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

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ "ЭЛЕКТРОПРИБОР"

РГ6 од

2 о !::л;.п

На правах рукописи УДК 681.518.3:527.5

ТРОИЦКИИ Вадим Викторович

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УКЛОНЕНИЯ ОТВЕСНОЙ ЛИНИИ В МОРЕ ПО ОКОЛОЗЕНИТНЫМ 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 Цент ральном научно-исследовательском институте "Электроприбор".

Научный руководитель; доктор технических наук, профессор

В.А.Васильев.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Л.П.Неоенмк,

кандидат физико-математических на\ В.И.Валяев

Ведущее предприятие: Научно-исследовательский

навигационно-гидрогра^ический институт Министерства обороны Российской Федерации

Защита диссертации состоится " 2 " ^^ ^ 1994 г. в ]_£ часоЕ 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 " Ь " 1994 г.

Ученый секретарь специал! 13ированного совета кандидат технических наук

А.Г.Богданов

О —

ОБВДЙРиЯ Г>Л1СТГгаГ>ГЛС.ТТГМ1К Л РАБОТЫ

Актуальность темы. Непрерывное совершенствование навигационной техники и, в частности, астронавигационной позволило достигнуть уровня точности определения навигационных параметров, при котором существенным сдерживаюцим фактором дальнейшего прогресса в области навигации явилась неопределенность ряда геофизических полей. К их числу следует отнести значения поля уклонении отвесной линии (УОЛ), неточное знание которого искажает показания инерциальных навигационных систем (ИНС). УОЛ является одним из важнейших параметров, позволяющих решать ряд научных и геодезических задач. Помимо повышения точности судовождения с помоцью ИНС, карты уклонении могут стать при наличии на борту судна градиентометра самостоятельным источником навигационной информации .

Точность отдельных элементов и узлов прецизионных морских астронавигационных систем позволила поставить задачу об определении УОЛ в море астрономо-геодезическим методом, при условии позиционирования от спутниковой или иной геодезической системы. Разработка астрогеодезических систем высокой точности представляет собой сложную научно-техническую задачу, требуюшую координированной проработки целого круга взаимосвязанных вопросов из области астрономии, оптики, точной механики, фотоэлектроники и целого ряда других направлений современной науки и техники. Однако суцествует необходимость продолжения поисков в данном направлении, так как только с помоцью этих систем возможно осуществление прямых измерений УОЛ для создания астрономо-геодезических пунктов , распределенных по поверхности земного тара, с целью составления карт уклонений на всей поверхности Земли, включая акватории морей и океанов.

В последнее время в ЦНИИ "Электроприбор" при непосредственном участии диссертанта велись работы с целью разработки аппаратуры для измерения УОЛ в морских условиях. В результате был проделан большой объем теоретических и экспериментальных исследований в этой области. В частности, разработан и испытан в натурных условиях астрономо-гео-дезический комплекс (АГК), предназначенный для проведения измерений с дрейфумцего льда (малоподвижное основание). Что касается основной проблемы - реализации астрономо-геодези-ческого метода в морских условиях, то для ее решения был

предложен метод и устройство на базе зенитной трубы с двум5 ортогональными акселерометрами, защищенные авторскими свиде-тельстЕами. Однако эта идея нуждается в более глубокой теоретической проработке, результаты которой представлены I диссертационной работе.

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

- анализ схем построения АГК для определения УОЛ в море;

- исследование модели процесса измерений величин! составляюцих УОЛ для определения предполагаемой точност! комплекса и требуемых точностных параметров его элементов;

- решение задачи по выбору конструктивных параметро! зенитной трубы для обеспечения оптимального соотношения между производительностью комплекса и требованиями к характеристикам элементов оптико-телевизионного тракта;

- исследование возможности калибровки оптико-телевизионного тракта по результатам наблюдения астрономических объектов для учета его геометрических искажений с целью повышения точности измерения положения звезд в поле зрения.

Методы исследования. В настоящей работе использован! теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования основаны на математических метода: многомерного статистического анализа погрешностей систем обобценного метода наименьших квадратов, фильтрах Калмана, < также вероятностных методах при различных законах распределения . Использованы современные математические методы приближенных вычислений, в частности, сплайн-интерполяция Экспериментальные исследования проводились с целью проверк; корректности принятых математических моделей, подтвержден!! теоретических результатов и точности элементов АГК для определения УОЛ.

