Получение разностей высот и азимутов светил секстаном с поворотным большим зеркалом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бабич Сергей Игоревич

• Бабич Сергей Игоревич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Бабич Сергей Игоревич

Введение

Глава 1 Аналитический обзор. модернизация традиционного секстана

1.1. Устройство традиционного секстана и его недостатки

1.2 Обоснование необходимости разработки новых типов секстана

1.3 Первый этап конструктивной доработки секстана с поворотным большим зеркалом

1.4 Второй этап модернизации конструкции секстана с поворотным большим зеркалом

Выводы по первой главе

Глава 2 Определение места судна по измерениям разностей высоты и азимута двух светил

2.1 Астронавигационные параметры: общие сведения

2.2 Изолинии разностей высот и разностей азимутов двух светил

2.2.1 Изолиния разности высот светил

2.2.2 Изолиния разности азимутов двух светил

2.2.3 Метод прямого вычисления координат места судна по разностям высоты и азимута двух светил без использования счислимого места судна

2.3 Алгоритм наблюдений светил и прямого расчёта координат обсервованного места судна по наблюдениям разностей высот и разностей азимутов светил

2.4 Метод линий положения для обсервации по разностям высоты и азимута двух светил с использованием счислимого места и подбор выгодного расположения светил

2.4.1 Графоаналитическое определение градиента РАЛП

2.4.2 Выгодные условия расположения светил для обсервации

2.5 Преобразование видимого расстояния между вертикалами светил (измеряемого параметра) в навигационный параметр разность азимутов светил

2.6 Программирование расчёта координат обсервованного места судна по наблюдениям разностей высот и разностей азимутов светил

2.6.1 Описание программы расчёта обсервованного места судна

2.6.2 Проверка работоспособности программы

2.6.3 Пример работы с программой для определения места судна по разностям высот и азимутов

Выводы по второй главе

Глава 3 Поверка двухпараметрического секстана и оценка связи инструментальных параметров (ИнП) с навигационными параметрами (НП)

3.1 Выверка секстана с двумя степенями свободы большого зеркала

3.2 Поверка двухпараметрического секстана измерением известных величин разности высот и разности азимутов

3.3 Поверка двухпараметрического секстана обратным измерением выставленных на секстане углов по высотному и по азимутальному лимбам

3.4 Методические погрешности измерения разностей высот и азимутов светил двухпараметрическим секстаном

Выводы по третьей главе

Глава 4 Разработка конструкции поверочного стенда для выверки и поверки двухпараметрического секстана, его изготовление и испытание

4.1 Описание конструкции гониометра фирмы «Фрайбергер» (ГДР)

4.1.1 Принцип устройства гониометра

4.1.2 Основные части

4.1.3 Отсчетная система

4.1.4 Оптическая система

4.1.5 Электрооборудование

4.2 Методика поверки новых типов секстанов на двухкоординатном стенде

4.3 Конструирование и изготовление поверочного стенда для новых типов секстанов

4.4 Поверка СПБЗ на универсальном поверочном стенде «Сфера»

4.5 Разработка практической технологии наблюдений измеряемых инструментальных параметров с учётом необходимости минимизации методической поправки

4.5 Проверка новой практической технологии наблюдений измеряемых инструментальных параметров

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение разностей высот и азимутов светил секстаном с поворотным большим зеркалом»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Современное судоходство в настоящее время характеризуется высокой плотностью сосредоточения транспортных судов, выполняющих основную функцию по оказанию услуг в перевозке груза и пассажиров, промысловых и транспортных судов с функцией освоения ресурсов океана, научно-исследовательских и военно-морских судов и кораблей со специфической государственной функцией, прогулочных судов с рекреационной функцией, вспомогательных судов обеспечения морской деятельности. Каждому судну важно обеспечить навигационную безопасность, которая зиждется на постоянном знании места судна в географической системе координат. Важная роль в обеспечении навигационной безопасности в современном судовождении отводится радионавигационным средствам с их уникальными свойствами всепогодности, глобальности, высокой точности обсерваций, пригодности к автоматизации навигационных определений. Среди них неоспоримые преимущества имеют глобальные спутниковые радионавигационные системы (СНС), обеспечивающие в общем случае предельную погрешность определения места не более 100 м, а в режиме дифференциальной глобальной системы определения места - до 1-10 м [59].

