Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром




Скачать 108.89 Kb.
НазваниеАлгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром
Дата23.01.2013
Размер108.89 Kb.
ТипДокументы
УДК 528.5

С.В. Гайворонский, В.В. Цодокова

(ГНЦ РФ ЦНИИ «Электроприбор», С.-Петербург)


АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АСТРОНОМИЧЕСКОГО АЗИМУТА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМ АСТРОВИЗИРОМ


Предложены два алгоритма определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром: по каждому кадру и по центру окружности. В результате сравнительного анализа, выполненного на основе полученных экспериментальных данных, сделан вывод о предпочтительности алгоритма определения астрономического азимута по каждому кадру.

Введение


Оптико-электронный астровизир предназначен для определения астрономического азимута опорного геодезического направления (ОГН) по наблюдениям звезд. Принцип действия астровизира заключается в регистрации последовательности кадров, содержащих изображение пеленгуемой звезды, измерении горизонтального угла между направлением на звезду и ОГН, с последующим расчетом видимого азимута звезды и астрономического азимута ОГН. Известные алгоритмы определения астрономического азимута невозможно применить из-за конструктивных особенностей разработанного астровизира. Таким образом, возникает задача разработки новых алгоритмов обработки результатов наблюдений для определения астрономического азимута.


Особенности определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром


Принцип действия классического астрономического инструмента при определении азимута заключается в последовательном наведении на звезду (рис. 1а) и на земной ориентир (рис. 1б) и снятии отсчетов с горизонтального круга инструмента. При этом фиксируется время регистрации звезды, необходимое для расчета видимых координат светила. По разнице отсчетов определяется горизонтальный угол между направлениями на звезду и на земной ориентир, далее рассчитывается астрономический азимут ОГН.

Основными недостатками существующих астрономических инструментов является продолжительное время сеансов наблюдений, высокие требования к квалификации исполнителей, а также необходимость выполнения исследований составляющих инструментальной погрешности перед наблюдениями.

В ОАО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор» разработан оптико-электронный астровизир с фотоэлектрической регистрацией кадров. Для уменьшения составляющих инструментальной погрешности в данном изделии были реализованы следующие решения:

  • для исключения ошибки гнутия применена горизонтальная схема инструмента [1];

  • для исключения коллимации и наклонности горизонтальной оси, а также обеспечения стабильности используется контрольный элемент (КЭ) с постоянным углом наклона к горизонту.

frame1

Схема оптико-электронного астровизира представлена на рис. 2. Прибор состоит из оптической системы, построенной по автоколлимационной схеме, и КЭ, представляющего собой два конструктивно соединенных зеркала – наклонного поз. 8 и вертикального поз. 9. КЭ позволяет одновременно совместить в поле зрения астровизира изображение звезды и автоколлимационное изображение визирной марки, полученное отражением от вертикального зеркала КЭ. Нормаль к поверхности вертикального зеркала задает ОГН.

frame2

Наблюдение пеленгуемой звезды и визирной марки производится в разных плоскостях, так как изображение звезды формируется в картинной плоскости с помощью наклонного зеркала КЭ, а автоколлимационное изображение визирной марки в вертикальной плоскости ПЗС-матрицы с помощью вертикального зеркала КЭ (рис. 3). При этом в отличие от классического астрономического инструмента, данные о положениях звезды и автоколлимационного изображения визирной марки также регистрируются в разных плоскостях.

С


Рис. 3. Формирование изображений звезды и визирной марки в оптико-электронном астровизире

1 – звезда; 2 – картинная плоскость; 3 – нормаль к поверхности наклонного зеркала КЭ; 4 – нормаль к поверхности вертикального зеркала КЭ;

5 – плоскость ПЗС-матрицы;

6 – автоколлимационное изображение визирной марки; 7 – оптическая ось; 8 – изображение звезды
ущественной особенностью реализации прибора по данной схеме является то, что КЭ и ПЗС-матрица не связаны конструктивно, следовательно, необходимо учитывать их взаимное положение. Контроль взаимного положения КЭ и ПЗС-матрицы осуществляется по автоколлимационному

изображению визирной марки и c помощью электронных уровней.

Исходя из конструктивных особенностей астровизира и отличий схемы построения прибора от классической, появилась задача разработки алгоритма определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром. Предложены два алгоритма:

  • алгоритм определения астрономического азимута по каждому кадру;

  • алгоритм определения астрономического азимута с использованием метода аппроксимации окружностью координат изображения звезды (алгоритм по центру окружности).


Алгоритм определения астрономического азимута по каждому кадру


Основная идея алгоритма состоит в определении горизонтального угла между оптической осью прибора и направлением на звезду, перевода этого угла из картинной плоскости в плоскость горизонта и вычислении азимута нормали к поверхности вертикального зеркала КЭ с учетом положения КЭ относительно прибора.