Научная новизна. Всесторонне исследован теоретически и с помощью математического моделирования новый астрономо-гео дезический метод определения УОЛ по околозенитным звездам Предложен метод определения пространственной ориентации зе нитной трубы без дополнительной «ротоследяцей 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 соотношении подтверждена моделированием реального процесса прохождения звезд ь поле зрения. Показана возможность учета геометрических искажении оптико-телевизионного тракта астро-оптических 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 объектов в поле зрения телекамеры и производительности измерительного комплекса сделан выбор- оптимального соотношения параметров его оптико-телевизионного устройства. Анализ возможности учета геометрических искажений оптико-телевизионного тракта позволил снизить требования к разреиаюхдей способности Фотоприемнпка и увеличить допустимую при заданной точности ыирину 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 звезд 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 работ. Основные результаты работы неоднократно докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях памяти Н.Н.Острякова, шсоле-ееминаре 1989 года по навигационной технике, научной ыколе "Астронавигация -94" при заците этапов работ и на международной конференции в ИТА в 1992 году.

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

Объем работа. Диссертационная работа состоит из введения ., пяти глав , заключения , списка литературы, включающего 61 наименование, трех приложений с программами и содержит 193 страницы мацинописного текста, в том числе 15 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении изложены основные проблемы, рассматриваем в диссертации и представлена ее структура.

В первой главе проведен обзор и анализ существующих г-тодов определения УОЛ. Рассмотрены причины, определяют важность составления карт УОЛ, и проведена классификация тодов определения величин УОЛ.

Изложено краткое описание известных методов определен УОЛ с приведением формульных соотношений, позволяющих е числять его величину по данным измерении. Отмечены доел инства и недостатки описанных методов и ограничения по использованию в морских условиях.

Из рассмотренных методов в морских условиях успек применяются в настоящее время только два - гравиметр ческий (судовая и самолетная гравиметрия) и спутникоЕ альтимерия. Эти методы являются косвенными, из чего вытекг ограничения по их применению и недостаточная точность е числения составляющих УОЛ по данным, полученным с их г мощью, на некоторых участках акватории морей и океанов. I повышения точности составления карт УОЛ необходимо распрос ранить на акватории океанов применение астронома-гравиметр ческого метода или его модификации, что возможно пр-и услов создания сети астрономо-геодезических пунктов для уче ближних и средних зон, то есть необходимо реализовать пря?-1 измерения УОЛ в море.

Первым ыагом в распространении астрономо-геодезическс способа определения УОЛ на морские акватории стала выполне ная при непосредственном участии автора работа по разработ методики и комплекса аппаратуры для определения составляют УОЛ с неподвижного и малоподвижного основания, описанного второй главе. Разработанный АГК, построенный на базе прт менной телевизионной1астролябии и твердотельного (а не р^ ного) зеркала с двумя ортогональными акселерометрами, ос ществляет всеыиротные измерения астрономических координат предназначен для работы на суще или с ледовых полей аркт ческой зоны. Эта работа позволила получить большой экспер ментальный материал и наметить пути решения проблемы опред ления уклонений в морских условиях с судна, а также отрае тать отдельные устройства, в частности, высокоточную телеЕ знойную измерительную систему.

В разработанном АГК измеряются отстояния звезд от а/

мукантарата, поэтому для обработки измерительной информации потребовалась некоторая модификация известного метода равных высот. В число оцениваемы}: параметров был включен масытаё измерений угла между изображениями звезды Бо.

Исходное уравнение измерений в приращениях имеет вид: еысозАМи) + £кзгпАз(1±) + Ъ^ + (Ъц - 2^)ЕЪ = ,(1) где Ъп. - систематическая ошибка прибора;

Ък - эталонное "призменное" зенитное расстояние;

А^ - азимут звезды;

1;± - время сеанса наблюдения;

г® - измеренный наклон зеркала в плоскости визирования;

Ве~ составляющие УОЛ в меридиане и первом вертикале.

