автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Определение уклонения отвесной линии в море по околозенитным звездам

ордена трудового красного знамени

центральный научно-исследовательскии институт

"электроприбор"

На правах рукописи УДК 681.518.3:527.5

ТРОИЦКИИ Вадии Викторович

определение уклонения отвесной линии в море по 0к0л03енитным звездам

Специальность 05.11.03 - гироскопы и навигационные

приборы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- Санкт-Петербург 1994 г -

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском институте "Электроприбор".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Б.А.Васильев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Л _П .Несеиок,

кандидат физико-математических наук В_И.Валяев

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский

навигационно-гидрографический институт Министерства обороны Российской Федерации

Защита диссертации состоится " о " <л(л>и*.< 1994 г . в /Г часов в на заседании специализированного совета

ДР 130.06.01 при ЦНИИ "Электроприбор" по адресу: 197046, г. Санкт-Петербург, ул. Малая Посадская, д. 30.

С диссертацией можно ознакомиться в технической библиотеке ЦНИИ "Электроприбор".

Автореферат разослан " С" 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

Г

А.Г.Богданов

ОБЩАЯ ^ЛР^^НГО^^ИСТГИЕСЛ ^ГкБгСТГЫ

Актуальность темп. Непрерывное совершенствование нави-'ационной техники и, в частности, астронавигационной позво-шло достигнуть уровня точности определения навигационным 1араметров, при котором существенным сдерживаюцим фактором 1альнеииего прогресса в области навигации явилась неопреде-генность ряда геофизических полей. К ия числу следует от-¡ести значения поля уклонений отвесной линии (УОЛ), неточное ;нание которого искажает показания инерциальных навигационных систем (ИНС). УОЛ является одним из важнейыих параметров, позволяющих реыать ряд научных и геодезических задач. !омимо повышения точности судовождения с помощью ИНС, карты 'клонений могут стать при наличии на борту судна градиен-'ометра самостоятельным источником навигационной информа-

(ии .

Точность отдельных элементов и узлов прецизионных юрских астронавигационных систем позволила поставить зада-1У об определен!!!! УОЛ в море астрономо-геодезическим мето-юм, при условии позиционирования от спутниковой или иной •еодезической системы. Разработка астрогеодезических систем .ысокой точности представляет собой сложную научно-техни-[ескую задачу, требующую координированной проработки целого :руга взаимосвязанных вопросов из области астрономии, опти-:и, точной механики, '-тотоэлектроник и и целого ряда других [вправлений современной науки и техники. Однако существует ¡еобходимость продолжения поисков в данном направлении, так :ак только с помощью этих систем возможно осуществление пря-[ых измерений УОЛ для создания астрономо-геодезических пунк-■ов, распределенных по поверхности земного ыара, с целью ¡оставления карт уклонений на всей поверхности Земли, вклю-[ая акватории морей и океанов.

В последнее время в ЦНИИ "Электроприбор" при не-юсредственном участии диссертанта велись работы с целью ■заработки аппаратуры для измерения УОЛ в морских условиях. > результате был проделан больыой объем теоретических и -кспериментальных исследований в этой области. Б частности, •азработан и испытан в натурных условиях астрономо-гео-1езический комплекс (АГК), предназначенный для проведения [змерений с дрейфующего льда (малоподвижное основание). Что асается основной проблемы - реализации астрономо-геодези-[еского метода в морских условиях, то для ее решения был

предложен метод и устройство•на базе зенитной трубы с двуч ортогональными акселерометрами, защищенные авторскими свид< тельстЕами. Однако эта идея нуждается в более глубокой те< ретической проработке, результаты которой представлены диссертационной работе.

Таким образом, целью работы является теоретическое экспериментальное исследование возможности определения УОЛ море астрономо-геодезическим методом по околозенитным зве; дам. Основными задачами диссертационной работы являются;

- анализ схем построения АГК для определения УОЛ в м<

ре;

- исследование модели процесса измерений величш составляющих УОЛ для определения предполагаемой точное: комплекса и требуемых точностных параметров его элементов;

- решение задачи по выбору конструктивных параметре зенитной трубы для обеспечения оптимального соотношения ме» ду производительностью комплекса и требованиями к характе ристикам элементов оптико-телевизионного тракта;

- исследование возможности калибровки оптико-телевиз! онного тракта по результатам наблюдения астрономических обь ектов для учета его геометрических искажений с целью повыше ния точности измерения положения звезд в поле зрения.

