Способ построения местной вертикали Российский патент 2023 года по МПК G06T3/20 G01C21/24 

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 сканируется 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.

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.].

Известен 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.]

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

Известен способ построения местной вертикали и устройство для его осуществления [Патент РФ №26649141 от 23.08.2018 г.] (прототип).

Недостатком способа является сложность технической реализации способа.

Технической задачей изобретения является повышение точности построения местной вертикали при одновременном упрощении процедуры построения местной вертикали.

Поставленная цель достигается тем, что изображение Земли формируют в форме кольца, сформированное изображение переносят на фотоприемную матрицу, элементы фотоприемной матрицы объединяют в строки и столбцы, по сигналам строк и столбцов с использованием алгоритма центроиды определяют смещение энергетического центра кольцевого изображения Земли относительно центра углового поля оптической системы, по которому определяют отклонение от вертикали.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана схема построителя местной вертикали; на фиг. 2 и фиг. 3 показаны схема плоскости фотоприемной матрицы (А) и сигналы столбцов матрицы (В) при нахождении изображения Земли в центре углового поля (при совпадении оптической оси системы с направлением на вертикаль) - фиг. 2, и при отклонении оптической оси системы от направления на вертикаль - фиг. 3.

На схеме (фиг. 1) построителя местной вертикали показаны:

панорамный зеркально-линзовый объектив -1, передающий объектив -2, фотоприемная матрица -3.

На схеме (фиг. 2-3) плоскости фотоприемной матрицы показаны изображение Земли -4, темновая зона углового поля -5, кольцо углового поля -6, столбцы фотоприемной матрицы -7.

Способ реализуется следующим образом.

Создают кольцевое изображение пространства с помощью панорамного зеркально-линзового объектива -1 (фиг. 1). Изображение Земли при этом в инфракрасном диапазоне спектра имеет форму практически равномерно облученной окружности и располагается внутри панорамного зеркально-линзового объектива. При совпадении оптической оси системы с направлением на вертикаль, изображение Земли располагается в кольцевом угловом поле симметрично по отношению к ортогональным осям x, у. Это изображение переносят с помощью передающего объектива на фотоприемную матрицу. Сигналы с элементов фотоприемной матрицы объединяют в столбцы и строки. Отклонение от вертикали рассчитывают по сигналам строк и столбцов, определяя энергетический центр изображения (по алгоритму центроиды).

Алгоритм определения энергетического центра изображения представлен следующими этапами.

Смещение энергетического центра изображения по оси x относительно начала координат в центре углового поля определяют по сигналам столбцов фотоприемной матрицы как

где Т_х - пространственный период столбцов, s_nx - сигналы столбцов, n=1, 2, 3…-1, -2, -3… - номер столбца, N - число столбцов.

При нахождении изображения Земли в центре углового поля (при совпадении оптической оси системы с направлением на вертикаль) Δх=0, поскольку сигналы столбцов симметричны относительно начала координат, энергетический центр совпадает с началом координат (фиг. 2).

При отклонении оптической оси системы от направления на вертикаль энергетический центр смещается относительно начала координат (фиг. 3). Смещение энергетического центра изображения Δх по оси x относительно начала координат, определенное по формуле (1), будет отлично от нуля, а соответствующее угловое отклонение от вертикали по оси x определяют как

где ƒ' - фокусное расстояние зеркально-линзового объектива, Δα_х - угловое отклонение в радианах, β - линейное увеличение передающего объектива.

Аналогично определяют смещение энергетического центра изображения по оси y относительно начала координат по сигналам строк фотоприемной матрицы по формуле

где Т_у - пространственный период строк, s_my - сигналы строк,

m=1,2,3…-1,-2,-3… - номер строки, М-число строк,

а соответствующее угловое отклонение от вертикали по оси y определяют как

.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для построения местной вертикали по изображению горизонта Земли при ориентации и навигации космических летательных аппаратов. Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что изображение Земли формируют в форме кольца с помощью панорамного зеркально-линзового объектива. Сформированное изображение переносят на фотоприемную матрицу, элементы которой объединяют в строки и столбцы. При этом по сигналам строк и столбцов с использованием алгоритма центроиды определяют смещение энергетического центра кольцевого изображения Земли относительно центра углового поля оптической системы, по которому определяют угловые отклонения от вертикали по двум осям. Техническим результатом реализации заявленного изобретения является повышение точности построения местной вертикали при одновременном упрощении процедуры её построения. 3 ил.

Способ построения местной вертикали, заключающийся в формировании кольцевого изображения пространства и определении отклонения оптической оси от направления на вертикаль по сигналам с фотоприемной матрицы, отличающийся тем, что изображение пространства переносят на фотоприемную матрицу, элементы фотоприемной матрицы объединяют в строки и столбцы, а отклонение от вертикали рассчитывают по сигналам строк и столбцов по алгоритму определения энергетического центра изображения, смещение энергетического центра для оси x по сигналам столбцов определяют по формуле:

где Т_х - пространственный период столбцов, s_nx - сигналы столбцов, n=1,2, 3…-1, -2, -3… - номер столбца, N - число столбцов,

а смещение энергетического центра по оси y по сигналам строк определяют по формуле:

где Т_у - пространственный период строк, s_my - сигналы строк,

m=1,2,3…-1,-2,-3… - номер строки, М - число строк.