Оценка четырехмерного вектора

ХТ = I! ев, , По II

осуцествляется способом наименьшем квадратов по результатам измерении 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 реыения проблемы создания астрономо-геодезических пунктов в океане с помощью судового АГК, который по составу аппаратуры наиболее близок к сочетанию астрсинерциальной и космической навигационных систем и обладает свойством инвариантности относительно возмуцаюцих линейных ускорений судна. Принципиальное отличие этого комплекса от ИНС состоит в том, что вместо традиционного построения плоскости истинного горизонта, аппаратурой комплекса по данным космической навигационной системы (КНС) и наблюдениям звезд физически реализуется невозмуща-емая "геодезическая вертикаль" - нормаль к поверхности земного эллипсоида. Следствием этого является ряд достоинств, которые обеспечивают высокую точность измерений УОЛ:

- отсутствие акселерометров в цепи управления горизон-тированием измерительной платформы АГК приводит к более точной стабилизации ее пространственного положения из-за нечувствительности к переносным ускорениям;

- проведение перекладки в процессе измерений позволяет исключить систематические ошибки, связанные с уходом нуля акселерометров;

- 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 составляющие УОЛ, попутно исключив основные систематические оыибки. Точность такого комплекса определяется в основном ошибкам; КНС, дрейфовыми составляющими погреиностей акселерометров г их положения относительно оптической оси и ошибками считывания положения звезд в поле зрения. Каждый из этих источнико! ошибок после статистической обработки дает величину мене« одной угл.сек., что и позволяет говорить о комплексе данногс типа как о наиболее точном. Высокая точность оптико-телевизионного устройства обусловлена использованием астрономического инструмента на базе зенитной трубы, преимущества которого состоят е измерении только малых углов в поле зрени5 вертикальной телекамеры и снижении влияния атмосферных возмущений, главным образом рефракции, в околозенитной зоне Однако с использованием только околозенитных звезд связан! повышенные требования к чувствительности телекамеры, так ка! область наблюдений мала и определяется ыириной 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 определен!« 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 I геодезической системе координат может быть вычислено с точностью звездного каталога (0",1 - 0",3). Очевидно, что дл5

реыения задачи необходимо два опорных направления. Поэтому в некоторых из рассматриваемых вариантов АГК для определения азимутальной ориентации предусмотрено наличие дополнительной 4>отоследяцей системы следящей за еще 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 ошибки априорного знания азимутального положения производится на основе совместного статистического анализа трех параметров у,-,,, Здесь у1=!М - 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 ошибки измерений УОЛ наиболее перспективным оказалось равномерное вращение устройства в процессе измерений. Закон изменения азимутального положения в этом случае можно приближенно представить в виде

А(t) = Ао + WAt где оцениваемые параметры;

Ао - начальное азимутальное положение ;

Wa - скорость азимутального вращения.

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

Моделирование, проведенное путем оценки двумерного вектора состояния

ХТ= || А0, WA II

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

Численная оценка точности определения составляющих УОЛ производилась по методу оптимальной фильтрации Калмана, последовательной оценкой десятимерного Еектора

XT= II Ve, Sm, Ve, Se, gib gE, Von, Voe, Пх, П2 II , где Von, Voe - начальные величины северной и еосточной со тавляющих скорости;

Пх, П2 - систематические ошибки;

Vn, Ve - составляющие текущей скорости;

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

Zi = gNeosA + gEsinA + аысоаА + aEsinA + Пх + Фх

Z2 = -gNsinA + gECosA - ausinA + aECOsA + П-2 + i'2 где А - азимут звезды;

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

'i'i, ~ флуктуационные ошибки.

С учетом двукратного интегрирования сигналов акселер метров уравнения динамики системы имеют вид

Vn = gh + ПхсозА - n2sinA + i'icosA + 4'2sinA;

Ve = gE + nisinA + П2созА + ^lsinA + i'scosA;

Sn = Vn; Se = Ve;

Von = 0; Voe = °'>

£n =0; = 0;

Пх =0; П2 - 0.

Систематические ошибки KHC непосредственно смеца составляющие УОЛ поэтому их можно и нужно учесть в оценк УОЛ.