Нетоды исследования. В настоящей работе использован теоретические и экспериментальные методы исследования. Тес ретические исследования основаны на математически,4: метода многомерного статистического анализа погрешностей систем обобценного метода наименьших квадратов, фильтрах Калмана, также вероятностных методах при различных законах распреде ления. Использованы современные математические методы приб лиженных вычислений, в частности, сплайн-интерполяция Экспериментальные исследования проводились с целью проверк корректности принятых математических моделей, подтверждени теоретических результатов и точности элементов АГК для опре деления УОЛ.

Научная новизна. Всесторонне исследован теоретически и с помощью математического моделирования новый астрономо-гео девический метод определения УОЛ по околозенитным звездам Предложен метод определения пространственной ориентации ее нитной трубы без дополнительной <?отоследяцей системы при на личии двух и более звезд в поле зрения телекамеры. Сдела анализ вероятности наблюдения звезд и успешного проведени сеанса измерений при различных параметрах оптико-телеви

знойного устройства. Справедливость полученных формульных соотношений подтверждена моделированием реального процесса прохождения звезд в поле зрения. Показана возможность учета геометрических искажений оптико-телевизионного тракта астро-оптическнх систем по реальным звездам.

Практическая ценность.. Разработана оригинальная схема построения АГК для определения УОЛ в море по околозенитным звездам с точностью 1", подтвержденной теоретическими исследованиями . По результатам вероятностного анализа наблюдаемости астрономических обьектов в поле зрения телекамеры и производительности измерительного комплекса сделан Еыбор оптимального соотношения параметров его оптико-телевизионного устройства. Анализ возможности учета геометрических искажений оптико-телевизионного тракта позволил снизить требования к разрешающей способности фотоприемника и увеличить допустимую при заданной точности ширину поля зрения зенитной трубы. Разработанная методика калибровки астрооптических систем по по реальным звездам позволила повысить точность измерений телевизионных измерительных систем.

Предложенные в работе методики анализа вероятности наблюдений зЕезд и производительности астропеленгаторов, а так же метод калибровки оптико-телевизионного тракта по реальным звездам могут иметь широкое применение при разработке и эксплуатации астрономических инструментов.

Апробация работы. Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях памяти Н.Н.Острякова, школе-семинаре 1989 года по навигационной технике, научной школе "Астронавигация -94" при заците этапов работ и на международной конференции в ЭТА в 1992 году.

Публикации. По материалам диссертации опубликованы три статьи, два доклада на Школе 89, тезисы двух докладов на конференциях памяти Н.Н.Острякова, тезисы доклада на международной конференции ИТА и получено авторское свидетельство на изобретение.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения f пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 31 наименование, трех приложений с программами и содержит 193 страницы машинописного текста, в том числе 15 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные проблемы, рассматриваемые е диссертации и представлена ее структура.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих методов определения УОЛ. Рассмотрены причины, определяющие важность составления карт УОЛ, и проведена классификация методов определения величин УОЛ.

Изложено краткое описание известных методов определения УОЛ с приведением формульных соотношений, позволяют»; вычислять его величину по данным измерении. Отмечены достоинства и недостатки описанных методов и ограничения по их использованию в морских условиях.

Из рассмотренных методов в морских условиях успеыно применяются в настоящее время только два - гравиметрический (судовая и самолетная гравиметрия) и спутниковая альтимерия. Эти методы являются косвенными, из чего вытекают ограничения по их применению и недостаточная точность вычисления составляющих УОЛ по данным, полученным с их помощью , на некоторых участках акватории морей и океанов. Для повыыения точности составления карт УОЛ необходимо распространить на акватории океанов применение астрономо-гравиметри-ческого метода или его модификаций, что возможно при условии создания сети астрономо-геодезических пунктов для учета ближних и средних зон, • то есть необходимо реализовать прямые измерения УОЛ в море.