Исходными данными для определения астрономического азимута являются (рис. 4):

  • координаты энергетического центра изображения звезды на ПЗС-матрице в каждом кадре (sxpj, szpj);

  • координаты энергетического центра автоколлимационного изображения визирной марки на ПЗС-матрице в каждом кадре (cxpj, czpj);

  • координаты оптической оси прибора на ПЗС-матрице (Oxpj, Ozpj);

  • масштабный коэффициент для перевода из пикселей в угл. с (p);

  • углы между нормалями к вертикальному и наклонному зеркалу КЭ в двух плоскостях (Ng0,, Nv0) (рис. 3);

  • показания детекторов электронных уровней, установленных на регистрирующей камере (mj, mj) и КЭ (kj, kj);

  • видимые координаты звезды, определенные на момент регистрации каждого кадра (Aв.з.jhв.з.j).

О


Рис. 4. Вид поля зрения оптико-электронного астровизира
пределение астрономического азимута производится по следующему алгоритму:

    1. Вводится система координат OXmYmZm, связанная с ПЗС-матрицей (рис. 3). Ось OYm ориентирована вдоль оптической оси, а оси ОXm и OZm по строкам и столбцам ПЗС-матрицы соответственно. Центр системы координат OXmYmZm лежит в точке пересечения оптической осью ПЗС-матрицы.

    2. Используя координаты автоколлимационного изображения визирной марки на ПЗС-матрице, координаты оптической оси и масштабный коэффициент, в каждом кадре определяется горизонтальный угол между нормалью к вертикальному зеркалу и оптической осью в системе координат OXmYmZm:

cxj = 0,5(Oxpjcxpj)p. (1)

    1. Вводится система координат OXkYkZk, связанная с КЭ (рис. 3). Ось OYk ориентирована вдоль нормали к вертикальному зеркалу КЭ, а оси ОXk и OZk соответственно вдоль горизонтальной и вертикальной граней этого зеркала. Центр системы координат OXkYkZk лежит в точке пересечения оптической осью вертикального зеркала КЭ.

    2. Задается вектор нормали к наклонному зеркалу КЭ в системе координат OXkYkZk:

. (2)

    1. Положение КЭ относительно ПЗС-матрицы определяется тремя углами поворота:

(3)

Используя (3) вектор нормали к наклонному зеркалу КЭ переводится в систему координат OXmYmZm:

, (4)

где

.

    1. Используя координаты звезды на ПЗС-матрице, координаты оптической оси и масштабный коэффициент в каждом кадре, определяются углы между звездой и оптической осью по двум осям в картинной плоскости:

sxj = (Oxpj – sxpj)p; (5)

szj = (Ozpj  szpj)p. (6)

    1. Используя матрицу действия плоского зеркала [2], построенную на основе вектора нормали к наклонному зеркалу (4)

, (7)

углы между звездой и оптической осью переводятся из картинной плоскости в плоскость ПЗС-матрицы. Для этого из уравнения

(8)

определяется j.

    1. Используя горизонтальный угол между нормалью к вертикальному зеркалу КЭ и оптической осью в системе координат OXmYmZm и угол между звездой и оптической осью j, определяется угол между нормалью к вертикальному зеркалу КЭ и звездой в системе координат OXmYmZm:

j = j - cxj. (9)

С учетом углов наклона ПЗС-матрицы относительно горизонта, этот угол переводится в систему координат, связанную с горизонтом:

(10)

    1. С помощью специального программного обеспечения рассчитывается видимый азимут звезды на момент регистрации кадра для координат точки размещения астровизира. Используя эти данные и горизонтальный угол между нормалью к вертикальному зеркалу КЭ и звездой j, в каждом кадре определяется астрономический азимут нормали к вертикальному зеркалу КЭ:

Aj = Aв.з.j + j. (11)

    1. Проводится статистическая обработка, в результате которой определяется среднее значение астрономического азимута нормали к вертикальному зеркалу КЭ из n кадров [3]:

(12)

Преимущество данного алгоритма состоит в том, что возможно определение астрономического азимута нормали к КЭ, при использовании сравнительно небольшого количества отсчетов (кадров).


Алгоритм определения астрономического азимута по центру окружности


Траектория движения звезды в картинной плоскости представляет собой окружность (рис. 4), координаты центра которой являются положением полюса.

Алгоритм основан на определении координат центра этой окружности (pxp, pzp) на ПЗС-матрице путем аппроксимации серии наблюдений методом наименьших квадратов и определении угла между оптической осью и направлением на полюс в картинной плоскости. Дальнейшие преобразования – перевод угла между оптической осью и направлением на полюс из картинной плоскости в плоскость горизонта через КЭ – аналогичны алгоритму определения астрономического азимута по каждому кадру.

Преимущество данного алгоритма состоит в том, что не используются данные о видимых координатах звезды и, в связи с этим, привязка к шкале точного времени. Следовательно, нет необходимости использовать специализированное оборудование и программное обеспечение.


Сравнительный анализ алгоритмов


На основе экспериментальных данных проведен сравнительный анализ предложенных алгоритмов.

