Способ построения местной вертикали и устройство для его осуществления

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.

 

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.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области оптических измерений и касается способа определения угловых координат на источник направленного оптического излучения. Способ включает в себя привязку положения фоточувствительных элементов матричного фотоприемника оптико-электронного координатора к декартовой системе координат, прием излучения, выделение не менее шести фотоэлементов матричного фотоприемника, сигналы на выходе которых равны между собой, определение их координат и вычисление по их значениям угла места и азимута источника излучения.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к пеленгаторам. Предложено устройство для определения пеленга и дальности до источника сигнала, содержащее первую антенну, первый и второй микробарометры, а также пять аналого-цифровых преобразователей (АЦП), подключенных к персональной электронно-вычислительной машине (ПЭВМ), дополнительно содержащее блок системы единого времени и блок связи с абонентами, подключенные к ПЭВМ, последовательно соединенные первый усилитель, первый фильтр, второй усилитель, первый пороговый блок и схему ИЛИ, последовательно соединенные вторую антенну, третий усилитель, второй фильтр, четвертый усилитель и второй пороговый блок, последовательно соединенные третью антенну, пятый усилитель, третий фильтр, шестой усилитель и третий пороговый блок, последовательно соединенные седьмой усилитель, четвертый фильтр, восьмой усилитель, пятый фильтр, четвертый пороговый блок и первую схему И, последовательно соединенные первый цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) и первый калибратор, последовательно соединенные второй ЦАП и второй калибратор, последовательно соединенные третий ЦАП и третий калибратор, последовательно соединенные четвертый ЦАП и четвертый калибратор, последовательно соединенные пятый ЦАП и первый формирователь, последовательно соединенные шестой ЦАП и второй формирователь, последовательно соединенные первый таймер, вторую схему И и первый счетчик, последовательно соединенные девятый усилитель, шестой фильтр, десятый усилитель, седьмой фильтр, пятый пороговый блок и третью схему И, последовательно соединенные седьмой ЦАП и пятый калибратор, последовательно соединенные восьмой ЦАП и третий формирователь, последовательно соединенные второй таймер, четвертую схему И и второй счетчик, а также первый тактовый генератор, подключенный ко вторым входам второй и четвертой схем И, третий и четвертый таймеры, последовательно соединенные аналоговые первый квадратор, сумматор, первый делитель, шестой пороговый блок и пятую схему И, последовательно соединенные пятый таймер, шестую схему И и третий счетчик, а также шестой АЦП, второй тактовый генератор, подключенный ко второму входу шестой схемы И, и аналоговые второй и третий квадраторы, подключенные входами, соответственно, ко второму и третьему фильтрам, а выходами подключенные, соответственно, ко второму входу сумматора и ко второму входу первого делителя, последовательно соединенные второй делитель, корректор нелинейности, первый блок вычисления модуля, блок вычитания, второй блок вычисления модуля, седьмой пороговый блок и инверсный вход седьмой схемы И, последовательно соединенные ключ, запоминающее устройство и третий блок вычисления модуля, подключенный ко второму входу блока вычитания, последовательно соединенные восьмую схему И и одновибратор, подключенный к управляющему входу ключа, а также седьмой АЦП и блок сравнения знаков, подключенный входами к корректору нелинейности и к запоминающему устройству, а выходом подключенный ко второму входу седьмой схемы И.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается датчика направленности света. Датчик направленности света содержит фотоприемное устройство, состоящее из множества фоточувствительных элементов.

Изобретение относится к области двумерных телевизионных следящих систем. .

Изобретение относится к вычислительной технике. .

Изобретение относится к области бортового информационно-навигационного оборудования космических аппаратов и предназначено для формирования и излучения навигационных радиосигналов системы ГЛОНАСС, формирования, излучения, приема данных и измерений по межспутниковой радиолинии, а также для обеспечения автономного функционирования космической спутниковой навигационной группировки ГЛОНАСС.

Изобретение относится к области бортового приборостроения и может найти применение для определения неисправностей гироскопического измерителя вектора угловой скорости (ГИВУС) космического аппарата.

Изобретение может быть использовано для тестирования и настройки мобильных устройств, применяемых в автономных навигационных системах. Устройство включает оптический блок с тремя жестко связанными между собой отражающими гранями, две - наклонные, одна - вертикальная, автоколлимационный блок, содержащий объектив, тест-объект и отсчетный узел, отражательный горизонт, оптически связанный с первой отражательной наклонной гранью и с объективом, с которым связана вторая отражательная наклонная грань, третья грань перпендикулярна оптической оси объектива.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может найти применение в системах навигации космических аппаратов (КА) по сигналам навигационных спутников (НС), входящих в состав Глобальных Спутниковых Навигационных Систем (ГСНС), например по сигналам НС ГЛОНАСС или GPS.

Устройство для автономного определения навигационных параметров и параметров ориентации пилотируемого космического корабля содержит оптический блок сопряжения, выполненный в виде призменного блока, позволяющий одновременно наблюдать два непересекающихся участка звездного неба, одного с навигационными звездами, а другого с горизонтом планеты.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для навигации подвижных объектов в режиме реального времени. Система точной навигации подвижных объектов с использованием данных наземной инфраструктуры ГЛОНАСС включает спутники глобальных навигационных систем (ГЛОНАСС, GPS, GALILEO), диспетчерскую станцию, содержащую геоинформационную систему, базовую станцию, подвижные объекты, оснащенные телеметрическими терминалами, на которых установлено телекоммуникационное оборудование, обеспечивающее соединение базовой станции с подвижными объектами посредством широкополосного радиодоступа, блок обработки совместной информации, поступающей с базовой станции и подвижного объекта.

Изобретение относится к способам определения ориентации по координатам наблюдаемых звезд, преимущественно для навигационных целей. В частности, для космической навигации путем определения положения космического аппарата относительно изображений звезд, наблюдаемых на небесной сфере.
Изобретение относится к области навигации летательных аппаратов (ЛА) с использованием комплексного способа навигации и может найти применение при осуществлении навигации высокодинамичных ЛА в сложных навигационных условиях.

Изобретение относится к системам автономной навигации и ориентации космических аппаратов (КА) и может быть использовано в бортовых системах слежения за космическими объектами контроля.

Изобретение относится к области навигационного приборостроения и может найти применение для определения координат местоположения подвижного объекта, например летательного аппарата (ЛА).

Изобретение относится к оптико-электронным приборам, используемым в системах управления движением космического аппарата (КА), гл. обр., к мишени стыковки пассивного КА.

Изобретение относится к космической технике, в частности к стыковочным устройствам космических аппаратов (КА). Стыковочный механизм содержит подвижный корпус, связанный с основанием стыковочного механизма двухстепенным вращательным шарниром, тягами и электромагнитными тормозами, штангу с головкой и защелками, установленную с возможностью поступательного перемещения относительно подвижного корпуса, размещенные в подвижном корпусе шарико-винтовой преобразователь, связанный с ним осевой амортизатор с первым фрикционным тормозом, электропривод, связанный с первым фрикционным тормозом через стопорную муфту.

Изобретение относится к системе энергопитания космического аппарата (КА) с солнечными батареями (СБ). Способ включает измерение тока и параметров углового положения СБ.

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.

Наверх