Первым ыагом в распространении астрономо-геодезического способа определения УОЛ на морские акватории стала выполненная при непосредственном участии автора работа по разработке методики и комплекса аппаратуры для определения составляюцпх УОЛ с неподвижного и малоподвижного основания, описанного ео второй главе. Разработанный АГК, построенный на базе приз-менной телевизионной астролябии и твердотельного (а не ртутного) зеркала с двумя ортогональными акселерометрами, осуществляет всещиротные измерения астрономических координат и предназначен для работы на суые или с ледовых полей арктической зоны. Эта работа позволила получить больной экспериментальный материал и наметить пути реыения проблемы определения уклонений в морских условиях с судна, а также отработать отдельные устройства, в частности, высокоточную телевизионную измерительную систему.

В разработанном АГК измеряются отстояния звезд от аль-

1укантарата, поэтому для обработки измерительной информации ютребовалась некоторая модификация известного метода равных шсот. В число оцениваемых параметров был включен масштаб 1змерений угла между изображениями звезды Бо.

Исходное уравнение измерений в прирацениях имеет еид;

01мсозА,з(Чз.) + еезз.пАо(-Ь1) + + - 2™)Ъо - ,(1)

'Де Ъп. - систематическая оыибка прибора;

Ъ-*> - эталонное "призменное" зенитное расстояние; А^ - азимут звезды; ^ - время сеанса наблюдения;

г® - измеренный наклон зеркала в плоскости визирования; ёгс, составляюцие УОЛ в меридиане и первом вертикале.

Оценка четырехмерного Еектора

Т '

X = II вн, , Оо II

осуществляется способом наименьшие квадратов по результатам :змерений серии из 30 - 40 звезд, полученной за время около 1 часа. Столь высокий темп измерений позволяет пренебречь изменениями рефракции и уходами нуля акселерометров за время измерений.

В третьей главе рассматривается возможность решения [роблемы создания астрономо-геодезических пунктов в океане с гомоцью судового АГК, который по составу аппаратуры наиболее .лизок к сочетанию астроинерциальной и космической навигаци-«ных систем и обладает свойством инвариантности относитель-га возмуцаюцих линейных ускорений судна. Принципиальное от-[ичие этого комплекса от ИНС состоит в том, что вместо традиционного построения плоскости истинного горизонта, аппара-'УРОй комплекса по данным космической навигационной системы КНС) и наблюдениям звезд Физически реализуется невозмуца-мая "геодезическая вертикаль" - нормаль к поверхности зем-юго эллипсоида. Следствием этого является ряд достоинств, оторые обеспечивают высокую точность измерений УОЛ:

- отсутствие акселерометров в цепи управления горизон-'ированием измерительной платформы АГК приводит к более точ-ой стабилизации ее пространственного положения из-за не-:увствительности к переносным ускорениям;

- проведение перекладки в процессе измерений позволяет сключить систематические ошибки, связанные с уходом нуля кселерометров;

- построение геодезической вертикали по данным астроно-

мических наблюдений исключает ошибки, связанные с уходам! гироскопов.

Судовой АГК представляет собой телекамеру с двумя жестко установленными относительно нее ортогональными горизонтальными акселерометрами приближенно стабилизированную пс вертикали и в азимуте. Устройство производит непрерывное измерение положения околозенитных звезд в поле зрения телекамеры относительно марки нуля, фиксируя тем самым пространственное положение акселерометров. Координаты места непрерывно поступают от КНС. Сигналы акселерометров дваждь интегрируются, после чего сравниваются с изменениями показаний КНС. Обработка информации, полученной до и после перекладки инструмента, позволяет определить две составляют к УОЛ, попутно исключив основные систематические ошибки. Точность такого комплекса определяется в основном ошибкам! КНС, дрейфовыми составляющими погрешностей акселерометров I их положения относительно оптической оси и ошибками считывания положения звезд б поле зрения. Каждый из этих источникое ошибок после статистической обработки дает величину менее одной угл.сек., что и позволяет говорить о комплексе данногс типа как о наиболее точном. Высокая точность оптико-телеЕН-зионного устройства обусловлена использованием астрономического инструмента на базе зенитной трубы, преимущества которого состоят в измерении только малых углов в поле зрени? вертикальной телекамеры и снижении влияния атмосферных возмущений , главным образок рефракции, в околозенитной зоне. Однако с использованием только околозенитных звезд СЕЯзань повышенные требования к чувствительности телекамеры, так каь область наблюдений мала и определяется шириной поля зрения.

