Способ построения местной вертикали и устройство для его осуществления Российский патент 2018 года по МПК G01S3/782 G01C21/24 B64G1/36 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения местной вертикали по изображению горизонта Земли при ориентации и навигации космических летательных аппаратов.

Известны оптико-электронные способы и устройства построителей местной вертикали, в которых реализован принцип так называемого кругового сканирования, состоящий в том, что угловое поле сканирует по окружности, угловой радиус которой совпадает с угловым радиусом Земли, а сигнал приемного устройства детектируется двумя фазочувствительными детекторами, которые формируют сигналы, определяющие отклонение оси визирования прибора от вертикали в двух взаимно перпендикулярных плоскостях) [Монография: Федосеев В.И. Колосов М.П. Оптико-электронные приборы ориентации и навигации космических аппаратов. - М.: Логос, 2007 г., с. 162].

Недостатком этих способов и устройств является наличие механического привода и ограниченный диапазон высот орбит.

Известна система построения местной вертикали космического объекта при орбитальной ориентации, содержащая оптическую систему, устройство для определения углов отклонения оси космического объекта от местной вертикали и блоки определения скоростей смещения изображения подстилающей поверхности в двух ортогональных каналах. [Патент РФ RU №240040, M.Кл. B64G1, от 27.09. 2010].

Недостатком устройства является низкая точность.

Известно устройство панорамного зеркально-линзового объектива, в котором изображение создается за счет комбинации преломляющих и отражающих поверхностей, образующих единый оптический блок. Изображение имеет вид кольца и располагается внутри объектива. Панорамные зеркально-линзовые объективы реализуют цилиндрическую проекцию пространства в пределах широкой кольцевой зона с азимутальным углом 360°. Панорамный зеркально-линзовый объектив может использоваться как панорамная насадка к фотоаппарату или видеокамере. [Патент РФ RU №2185645, М.Кл. G02B 13/06 от 20.07.2002 г.].

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ формирования изображения различных полей зрения, и устройство для его осуществления, содержащее зеркально-линзовую оптическую систему, в фокальной плоскости которой располагается фотоприемная матрица. [Патент РФ RU №2505844, М.Кл. G02B 23/10 от 27.01.2014 г. (прототип)].

Недостатком устройства является необходимость механической регулировки углового поля при изменении высоты полета и сложность конструкции оптической системы.

Технической задачей изобретения является упрощение конструкции оптической системы и увеличение диапазона измерений.

Поставленная цель достигается тем, что изображение Земли формируют в форме кольца, пучок излучения, сформировавшего изображение, коллимируют и разделяют на два оптических канала, в которых первичное кольцевое изображение трансформируют в одномерные изображения в виде линий, ориентированных в оптических каналах взаимно перпендикулярно и сфокусированных на фотоприемные матрицы, а отклонение от вертикали определяют по смещению линий в плоскости фотоприемных матриц в ортогональной системе координат, при этом в устройстве, реализующем способ, для формирования кольцевого изображения используется панорамный зеркально-линзовый объектив, за которым установлены коллиматор и светоделительная блок-призма в каждом из образованных оптических каналах последовательно размещены цилиндрические линзы, в фокальной плоскости которых установлены фотоприемные матрицы, при этом цилиндрические линзы ориентированы взаимно перпендикулярно.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема построителя местной вертикали; на фиг. 2 показаны кольцевое изображение пространства и изображения в виде линий в плоскости фотоприемных матриц при совпадении оптической оси системы с направлением на вертикаль; на фиг. 3 показаны кольцевое изображение пространства и изображения в виде линий в плоскости фотоприемных матриц при отклонении оптической оси системы от направления на вертикаль.

На схеме построителя местной вертикали показаны: панорамный зеркально-линзовый объектив -1, коллиматор -2, светоделительная блок-призма -3, прямоугольная призма -4, цилиндрические линзы -5 и -6, фотоприемные матрицы - 7 и -8.

Способ реализуется следующим образом.

Изображение Земли формируют в форме кольца. Создают кольцевое изображение пространства с помощью панорамного зеркально-линзового объектива -1 (фиг. 1). При совпадении оптической оси системы с направлением на вертикаль, изображение Земли (заштриховано) располагается в кольцевом угловом поле симметрично по отношению к ортогональным осям x, у. Излучение на выходе помощью панорамного зеркально-линзового объектива -1 коллимируют, а затем разделяют поровну на два оптических канала светоделительной блок-призмой-3. В каждом канале излучение фокусируют на фотоприемные матрици -7 и -8 с помощью цилиндрических линз -5 и -6, которые трансформируют первичное кольцевое изображение в одномерное изображения в виде линий, ориентированных в оптических каналах взаимно перпендикулярно. Оси цилиндров линз -5 и -6 повернуты друг по отношению к другу на 90°, поэтому изображения в плоскости фотоприемных матриц -7 и -8 будут иметь вид перпендикулярных линий, расположенных по осям x и у (фиг. 2). При отклонении оптической оси системы от направления на вертикаль, центр изображения Земли сместится в угловом поле панорамного зеркально-линзового объектива -1 на Δx и Δу по ортогональным осям (фиг. 3). Соответственно сместятся и световые линии в плоскостях фотоприемных матриц -7 и -8. Эти смещения определяют по сигналам с элементов фото приемных матриц -7 и -8.