При перекладке инструмента текущая ковариационная ма рица заменяется новой начальной, но с сохранением текут ковариационны!: подматриц оценки элементов.

Результаты моделирования, проведенного при различи вариантах азимутальной стабилизации показали, что во вс вариантах конечный результат одинаков и определяется неус. раняемой при перекладке систематической ошибкой КНС. Разл чие состоит в "переходном режиме", причем стабилизация аз мута по звезде позволяет несколько снизить ошибки еще до п рекладки по сравнению со стабилизацией в меридиане. Равн мерное вращение измерительной платформы приводит к несколь более быстрому и плавному уточнению составляющих УОЛ, т как в этом варианте не требовался перезапуск фильтра Калма характерный для перекладки. Показано, что длительность изм рительного цикла АГК может быть ограничена (20 - 25) мин.

В четвертой главе производится выбор оптимального соотношения параметров зенитной трубы для обеспечения достаточной производительности и точности измерений устройства при минимизации требований к его элементам.

Необходимость такого анализа связана с тем, что в поле зрения зенитной трубы все время измерений должна быть хотя бы одна звезда, а некоторое время - не менее двух. Возникает проблема обеспечения возможности непрерывного пеленгования звезд, последовательно входящих в поле зрения в процессе слежения, для решения которой необходимо правильно подобрать такие параметры оптико-телевизионного устройства как: предельная чувствительность фотоприемника, диаметр входного зрачка, угол поля зрения, погрешности телевизионных измерений . Перечисленные выше параметры, особенно ориентация на конкретные значения предельной звездной величины и поля зрения , жестко связаны с требуемой частотой успешных определений УОЛ.

Чтобы найти оптимальное соотношение этих параметров, выполнен вероятностный анализ наблюдаемости звезд различной яркости в различных областях небесной сферы с учетом требования непрерывного наличия звезд в поле зрения в течение измерительного цикла. В виду большого общего числа звезд использован закон распределения Пуассона и получена формула, позволяющая оценить вероятность проведения сеанса измерений:

Р = {1 - ехр(-.1тз)}ехр{- ~7---ехр(-Лтз)} ,

V 3

где В - широта места; Ь - длительность сеанса измерений;

и - угловая скорость суточного вращения Земли;

ш - предельная звездная величина;

з - площадь небесной сферы (угол поля зрения);

<1т ~ среднее число звезд ярче звездной величины т на единицу площади небесной сферы.

Справедливость полученного выражения подтверждена компьютерным моделированием процесса наблюдений реальных звезд путем обработки данных звездного каталога.

На основании моделирования, численных и аналитических оценок, был сделан выбор следующих характеристик оптико-телевизионного 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 зрен при условии наличия в нем одной определяется формулой

р (О)

^ 1 - ехрС-ЛтБ)

При выбранных параметрах зенитной трубы это означае что во время сеанса измерений в поле зрения будет нзбл даться две или более звезды с вероятностью 0,8, что епол достаточно для реыения задачи азимутальной ориентации.

Выбранный угол поля зрения не позволяет получить нео ходимую точность единичных телевизионных измерен!»4 из-за о раниченной разрешающей способности фотоприемников. Одна осреднение во времени большого числа единичных телевизионн измерений коор-динат движущегося в поле зренгш обьекта теор тически позволяет достичь требуемой точности измерен (0",3), которая растет с увеличением числа пересекаемых эл ментов разложения приемника. Как показала практика работы АГК на базе телевизионной астролябии, Фактором препятству цим повышению точности измерении является наличие геометр ческих искажений оптико-телевизионного тракта.

В диссертационной работе предложен новый метод уче таких искажений по результатам наблюдения звезд в поле зр ния оптической системы: они являются почти идеальными зтал нами, поскольку их положение известно с точностью десят долей секунды. Проводится анализ возможности такой калибро ки как с неподвижного основания в процессе аттестации АГ так и во время использования оптико-телевизионного ус ройства для измерений путем расширения числа оцениваем параметров.