При рассмотрении задачи определения составляющих УОЛ пс данным измерений выделены две основные подзадачи. Главная, объединяющая кинематику поступательного движения и измерения , получаемые от акселерометров и КНС, и вспомогательная. объединяющая кинематику вращения и измерения положения звезд в поле зрения телекамеры, названная задачей определение пространственного положения акселерометров. Подзадачи связаны между собой статическими условиями жесткости устройства.

Главным источником информации для определения пространственного положения акселерометров являются измерения координат звезд в поле зрения телекамеры, положение которых е геодезической системе координат может быть вычислено с точностью звездного каталога (0",1 - 0",3). Очевидно, что дл*

речения задачи необходимо два опорных направления. Поэтому в некоторых из рассматриваемых вариантов АГК для определения азимутальной ориентации предусмотрено наличие дополнительной Фотоследяцей системы следящей за еце одной низкой звездой. Однако реализация таких вариантов предполагает существенное усложнение его конструкции, и, кроме того, возможны систематические погрешности. Поэтому основное внимание уделено рассмотрению возможности определения пространственной ориентации измерительного устройства с грубой начальной стабилизацией в азимуте по данным внешнего источника (судовой гирокомпас) и уточнением азимутального положения в процессе измерений во время нахождения в поле зрения телекамеры двух и более звезд.

Оценка оиибки Аг.ч априорного знания азимутального положения производится на основе совместного статистического анализа трех параметров д=м, у™, Здесь , у,-,„, - ко-

ординаты смещения геодезического зенита относительно марки нуля зенитной трубы (рассчитывается каждый момент времени по телевизионным координатам двух или более звезд и данным КНС). Такой алгоритм позволяет использовать данные измерений по всем доступным в каждый момент времени звездам.

При рассмотрении вариантов азимутального разворота зенитной трубы для исключения систематической оиибки измерений УОЛ наиболее перспективным оказалось равномерное вращение устройства в процессе измерений. Закон изменения азимутального положения в этом случае можно приближенно представить в виде

А(Ю = Ао + ШЬ где оцениваемые параметры;

Ао - начальное азимутальное положение;

На - скорость азимутального вращения.

Анализ допустимой погрешности определения этих составляющих показал, что Ао должно определяться с точностью до 1", а ошибка определения ЭДа не должна превышать 6'/час.

Моделирование, проведенное путем оценки двумерного век-гора состояния

¡1 Ао, Яа И

методом наименьших квадратов, показало, что заданные точности определения азимутального положения вполне достижимы.

Численная оценка точности определения составляющих УОЛ 1роизводилась по методу оптимальной фильтрации Калмана, ■кзеледовательной оценкой десятимерного вектора

т

X = II Ve, Sn, Ve, Se, gn, gE, Von, Voe, Пц, П2 || , где Von» Voe - начальные величины северной и восточной составляющих скорости;

П1, П2 - систематические ошибки;

Vn, Ve - составляющие текуцей скорости;

Sn, Se - пройденный путь. С акселерометров, в данных обозначениях, снимаются сигналы

Zi = gNeosA + gEsinA + аысозА + aEsinA + П1 + <J>i Z2 = -gNsinA + gECOsA - aNsinA + aECOSÄ + П2 + ,

где А - азимут звезды;

аы, аЕ - северная и восточная составляющие линейных возмущающих ускорений воздействующих на акселерометры вследствие качки и других перемещений в пространстве;

, 4'2 - 4>луктуационные ошибки.

С учетом двукратного интегрирования сигналов акселерометров уравнения динамики системы имеют вид

Vn = gn + ПюозА - r^siriA + ^icosA + S^sinA; Ve = gE + nisinA + n2cosA + i'isinA + Ф2CosA; Sn = VN; SE = VE; Von = 0; Voe = 0;

£n = 0; = 0;

Пх = 0; П2 = 0.

Систематические ошибки КНС непосредственно смещают составляющие УОЛ поэтому их можно и нужно учесть в оценках УОЛ.

При перекладке инструмента текущая ковариационная матрица заменяется новой начальной, но с сохранением текущих ковариационных подматриц оценки элементов.

Результаты моделирования, проведенного при различных вариантах азимутальной стабилизации показали, что во всех вариантах конечный результат одинаков и определяется неуст-раняемой при перекладке систематической ошибкой КНС. Различие состоит в "переходном режиме", причем стабилизация азимута по звезде позволяет несколько снизить ошибки еще до перекладки по сравнению со стабилизацией в меридиане. Равномерное вращение измерительной платформы приводит к несколько более быстрому и плавному уточнению составляющих УОЛ, Tai; как е этом варианте не требовался перезапуск фильтра Калмана характерный для перекладки. Показано, что длительность измерительного цикла АГК может быть ограничена (20 - 25) мин.