Устройство работает следующим образом.

Для формирования изображения, в устройство построения местной вертикали, дополнительно введен панорамный зеркально-линзовый объектив -1, за которым установлены коллиматор -2 и светоделительная блок-призма -3. В каждом из образованных светоделительным блоком-призмой -3 оптических каналах последовательно размещены цилиндрические линзы 5 и -6, в фокальной плоскости которых установлены фотоприемные матрицы -7 и -8, при этом цилиндрические линзы -5 и -6 ориентированы взаимно перпендикулярно под углом 90° друг относительно друга.

Панорамный зеркально-линзовый объектив -1 строит изображение пространства в пределах углового поля, составляющего 360° по азимуту и десятки градусов по высоте, при этом изображение имеет вид кольца со слепым пятном в центре. Если в угловом поле находится Земля, то ее изображение имеет вид круга, центр которого совпадает с центром кольца при совпадении оптической оси системы с направлением на вертикаль. При отклонении оптической оси от вертикали центр изображения Земли смещается относительно центра кольца. Коллиматор -2 создает параллельный поток излучения, который с помощью светоделительной блок-призмы -3 и прямоугольной призмы -4 разделяется поровну на два оптических канала. Цилиндрические линзы -5 и -6 создают в плоскости фотоприемных матриц -7 и -8 изображения Земли в виде линий. Координаты этих линий по осям X и у соответствуют смещениям оптической оси относительно вертикали. Смещения линий Δх и Δу определяются по сигналам с элементов фотоприемных матриц -7 и -8.

Широкое угловое поле системы позволяет производить измерения на различных высотах орбит без перестройки структуры оптической системы, что существенно упрощает ее конструкцию. Координаты световых линий определяются с высокой точностью за счет использования интерполирования (определение координаты изображения в долях размера пикселя фотоприемных матриц -7 и -8), легко реализуемого, когда изображение имеет вид линии. При обработке площадного изображения значительных размеров интерполирование теряет смысл.

Изобретение может быть использовано для построения местной вертикали по изображению горизонта Земли при ориентации и навигации космических летательных аппаратов. Способ включает формирование изображения пространства на фоточувствительной матрице, пучок излучения, сформировавшего изображение, коллимируют и разделяют на два оптических канала, в которых первичное кольцевое изображение трансформируют в одномерные изображения в виде линий, ориентированных в оптических каналах взаимно перпендикулярно и сфокусированных на фотоприемные матрицы, а отклонение от вертикали определяют по смещению линий в плоскости фотоприемных матриц. Устройство содержит панорамный зеркально-линзовый объектив и фотоприемную матрицу, расположенную в плоскости изображения. В устройство, за которым установлены коллиматор и светоделительная блок-призма, в образованных ею каналах под углом 90° относительно друг друга размещены цилиндрические линзы, в фокальной плоскости которых установлены фотоприемные матрицы. Технический результат - упрощение конструкции оптической системы и увеличение диапазона измерений. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ построения местной вертикали, заключающийся в формировании изображения пространства на фоточувствительной матрице и определении отклонения оптической оси от направления на вертикаль по сигналам с фотоприемной матрицы, отличающийся тем, что изображение Земли формируют в форме кольца, пучок излучения, сформировавшего изображение, коллимируют и разделяют на два оптических канала, в которых первичное кольцевое изображение трансформируют в одномерные изображения в виде линий, ориентированных в оптических каналах взаимно перпендикулярно и сфокусированных на фотоприемные матрицы, а отклонение от вертикали определяют по смещению линий в плоскости фотоприемных матриц в ортогональной системе координат.

2. Устройство для построения местной вертикали, содержащее зеркально-линзовую систему, формирующую изображение пространства, и фотоприемную матрицу, расположенную в плоскости изображения, отличающееся тем, что зеркально-линзовая система выполнена в виде панорамного зеркально-линзового объектива, формирующего изображение пространства в виде кольца, за которым установлены коллиматор и светоделительная блок-призма, в образованных светоделительным блоком-призмой оптических каналах последовательно размещены цилиндрические линзы, в фокальной плоскости которых установлены фотоприемные матрицы, при этом цилиндрические линзы ориентированы взаимно перпендикулярно под углом 90° относительно друг друга.