В общем случае геометрические искажения поля зрен имеют как линейные, так 1! нелинейные составляющие, не обл дают свойством центральной симметрии и вообще могут не име1 аналитического описания. Поэтому рассматривалось три подхо, к их учету в виде двумерного поля поправок к измеренным к< ординатам:

- "сеточно-интерполяционный", основанный на запоминан:

массива поправок координат опорных точек, полученного наблюдениям звезд;

- "параметрический", для которого предлагается моде, приближенного параметрического описания искажений и исслед ются задачи оценки калибровочных параметров по звездам - к<

5 условиях стационарного стенда, так и непосредственно перед измерениями или одновременно с ними;

- "зонно-параметрический", применение которого вызвано -остом числа неинформативных, плохо определяемых параметров 1ри 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 л не поддаются описанию "местные", высокочастотные пространственные изменения поля.

Пусть х, у - координаты точек в поле зрения телевизионной измерительной системы, тогда простейшим описанием поля ошибок по каждой координате могут служить два двумерных по-чинома - степенные Функции двух переменных:

р+к=п р+к=п

<3Х = 11>ркхРУк > <3у = 11>ркхРУк- (2)

Р,к=0 р,к=0

Степень полинома, необходимая для описания типичных искажений, не может быть ниже п. = 3, что уже соответствует 20 подлежацим сценке коэффициентам Срк, Врк, то есть 20-кер--гому вектору неизвестных параметров ЩСр],, Е>рк), где р, к = 3, 3, р + к = 0, 3. Более эффективно значение п = 5, что соответствует 42 параметрам.

При моделировании калибровки поля зрения с неподвижного основания использовалось до Ю звезд, последовательно проходящих через поле зрения с углом 2 кв. град. За время от 0,5 цо 2 часов удается, в рамках принятого математического описания искажений, определить искомые поправки с точностью около 1" за исключением краев поля зрения, где погрешность доставляет единицы угловых секунд. Моделирование показало, что точность получения поля поправок выше всего вдоль линии дрохождения звезды, что еце раз подтверждает сказанное ранее о наблюдаемости оцениваемой совокупности параметров и слабой 1лиянии плохо оцениваемьи: из них на точность решения основной задачи в данной точке. Этот же факт послужил основанием для исследования возможности калибровки во время выполнения зстропеленгатором его основных функций.

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

ним телевизионной астролябии и обнадеживающие результаты мс делирования подобной задачи для высокочувствительной телеви зионной зенитной трубы. В частности, для описанного в глав 2 модифицированного способа равных высот, в котором оцени вался четырехмерный вектор с включением в него поправк масштаба, было проведено исследование решения задачи с од новременным оцениванием коэффициентов одномерного полином второго порядка. Исходное уравнение (1) преобразуется к вид

gwcosAj(ti) + gEsinAj(ti) + Zn +

+ (Zij - Z,)(Do + Dix + Dsx2 ) = г., ,

где Di, D'2 5 1>з- оцениваемые коэффициенты полинома масштабны ошибок типа (2). Специфика задачи - симметричность измеряе мых ординат относительно оси абсцисс - позволяет отбросит члены, нелинейные относительно оси Y.

При решении задачи пространственной ориентации осе чувствительности акселерометров, описанной в главе 3, такж возможно проведение текущей оценки геометрических искажен« в процессе обработки данных измерений АГК на базе зенитнс трубы. По результатом моделирования можно сделать вывод некотором замедлении скорости уточнения оцениваемых парамет ров по сравнению с моделью, не учитывающей геометрически искажений, однако окончательная точность их оценки практи чески не изменяется, зато появляется возможность учет основной доли искажений поля зрения.

С увеличением угла поля зрения резко возрастают необхс димые для калибровки с заданной точностью степени двумерны полиномов (2) и число оцениваемых параметров. Нензбежн растет и число неинформативных, плохо определяемых парамет ров. Поэтому естественна мысль о разбиении поля зрения н участки, в пределах каждого из которых можно ограничитьс полиномом более низкого порядка. То есть речь идет о двумер ной кусочно-, точнее, зонно-полиномиальной аппроксимации пс ля ошибок. При таком методе калибровки идентификация текуще зоны требует сравнения координат ее вершин с текущими коор динатами звезды. Необходимо запоминать значения искомого пс ля в вершинах - узлах интерполяции, и использовать расстоя ния до них для самой интерполяции поля в текущей точке. Есл нерегулярная сеть узлов наносится непосредственно вдоль тра екторий звезд краткосрочным осреднением разностей расчетны и измеряемых координат звезды, то значения поля ошибс в узлах не отягощены методическими ошибками из-за неадекват

ности модели поля. Этого достоинства лишены параметрические методы, а так лее еторой вариант - регуляризация сети узлов зонно-параметрическим (или интерполяционным) методом.