В четвертой главе производится выбор оптимального соот-ошения параметров зенитной трубы для обеспечения достаточ-ой производительности и точности измерений устройства при инимизации требований к его элементам.

Необходимость такого анализа связана с тем, что в поле рения зенитной трубы все время измерений должна быть хотя ы одна звезда, а некоторое время - не менее двух. Возникает роблема обеспечения возможности непрерывного пеленгования везд, последовательно входящих в поле зрения в процессе лежения, для решения которой необходимо правильно подобрать акие параметры оптико-телевизионного устройства как; пре-ельная чувствительность фотоприемника, диаметр входного рачка, угол поля зрения, погрешности телевизионных измере-ий. Перечисленные выше параметры, особенно ориентация на онкретные значения предельной звездной величины и поля зре-ия, жестко связаны с требуемой частотой успешных определе-ий УОЛ.

Чтобы найти оптимальное соотношение этих параметров, ыполнен вероятностный анализ наблюдаемости звезд различной ркости в различных областях небесной сферы с учетом требо-ания непрерывного наличия звезд в поле зрения в течение из-ерительного цикла. В виду большого обцего числа звезд ис-ользован закон распределения Пуассона и получена Формула, озЕОЛяюцая оценить вероятность проведения сеанса измерений:

Р = {1 - ехр(-Лтз)}ехр{- --7°--ехр(-<1тз)} ,

v о

де В - широта места; t - длительность сеанса измерений;

и - угловая скорость суточного врацения Земли;

га - предельная звездная величина;

з - площадь небесной Сферы (угол поля зрения);

«1т ~ среднее число звезд ярче звездной величины т на диницу плоцади небесной сферы.

Справедливость полученного выражения подтверждена омпьютерным моделированием процесса наблюдений реальных везд путем обработки данных звездного каталога.

На основании моделирования, численных и аналитических ценок, был сделан выбор следующих характеристик оптико-те-евизионного устройства, входящего в состав АГК:

- квадратное поле зрения (диагональ - 1°,65);

- предельная звездная величина - 9 (девятая);

- частота определений УОЛ (производительность) - 1 раз

в час в темное время суток при отсутствии облачности.

Вероятность наблюдения двух и более звезд в поле зрения при условии наличия в нем одной определяется формулой

р (9) = + 1)вхр(-^з)

т ~ 1 - ехрС-ЛтЗ)

При выбранных параметрах зенитной трубы это означает, что во время сеанса измерений в поле зрения будет наблюдаться две или более звезды с вероятностью 0,8, что вполне достаточно для решения задачи азимутальной ориентации.

Выбранный угол поля зрения не позволяет получить необходимую точность единичных телевизионных измерений из-за ограниченной разрешающей способности 4>отоприемников. Однако осреднение во времени больыого числа единичных телевизионных измерений координат движущегося в поле зрения объекта теоретически позволяет достичь требуемой точности измерений (0",3), которая растет с увеличением числа пересекаемых элементов разложения приемника. Как показала практика работы с АГК на базе телевизионной астролябии, Фактором препятствующим повышению точности измерений является наличие геометрических искажений оптико-телевизионного тракта.

В диссертационной работе предложен новый метод учета таких искажений по результатам наблюдения звезд в поле зрения оптической системы: они являются почти идеальными эталонами, поскольку их положение известно с точностью десятых долей секунды. Проводится анализ возможности такой калибровки как с неподвижного основания в процессе аттестации АГК, так и во время использования оптико-телевизионного устройства для измерений путем расширения числа оцениваемых параметров.

В общем случае геометрические искажения поля зрения имеют как линейные, так и нелинейные составляющие, не обладают свойством центральной симметрии и вообще могут не иметь аналитического описания . Поэтому рассматривалось три подхода к их учету в виде двумерного поля поправок к измеренным координатам :

- "сеточно-интерполяционный", основанный на запоминании

массива поправок координат опорных точек, полученного по наблюдениям звезд;

- "параметрический", для которого предлагается модель приближенного параметрического описания искажений и исследуются задачи оценки калибровочных параметров по звездам - как

в условия}; стационарного стенда, так и непосредственно перед измерениями или одновременно с ними;

- "зонно-параметрический", применение которого вызвано ростом числа неинформативных, плохо определяемых параметров при использовании широких полей зрения. В такой ситуации естественна мысль о разбиении поля зрения на участки, в пределах каждого из которых можно ограничиться полиномом более низкого порядка.