В таблице 1 приведены результаты определения астрономических азимутов нормали к КЭ, полученные двумя алгоритмами (ААВ), а также отклонения этих азимутов от эталонного значения (АЭ), определенного с помощью гиротеодолита.


Т а б л и ц а 1

Результаты определения астрономического азимута


Время наблюдения, ч

Астрономический азимут ААВ

ААВ – Аэ

Алгоритм по каждому кадру

Алгоритм по центру окружности

Алгоритм по каждому кадру

Алгоритм по центру окружности

0,5

359° 44′ 4,86"

359° 41′ 12,64"

-0,54"

-2′ 52,76"

1,0

359° 44′ 4,72"

359° 43′ 20,52"

-0,68"

-44,88"

1,5

359° 44′ 4,58"

359° 43′ 42,18"

-0,82"

-23,22"

2,0

359° 44′ 4,60"

359° 43′ 50,01"

-0,80"

-15,39"

2,5

359° 44′ 4,66"

359° 43′ 53,9"

-0,74"

-11,50"

3,0

359° 44′ 4,67"

359° 44′ 3,47"

-0,73"

-1,93"

3,5

359° 44′ 4,67"

359° 44′ 4,35"

-0,73"

-1,05"

4,0

359° 44′ 4,71"

359° 44′ 5,16"

-0,69"

-0,24"


На рис. 5 приведен график зависимости отклонений астрономических азимутов, определенных двумя алгоритмами, от эталонного азимута от времени наблюдения. На графике также обозначены границы, в которых лежит погрешность определения эталонного азимута (погрешность гиротеодолита).

По приведенному графику видно, что

  • отклонение результатов, полученных при помощи алгоритма определения астрономического азимута по каждому кадру, через 30 минут наблюдений находится внутри границ погрешности определения эталонного азимута, а предельное отклонение от эталонного азимута не превышает 1" за все время наблюдений;

  • отклонение результатов, полученных при помощи алгоритма определения астрономического азимута по центру окружности, через 2,5 ч наблюдений находится внутри границ погрешности определения эталонного азимута, а предельное отклонение, не превышающее 1", достигается лишь спустя 3 - 3,5 ч. после начала наблюдений.

frame5


Заключение


Предложены два алгоритма определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром: по каждому кадру и по центру окружности. На основе экспериментальных данных проведен их сравнительный анализ, в результате которого определено:

  • алгоритм определения астрономического азимута по каждому кадру обеспечивает необходимую точность за более короткое время наблюдения;

  • алгоритм определения астрономического азимута по центру окружности позволяет не использовать видимые координаты звезды и привязку к шкале точного времени.

Так как повышение точности и сокращение времени наблюдений является первоочередной задачей, то алгоритм определения астрономического азимута по каждому кадру является предпочтительным.


ЛИТЕРАТУРА


  1. Пинигин Г.И., Шорников О.Е. Аксиальный меридианный круг. Астрометрия и астрофизика, № 49. 1983.

  2. Погарев Г.В., Киселев Н.Г. Оптические юстировочные задачи: Справочник. – 2-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1989.

  3. Рабинович С.Г. Погрешности измерений. – Л.: Энергия. 1978







Похожие:

Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconО научной деятельности государственного астрономического
Работа Астрономического отделения. Участие сотрудников гаиш в педагогическом процессе
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconО научной деятельности государственного астрономического
Работа Астрономического отделения. Участие сотрудников гаиш в педагогическом процессе
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconО научной деятельности государственного астрономического
Работа Астрономического отделения. Участие сотрудников гаиш в педагогическом процессе
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconОтче т о научной деятельности государственного астрономического
Работа Астрономического отделения. Участие сотрудников гаиш в педагогическом процессе
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconТихомолов Константин Владимирович исследование шероховатости сложных поверхностей оптико-электронным методом (магистерская диссертация)
Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарском Государственном Техническом...
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconОптико-частотний температурний сенсор оптико-частотний температурний сенсор 6
Оптико-частотний температурний сенсор, від’ємний опір, давач температури, перетворювач напруга-частота, температура, опір з ємнісним...
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром icon2010: итоги и перспективы
Гаиш в проведении наблюдений участвовали студенты и аспиранты астрономического отделения Физического факультета мгу и астрономы-любители...
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconРассмотрены и утверждены на заседании
Алгоритм оценки маркетинговой деятельности и определения перспектив ее улучшения
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconИнструкция по пользованию электронным портфолио Для пользования электронным вариантом следует
Но также форматировать и весь документ электронного портфолио, т е добавлять по мере накопления необходимую информацию
Алгоритм определения астрономического азимута оптико-электронным астровизиром iconОсновные положения теории приближенных чисел
Алгоритм определения абсолютной погрешности приближенного числа по количеству его верных цифр
Разместите кнопку на своём сайте:
Библиотека


База данных защищена авторским правом ©lib.znate.ru 2014
обратиться к администрации
Библиотека
Главная страница