходе блока синхронизации 16, через формирователь команд переключения экспозиции 12 и блок формирования изменяемого времени экспозиции 7 экспозиция матричного приемника уменьшается в K раз по сравнению с тем, какой она была при работе по звездам. Освещенность на приемнике в изображении калибрационных отметок и величина K заранее выбираются так, чтобы сигнал приемника от калибрационных отметок был больше сигнала от самой яркой звезды. Изображение калибрационных меток снимается с матричного фотоприемника с накоплением заряда 8 и через блок аналоговой обработки и аналого-цифрового преобразования 10 подается на амплитудный селектор сигналов 13. Изображения калибрационных меток выделенные амплитудным селектором сигналов 13 последовательно транзитом проходят блок выделения полезного сигнала из помех 14, блок распознавания звезд 15, блок формирования мультиспектрального изображения звезд 17 и непосредственно подаются на вычислительное устройство определения угловых координат звезд 18, где осуществляют пересчет измеренных линейных координат звезд в их угловые координаты в базовой системе координат с учетом результатов измерения линейных координат калибрационных отметок и результатов выполненных заранее измерений угловых координат этих отметок. Угловые координаты звезд выдаются на выход устройства для измерения угловых координат звезд. Считывается информация об изображениях с матричного фотоприемника. Блок управления работой матричного фотоприемника 9 постоянно синхронизируется сигналом со второго выхода блока синхронизатора 16 из блока цифровой обработки и управления 11.
0
0
Покажем, что веденная в способ и устройство измерения угловых координат звезд совокупность существенных признаков действительно приводит к достижению поставленной цели, а именно к повышению общей точности измерения угловых координат звезд. Точность измерения связана с условиями наблюдения и характеристиками инструмента наблюдения. K первым относятся соотношение между шумовыми характеристиками наблюдения и интенсивностью излучения звездных объектов и характеристики атмосферы (при наблюдении с Земли), основная из которых - турбулентность атмосферы. Вторые обычно связывают с качеством оптики телескопа и характеристиками преобразования свет - электрический сигнал. Все эти факторы, в совокупности приводят к появлению фоновой шумовой составляющей сигнала наблюдения и к размыванию точечного изображения звезды в фокальной плоскости, причем величина и границы этого размывания напрямую связаны со всеми перечисленными факторами. Как известно, решающим фактором при этом является отношение мощности сигнала к мощности шумов [5]. Чем выше это отношение, тем резче граница, определяющая звездный объект на шумовом фоне, и тем меньше дисперсия ошибки оценивания координат объекта. Пусть спектральный диапазон чувствительности матричного фотоприемника с накоплением заряда равен ΔF. Считая, что спектральное распределение шумов в этом диапазоне характеризуется равномерным спектром со спектральной плотностью мощности N/2 и спектральная чувствительность матричного фотоприемника с накоплением заряда также равномерна. Это означает, что мощность шумов в рассматриваемом спектральном диапазоне равна ΔF N/2.
В то же время излучение звездных объектов является неравномерным по своему спектру [6]. Например [7], основные навигационные звезды сильно различаются по своему спектральному составу (табл.1).
Мощность излучения от звездного объекта определяется интегралом:
з
ΔF
P=∫S(f)df,
где S(f) - спектр излучения звезды по мощности.
Таблица 1
Навигационная звезда
Звездн. величина
Цвет
Сириус (α Б. Пса)
-1<sup>m</sup>,58
Белый
Капелла (α Возничего)
0<sup>m</sup>,21
Желтый
Арктур (α Волопаса)
0<sup>m</sup>,24
Оранжевый
Процион (α М. Пса)
0<sup>m</sup>,48
Желтый
Альтаир (α Орла)
0<sup>m</sup>,89
Белый
Бетельгейзе (α Ориона)
0<sup>m</sup>,92
Красный
Альдебаран (α Тельца)
1<sup>m</sup>,06
Оранжевый
Спика (α Девы)
1<sup>m</sup>,25
Голубовато-белый
Поскольку точность измерения координат непосредственно связана с отношением сигнал/шум, определим это отношение в каждой ячейке матричного фотоприемника с накоплением заряда в устройстве-прототипе выражением:
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>П</mi><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>k</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><mi>F</mi><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>k</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msub><mi>N</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
ij
з
Здесь k - коэффициент, учитывающий распределение энергии излучения по поверхности матричного фотоприемника с накоплением заряда, обусловленный турбулентностью атмосферы и другими факторами, влияющими на пространственную когерентность изображения, N - средняя спектральная плотность мощности излучения звезды.