Алгоритмически наиболее простым и удобным является параметрический подход, хотя при этом заведомо сглаживаются и не поддаются описанию "местные", высокочастотные пространственные изменения поля.

Пусть х, у - координаты точек в поле зрения телевизионной измерительной системы, тогда простершим описанием поля ошибок по каждой координате могут служить два двумерных полинома - степенные функции двух переменных;

p+k=n p+k=n

Qx = ZZCpkxiVk ' Qy = ZZDpk*Pyk- (2)

P,k=0 P,k=0

Степень полинома, необходимая для описания типичных искажений, не может быть ниже п = 3, что уже соответствует 20 подлежащим оценке коэффициентам Dyk, то есть 20-мер-

ному вектору неизвестных параметров R(CPi,, Dpk), где р, к = 0, 3, р + к = 0, 3. Более эффективно значение п = 5, что соответствует 42 параметрам.

При моделировании калибровки поля зрения с неподвижного основания использовалось до 10 звезд, последовательно проходящих через поле зрения с углом 2 кв. град. За время от 0,5 цо 2 часов удается, в рамках принятого математического эписания искажений, определить искомые поправки с точностью эколо 1" за исключением краев поля зрения, где погрешность доставляет единицы угловых секунд. Моделирование показало, -1ТО точность получения поля поправок Еыые всего вдоль линии чрохождения звезды, что еще раз подтверждает сказанное ранее э наблюдаемости оцениваемой совокупности параметров и слабом влиянии плохо оцениваемых из них на точность решения основной задачи в данной точке. Этот же факт послужил основанием зля исследования возможности калибровки во время выполнения астропеленгатором его основных функций.

Получены положительные результаты при применения параметрического метода текущей калибровки поля при использова-

нии телевизионной астролябии и обнадеживающие результаты моделирования подобной задачи для высокочувствительной телевизионной зенитной трубы. В частности, для описанного в главе 2 модифицированного способа равных высот, в котором оценивался четырехмерный вектор с включением е него поправки масштаба, было проведено исследование решения задачи с одновременным оцениванием коэффициентов одномерного полинома второго порядка. Исходное уравнение (1) преобразуется к виду

gKCOsAj(ti) + gEsinAj(ti) + Zrr +

+ (Zu - Z.»)(Do + Dix + Dax2) = r» ,

где Di, Da, D3- оцениваемые коэффициенты полинома масштабны}: ошибок типа (2). Специфика задачи - симметричность измеряемы}: ординат относительно оси абсцисс - позволяет отбросить члены, нелинейные относительно оси Y.

При решении задачи пространственной ориентации осей чувствительности акселерометров, описанной в главе 3, также возможно проведение текущей оценки геометрических искажений в процессе обработки данных измерений АГК на базе зенитной трубы. По результатом моделирования можно сделать вывод о некотором замедлении скорости уточнения оцениваемых параметров по сравнению с моделью, не учитывающей геометрических искажений, однако окончательная точность их оценки практически не изменяется, зато появляется возможность, учета основной доли искажений поля зрения.

С увеличением угла поля зрения резко возрастают необходимые для калибровки с заданной точностью степени двумерных полиномов (2) и число оцениваемых параметров. Неизбежно растет и число неинформативных, плохо определяемы}: параметров . Поэтому естественна мысль о разбиении поля зрения на участки, в пределах каждого из которых можно ограничиться полиномом более низкого порядка. То есть речь идет о двумерной кусочно-, точнее, зонно-полиномиальной аппроксимации поля ошибок. При таком методе калибровки идентификация текущей зоны требует сравнения координат ее вершин с текущими координатами звезды. Необходимо запоминать значения искомого поля в вершинах - узлах интерполяции, и использовать расстояния до них для самой интерполяции поля в текущей точке. Если нерегулярная сеть узлов наносится непосредственно вдоль траекторий звезд краткосрочным осреднением разностей расчетных и измеряемых координат звезды, то значения поля ошибок в узлах не отягощены методическими ошибками из-за неадекват-

ости модели поля. Этого достоинства лишены параметрические етоды, а также второй вариант - регуляризация сети узлов онно-параметрическим (или интерполяционным) методом.