Для интерполяции поля поправок, скажем, Qx(x, У) = Qxy-с помочьзо регулярной прямоугольной сети, то есть при известных значениях Qx(xi, yj) = Qij , i = 0, 1.., j = 0, 1.., лучше всего использовать сплайны первой степени двух переменны:: (тензорное произведение сплайнов одной переменной). Искомое значение сплайна в произвольной точке внутри прямоугольника имеет вид

Qx(x,y) = Cíj + Dijx + E±¿y + Fijxy ,

причем в узлах Q^y - . Единственное значение сплайна, соответствующее искомой точке (х, у), найдены последовательно через сплайны каждой из переменных:

Qxy = (1 - G)[(1 - H)Q±¿ + HQ(i+i)d] + + G[(l - H)Qícj+I5 + HQCÍ+DCJ+1)] >

где

x - xi y - yi

H = --------- ; G = ---------

xi+i - xi у±-ьх - yt

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

Будем считать ее треугольной, то есть поверхностью, составленной из кусков плоскостей. Вначале находим внутри какого треугольника лежит интересующая нас точка Т(х, у). Для отыскания значения поля в ней вновь используем линейные сплайны двух переменных, совпадающие в ближайших узлах, номера которых для простоты обозначим 1, 2, 3, со значениями 0.1, Ог, 0.3. Искомое значение удовлетворяет уравнению

Qxy X У 1

Qi XX У1 1

Q2 X2 У2 1

Qs X3 Уз 1

0.

Более удобен алгоритм, при котором сплайн на нерегуляр-

ной сетке используется только на этапе калибровки для ре яяризации поля ошибок в узлах прямоугольной сетки. Во ь? же использования пеленгатора применяется алгоритм интерпс ции по регулярной сетке.

Выбор того или иного из приведенных равноточных мете калибровки поля зрения зависит от величины этого поля, т Фотоприемника, точностных и иных требований к пеленгатору

В четвертой главе излагаются результаты эксперимента них исследований макета АГК для определения УОЛ с малоп вижного основания, проведенных в натурных условиях на бер Ладожского озера.

Испытания включали проверку Функционирования как дельных узлов телевизионной астролябии, вошедших зате состав АГК на базе зенитной трубы, так и всего комплекса целом. Была проверена реальная чувствительность оптико-те. визионного канала и точность измерений координат звезд. О: нена точность определения составляющих УОЛ при различ: объемах накопленных измерений и определена производите, ность АГК - интервал времени, необходимый для получения < ного измерения УОЛ со среднеквадратической погрешностью более 1".

Испытания показали способность телевизионной изме; тельной системы производить устойчивый захват и измерения звездам (в данном случае до 6 зв. величины) даже в услов! значительной фоновой засветки в период белых ночей. Это пс волило предварительно оценить возможности использования а* логичного устройства, укомплектованного более чувствительь приемником, для использования в АГК на базе зенитной тр^ для пеленгации звезд до 9 зв. величины.

Проведены экспериментальные исследования фотоприемнш по пелегации слабых звезд, которые показали, что при испо/ зовании фото-электрического преобразователя ЛИ-703, диаме входного зрачка зенитной трубы должен быть не менее 100 мь

Проведено изучение возможности использования в качест Фотоприемника твердотельную ПЗС-матрицу ССВ-М27В/СЕ японец го производства. Фотоэлектрические преобразователи такс типа вносят меньшую величину геометрических искажений в т левизионный тракт и поэтому предпочтительнее. При этом л пеленгации звезд 9 звездной величины нужно использовать об ектив с входным зрачком диаметром 250 мм.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

1. Проведено теоретическое обоснование возможности из-¡ерения УОЛ с подвижного основания (в морских условиях с :удна) с помощью АГК, построенного на базе зенитнои трубы, »снаценной телевизионной измерительной системой, и двух ор-•огональных ей акселерометров.

