Система определения уклонений отвесной линии Российский патент 2019 года по МПК G01C9/00 

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.

УОЛ измеряется как разность между зенитными расстояниями звезды в геодезической λ_Г и астрономической λ_A системах координат Q=λ_Г-λ_A

λ_Г определяется по звездному каталогу на основе информации о своем месте, получаемой от спутниковой навигационной системы.

λ_A=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

Координаты места S с помощью СНС определяются с точностью в линейной мере Δ_S=3 м [5], следовательно, геодезические координаты звезд известны с погрешностью в дуговой мере . Энергетический центр звезд определяется на уровне Δ_q=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].

Не сложно изготовить призму с углом между гранями β=3° и технологической точностью Δ_техн=0,1 угл.с. [7]. При паспортизации угол расхождения лучей при одноразовом испытании может быть измерен [8] с относительной погрешностью δ_β=1,4*10^-5 и с абсолютной погрешностью Δ_изм1=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_изм100=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

Изобретение относится к области геодезического приборостроения, в частности к системам для определения формы Земли, и предназначено для определения уклонений отвесной линии на подвижном основании. Технический эффект, заключающийся в повышении точности измерения уклонений отвесной линии и снижении требований к гиростабилизатору, вплоть до его исключения из астрогеодезического комплекса при работе на подвижном основании, достигается за счёт того, что на корпус зенитного телескопа установлен абсолютный гравиметр, показания которого при вертикальном положении оптической оси паспортизированы. 1 ил.

Система определения уклонений отвесной линии на подвижном основании, содержащая зенитный телескоп и устройство для определения астрономической вертикали, отличающаяся тем, что для определения астрономической вертикали на корпус зенитного телескопа установлен абсолютный гравиметр, показания которого при вертикальном положении оптической оси паспортизованы.