Для интерполяции поля поправок, скажем, Ох(х, У) = СЗяу помощью регулярной прямоугольной сети, то есть при известив значениям (}х(х1, Уд) - 0±д , 1 = 0, 1.., ,1=0, 1.., учше всего использовать сплайны первой степени двух пере-енных (тензорное произведение сплайнов одной переменной), скомое значение сплайна в произвольной точке внутри прямоу-ольника имеет вид

СЫ.х,у) = Си + Бих + КиУ + Риху ,

ричем в узлах О^у - (Зи. Единственное значение сплайна, оответствующее искомой точке (х, У), найдены последователь-о через сплайны каждой из переменных:

Оху = (1 - С)[(1 - Н)0и + НОси-иЛ +

+ аса - юаю-ы) + Н(5с1-ы)с¿4-1>] ,

де

х - XI у - Ух

Н = ---------; а = --------

Х1+1 - XI У14-1 - У1

Теперь рассмотрим нерегулярную, полученную прямыми из-эрениями, а значит, и наиболее надежную сеть, узлы которой (х, у) нумеруются подряд.

Будем считать ее треугольной, то есть поверхностью, оставленной из кусков плоскостей. Вначале находим внутри экого треугольника лежит интересующая нас точка Т(х, У), ля отыскания значения поля в ней вновь используем линейные плайны двух переменных, совпадающие в ближайших узлах, но-эра которых для простоты обозначим 1, 2, 3, со значениями Оя., 0.3- Искомое значение удовлетворяет уравнению

х у

XI ух 0-2 Х2 У2

<3з хз уз

Более удобен алгоритм, при котором сплайн на нерегуляр-

ной сетке используется только на этапе калибровки для регуляризации поля ошибок в узлах прямоугольной сетки. Во врем« же использования пеленгатора применяется алгоритм интерполяции по регулярной сетке.

Выбор того или иного из приведенных равноточных методо* калибровки поля зрения зависит от величины этого поля, тип«: Фотоприемника, точностных и иных требовании к пеленгатору.

В четвертой главе излагаются результаты экспериментальных исследований макета АГК для определения УОЛ с малоподвижного основания, проведенных в натурных условиях на береп Ладожского озера.

Испытания включали проверку функционирования как отдельных узлов телевизионной астролябии , Еоыедших затем I состав АГК на базе зенитной трубы, так и всего комплекса I целом. Была проверена реальная чувствительность оптико-телевизионного канала и точность измерений координат звезд. Оценена точность определения составляющих УОЛ при различны) объемах накопленных измерений и определена производительность АГК - интервал времени, необходимый для получения одного измерения УОЛ со среднеквадратической погрешностью № более 1".

Испытания показали способность телевизионной измерительной системы производить устойчивый захват и измерения пс звездам (в данном случае до 6 зв. величины) даже в условия) значительной фоновой засветки в период белых ночей. Это позволило предварительно оценить возможности использования аналогичного устройства, укомплектованного более чувствительньи приемником, для использования в АГК на базе зенитной труб! для пеленгации звезд до 9 зв. величины.

Проведены экспериментальные исследования Фотоприемнико! по пелегации слабых звезд, которые показали, что при использовании фото-злектрического преобразователя ЛИ-703, диамет{ входного зрачка зенитной трубы должен быть не менее 100 мм.

Проведено изучение возможности использования в качеств« Фотоприемника твердотельную ПЗС-матрицу ССВ-М27В/СЕ японского производства. Фотоэлектрические преобразователи такогс типа вносят меньшую величину геометрических искажений в телевизионный тракт и поэтому предпочтительнее. При этом дл> пеленгации звезд 9 звездной величины нужно использовать объектив с входным зрачком диаметром 250 мм.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Проведено теоретическое обоснование возможности измерения УОЛ с подвижного основания (в морских условия;: с судна) с помощью АГК, построенного на базе зенитной трубы, оснащенной телевизионной измерительной системой, и двух ортогональных ей акселерометров.

2. Разработана модель процесса измерений УОЛ с подвижного основания. Модель учитывает погрешности акселерометров, телевизионной измерительной системы, космической навигационной системы, возмущающие ускорения качки, орбитального движения и иных эволюций движения судна, возникающих при работе в реальных условиях. Проведенное моделирование позволило сделать выбор оптимальной схемы построения комплекса и оценить ожидаемую точность измерения УОЛ.