2. Разработана модель процесса измерений УОЯ с подвиж-юго основания. Модель учитывает погрешности акселерометров, ■елевизпонной измерительной системы, космической навигацион-¡ой системы, возмуцаюцие ускорения качки, орбитального дви-:ения и иных эволюции движения судна, возникающих при работе

реальных условиях. Проведенное моделирование позволило :делать выбор оптимальней схемы построения комплекса и оце-!ить ожидаемую точность измерения УОЛ.

3. Разработаны методы калибровки астрономически;-: теле-изионных измерительных систем по прохождению реальных звезд

поле зрения. Математическим моделированием подтверждена озможность оценки составляющих геометрических искажений в ¡роцессе работы, так и при аттестации приборов.

4. На основе рассмотрения вероятностных характеристик [аблюдаемости звезд, разработан метод выбора параметров аст-■ономических инструментов; величины поля зрения, чувствительности телевизионного приемника и размера входного зрачка ¡бъектива, производительности комплекса. Теоретические результаты подтверждены моделированием наблюдения прохождений •еальных звезд в поле зрения.

5. Выполненные при непосредственном участии диссертанта ¡кспериментальные исследования подтвердили результаты моделирования по оценке ожидаемой точности определения УОЛ, [ринципиальную работоспособность отдельных устройств, входя-;их в измерительные комплексы, и правильность выбора соотно-[ения их параметров .

Основные положения диссертации опубликованы в следуюц работах:

1. Троицкий В.В. Об одном подходе к выбору соотноиен. параметров телевизионного зенит-телескопа. Материалы XVI М< »¡отраслевой научно-техническоп конференции памяти H.H.Остр: кова. ЦНИИ "Румб". С.-Петербург, 22-24 ноября 1988 г.

2. Васильев В.А., Зиненко В.Н., Коган Л_Б_, Лато

A.Г., Савик В _<*>_, Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Януыкев

B.Е. Авторское свидетельство N328653 от 01.08.91 г.

3. Васильев В.А., Зиненко В.И., Коган Л.Б., Савик В.Ф Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Янушкевич В.Е. Об одн способе определения уклонения отвесной линии астрономо-ге> девическим способом на надводном корабле. Сборник материал' Ыколы 89. Книга 2. Академия наук. Научный совет по проблем управления движением и навигации. 1991 г.

4. Васильев В.А., Зиненко В.М., Коган Л.Б., Савик В."? Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Януыкевич В.Е. Модификац способа равных высот и его.реализация с помощью телевизио ной астролябии. Тезисы докладов ИТА. С.-Петербург, 3-5 ма та, 1992г.

5. Васильев В.А., Зиненко В.М., Коган Л.Б., Савик В.Ф Пеыехонов В.Г., Троицкий В.В., Януыкевич В.Е. Определен уклонения отвесной линии по околозенитным звездам. Междун родное совещание: "Современные методы физической геодези спутниковой геодинамики и астронавигации". Тезисы доклад 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. Судовой астр геодезический комплекс для определения уклонения отвесн линии. - "Судостроительная промышленность", серия "Навигац и гироскопия", 1991 г., вып.2, стр. 51-56.

7. Васильев В.А., Коган Л.Б., Романенко С.К., Троицк В.В. Калибровка поля зрения телевизионного датчика астроп ленгатора по звездам. Материалы XVII Межотраслевой нау но-технической конференции памяти Н.Н.Острякова. ЦН "Румб". С.-Петербург, 4-5 декабря 1990 г.

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

9. Васильев В.А., Троицкий В.В. К оценке вероятное пеленгования слабых звезд. "Гироскопия и навигация", 19

вып. 1(4).

10. Васильев В.В., Савик В_Ф_, Троицкий В.В. Об оптимизации параметров телевизионного астропеленгатора. Сборник материалов Научно!'! ыколы "Астронавигация - 94". Научный со-ьет Росийской Академии наук по проблемам навигации и управления движением. - С.-Петербург, 20 - 24 марта 1994 г.

1одписано к печати 10.04.94 Объем 1,0 п.л. Тираж 100 зкз. Бесплатно

Бесплатно

Заказ N 2

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