i
В предлагаемом способе и устройстве прежде, чем проецировать изображение звездного неба на поверхность матричного фотоприемника с накоплением заряда, осуществляется фильтрация этого изображения в последовательности светофильтров, полностью перекрывающих спектр диапазона ΔF. В результате фильтрации общий спектр излучения разбивается на ряд спектральных областей. За счет изменения времени экспозиции в спектральных диапазонах обратно пропорционально относительной ширине спектра соответствующего диапазона уравнивается шумовая составляющая в выходном сигнале изображения. Это эквивалентно нормировке величины сигнала в каждом диапазоне к его ширине спектра ΔF, что позволяет выбрать диапазон с максимальной удельной интенсивностью сигнала звезды и использовать его для определения координат звездных объектов. С этой целью производится сравнение средней интенсивности излучения каждого звездного объекта по его изображению во всех спектральных диапазонах. Докажем, что отношение сигнал/шум по каждому звездному объекту при такой обработке оказывается выше, чем в прототипе. Для этого рассмотрим, чему равняется отношение сигнал/шум в ячейке матричного фотоприемника с накоплением заряда в предлагаемом изобретении. В предлагаемом способе и устройстве спектральный диапазон ΔF разбит на M спектральных областей и на первом этапе производится выбор спектральной области с наибольшей спектральной плотностью излучения. Докажем, что в этом случае отношение сигнал/шум в каждой ячейке матричного фотоприемника с накоплением заряда будет наибольшим.
k
0
Тогда мощность шумов в одной из M частей (k-й) спектрального диапазона равна ΔF N/2. Соответственно, мощность излучения от звездного объекта в k-й части спектрального диапазона равна:
<mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>з</mi><mi>k</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><mrow><mo>∫</mo><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>F</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msub></mrow></mrow></mstyle><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>F</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>t</mi></mrow>
.
Тогда отношение сигнал/шум в каждой ячейке матричного фотоприемника с накоплением заряда в предлагаемом устройстве определяется как
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>k</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msub><mi>P</mi><mrow><mi>з</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>F</mi><mi>k</mi></msub><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><msub><mi>k</mi><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub><msub><mi>N</mi><mrow><mi>з</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
зk
где N - средняя интервальная спектральная плотность мощности излучения звезды.
зk
з
Если предположить, что спектр излучения звезды, так же как и шум, равномерен в полосе ΔF величина N=N и, следовательно,
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>П</mi><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
Однако в случае неравномерного распределения интенсивности по спектру излучения, что имеет место на практике и при условии, что в качестве k-й части спектрального диапазона будет выбрана часть с максимальной средней интервальной спектральной плотностью мощности излучения звезды, отношение сигнал/шум в этой части спектра будет больше т.е.
<mrow><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>i</mi><mi>j</mi><mi>k</mi><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></msub><mo>></mo><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac bevelled="true"><mi>С</mi><mi>Ш</mi></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>П</mi><mi>i</mi><mi>j</mi></mrow></msub></mrow></msub></mrow>
з
Это утверждение очевидно, поскольку распределение шумов в диапазоне ΔF равномерно, а общая мощность излучения ограничена величиной P
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>з</mi></msub><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><mstyle displaystyle="true"><mrow><munder><mo>∫</mo><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>F</mi><mi>k</mi></msub></mrow></munder><mrow><mi>S</mi><mrow><mo>(</mo><mi>f</mi><mo>)</mo></mrow><mi>d</mi><mi>f</mi></mrow></mrow></mstyle><mo>=</mo></mrow></mstyle><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><msub><mi>P</mi><mrow><mi>з</mi><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mstyle></mrow>
Таким образом, точность определения координат звезды при использовании спектральной области с максимальной средней интервальной спектральной плотностью мощности излучения звезды будет выше. Представление изображения звездных объектов в виде набора диапазонных изображений разных спектральных диапазонов (мультиспектральное изображение) позволяет выбрать наиболее приемлемое для измерения координат спектральное изображение каждого звездного объекта. Это в свою очередь означает, что введенная совокупность отличительных признаков является существенной, т.е. предлагаемые способ и устройство измерения угловых координат звезд отвечают требованиям цели изобретения, заключающейся в повышение точности измерения угловых координат звезд.