3. Разработаны методы калибровки астрономических телевизионных измерительных систем по прохождению реальных звезд в поле зрения. Математическим моделированием подтверждена возможность оценки составляющих геометрических искажений в процессе работы, так и при аттестаций приборов.

4. На основе рассмотрения вероятностных характеристик наблюдаемости звезд, разработан метод выбора параметров астрономических инструментов: величины поля зрения, чувствительности телевизионного приемника и размера входного зрачка объектива, производительности комплекса. Теоретические результаты подтверждены моделированием наблюдения прохождений реальных звезд в поле зрения.

5. Выполненные при непосредственном участии диссертанта экспериментальные исследования подтвердили результаты моделирования по оценке ожидаемой точности определения УОЛ, принципиальную работоспособность отдельных устройств, входящих в измерительные комплексы, и правильность выбора соотношения их параметров.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Троицкий В.В. Об одном подходе к выбору соотношения параметров телевизионного зенит-телескопа. Материалы XVI Межотраслевой научно-технической конференции памяти Н.Н.Остря-кова. ЦНИИ "Румб". С.-Петербург, 22-24 ноября 1988 г.

2. Васильев В.А., Зиненко В.Н., Коган Л.Б., Латоха

A.Г., Савик В.Ф., Пеыехонов В.Г., Троицким В.В., Яыуыкевич

B.Е. Авторское свидетельство N328653 от 01.08.91 г.

3. Васильев В_А_, Зиненко В.Н., Коган Л.Б., Савик В .<*>_, Пеыехонов В „Г., Троицкий В.В., Янушсевич В.Е. Об одном способе определения уклонения отвесной линии астрономо-гео-дезическим способом на надводном корабле. Сборник материалов Школы 89. Книга 2. Академия наук. Научный совет по проблемам управления движением и навигации. 1991 г.

4. Васильев В.А., Зиненко В.М., Коган Л.Б., Савик В.Ф., Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Янушкевич В.Е. Модификация способа равных высот и его реализация с помощью телевизионной астролябии. Тезисы докладов ИТА. С.-Петербург, 3-5 марта, 1992г.

5. Васильев В.А., Зиненко В.Н., Коган Л.Б., Савик В_Ф_, Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Януыкевич В.Е. Определение уклонения отвесной линии по околозенитным звездам. Международное совещание: "Современные методы Физической геодезии, спутниковой геодинамики и астронавигиции". Тезисы докладов ИТА. С.-Петербург, 3-5 марта, 1992 г.

6. Васильев В.А., Зиненко В.Н., Коган Л.Б., Савик В.Ф., Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Януыкевич В.Е. Судоеой астро-геодезический комплекс для определения уклонения отвесной линии. - "Судостроительная промышленность", серия "Навигация и гироскопия", 1991 г., вып.2, стр. 51-56.

7. Васильев В.А., Коган Л.Б., Романе!¡ко С.К., Троицки; В.В. Калибровка поля зрения телевизионного датчика астропе-ленгатора по звездам. Материалы XVII Межотраслевой научно-технической конференции памяти Н.Н.Острякова. ЦНЖ "Румб". С.-Петербург, 4-5 декабря 1990 г.

8. Васильев В.А., Коган Л.Б., Савик В.Ф., Троицкий В_В. Об учете искажений поля зрения телевизионного пеленгатора. "Гироскопия и навигация", 1993 г., вып. 1, стр. 38-44.

9. Васильев В.А., Троицкий В.В. К оценке вероятности пеленгования слабых звезд. "Гироскопия и навигация", 199^

, ЕЫП. 1(4).

10. Васильев В.В., Савнк Б.4»., Троицкий В.В. Ой оптими-ции параметров телевизионного астропеленгатора. Сборник териалов Научной школы "Астронавигация - 94". Научный сот Росийской Академии наук по проблемам навигации и управ-ния движением. - С.-Петербург, 20 - 24 марта 1994 г.

дписано к печати 10.04.94 Объем 1,0 п.л.

Заказ N 2

раж 100 экз.

Бесплатно

ЦНИИ "Электроприбор", 197046, С.-Петербург, ул. Малая Посадская, 30.