Введенные в способ измерения угловых координат звезд мультиспектральные изображения звездных объектов не использовались ни в одном из известных способов измерения угловых координат звезд. Такая совокупность отличительных признаков отсутствует и в аналогах, и в прототипе, что доказывает соответствие предложенного способа критерию «новизна».
В свою очередь введенные в устройство измерения угловых координат звезд блок переключаемых светофильтров, включенный в тракт прохождения оптического изображения между блендой и элементом ввода, управитель блока переключаемых светофильтров и блок формирования мультиспектрального изображения звезд с соответствующими связями также отсутствуют и в аналогах, и в прототипе, что доказывает соответствие критерию «новизна» предложенного устройства.
Таким образом, при анализе уровня техники не выявлены объекты, имеющие такую же совокупность признаков, как и заявляемое изобретение, а следовательно, оно является новым.
Изобретательский уровень предложенного способа и устройства подтверждается тем обстоятельством, что в результате поиска не выявлены способы и устройства, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками данного изобретения. Все прослеживаемые направления совершенствования систем измерения угловых координат звезд, отраженные в научно-технической и патентной литературе, не используют спектральные особенности излучения звезд и не используют результаты объединения нескольких спектральных диапазонов для определения угловых координат звезд в интересах навигационных задач. Это означает, что заявляемое изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, а значит, имеет изобретательский уровень.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Промышленная применимость изобретения определяется возможностью реализации его узлов и блоков на современном уровне техники. Возможность технической реализации элементов устройства, совпадающих по назначению с прототипом, не вызывает сомнений. Для реализации блока переключаемых светофильтров может быть использован вращающийся кассетный блок с электромеханическим управлением, в котором используются выпускаемые промышленностью светофильтры основных спектральных диапазонов излучения звезд: от красного до голубого. Управитель блока переключаемых светофильтров представляет собой обычный формирователь управляющих напряжений для механического исполнительного механизма. Блок формирования мультиспектральных изображений звезд является цифровым устройством со стандартным набором элементов цифровой обработки сигналов, как то ОЗУ, ППЗУ, АЛУ, порты ввода/вывода с соответствующим программным и системным обеспечением. Он может быть реализован по стандартной схеме специализированного цифрового микропроцессорного блока с использованием современных быстродействующих микропроцессорных комплектов известных фирм-разработчиков систем цифровой обработки сигналов типа Analog Devices или Texas Instruments.
Таким образом, заявляемое изобретение является промышленно применимым. Оно может использоваться в системах астроориентации и астронавигации для точного определения угловых положений навигационных светил и обладает преимуществами перед известными, связанными с повышением точности измерений угловых положений звезд, что обуславливает его технико-экономическую эффективность.
Литература
1. Kuzmin V.S., Fedoseev V.I., Zaeekin V.I. New generation of star sensors. Proc. SPIE, 2739-41, Acquisition, Tracking and Pointing X, 1996, vol.2739
2. Петрович В.А. Малогабаритный звездный датчик. Оптический журнал, 1996, №7, с.48-49.
3. Федосеев В.И., Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. Москва, Логос, 2007, с.156-160.
4. Патент RU 2408849 C1, G01C 21/24, G01B 11/26, заявл. 20.05.2009 г.
5. Д. Бартон, Г. Вард. Справочник по радиолокационным измерениям. М.: Советское радио, 1976.
6. James В. Kaler. Stars and their spectra: an introduction to the spectral sequence. - Cambridge University Press, 1997. - P.62-63. - 300 p.- ISBN 0-521-58570-8, ISBN 978-0-521-58570-5.
7. http://astro.uni-altai.ru/files/12ns.html.