Наряду с высокой степенью автоматизации и точности определения места, у этих систем имеется ряд недостатков: ограничения в смысле целостности системы с запаздыванием информирования пользователей, уязвимость системы в случае военных действий, преднамеренное отключение общедоступного сигнала страной-держателем системы, выход из строя судовой спутниковой навигационной аппаратуры, некорректное использование судовой спутниковой навигационной аппаратуры, невозможность использования в нештатных ситуациях на спасательных средствах. Поэтому многие судоходные компании требуют от судоводителей производить обсервации двумя и более способами, чтобы проверить достоверность полученных координат места судна по СНС. В открытом море преимущество сохраняют наземные радиотехнические и астронавигационные

методы определения места судна. Следовательно, работы по совершенствованию методов и инструментария астронавигации нужно вести так же активно, как и работу с повседневно актуальными навигационными приборами [55,60,61].

В связи этим в судовождении остаётся актуальной задача сохранения и развития значительно более простых резервных методов судовождения. В настоящее время к резервным методам судовождения в море отнесено и астронавигационное определение места судна, которое обладает свойством глобальности и полной автономности, но имеет и свои недостатки [17-19].

Для использования традиционных астронавигационных методов подготовленным персоналом необходим секстан, высокоточные часы (хронометр), источник получения эфемерид светил (Морской астрономический ежегодник любой страны издания), вычислительные средства в виде калькулятора или специализированных таблиц, хотя бы простейший прокладочный инструмент. Кроме того, традиционный метод высот, хорошо проработанный в астронавигации, имеет принципиальные ограничения: для измерения высот светил необходимо одновременное выполнение двух условий - видимость светил и видимость горизонта. Два этих условия выполнимы днём и в утренние или вечерние сумерки. Днём для наблюдений имеется только одно светило - солнце - и для получения места судна необходимо пользоваться разновременными наблюдениями, что растягивает процесс обсервации на несколько часов. В сумерки можно подобрать для полноценной обсервации несколько светил, однако, сумерки как явление освещённости - кратковременное событие, случающееся всего два раза в сутки. Весь ночной период, когда хорошо видно множество звёзд, для наблюдений методом высот недоступен. [12]

Имеются недостатки и в процессе обработки измеренных высот светил. Из нескольких вводимых поправок поправка за наклонение видимого горизонта может не соответствовать реальному значению до 6-15', что приводит к ошибке линии положения в 6-15 миль [13, 76].

Таким образом, возникает задача доступности определений места судна астрономическими методами в любое время суток для расширения методов и средств навигации и судовождения в море.

В астронавигации она может быть решена созданием нового инструмента, способного преодолеть ограничения явлений освещённости, связанные с наблюдением навигационных параметров относительно видимого горизонта. Множество теоретически возможных навигационных параметров, отвечающих поставленному условию, а также принципы обсерваций с использованием этих навигационных параметров описаны в классической монографии М.И.Гаврюка [17]. Таким образом, первичной задачей, обеспечивающей возможность круглосуточных обсерваций, становится разработка технического средства, способного выполнять измерения различных теоретически известных астронавигационных параметров или их комбинаций.

Например, для сохранения в круглосуточных обсервациях метода высот необходимо дополнить традиционный секстан возможностью наблюдения горизонта включением искусственного горизонта, например, гирогоризонта. Секстаны с гирогоризонтом известны и применялись на флоте накануне эпохи массового внедрения спутниковых навигационных систем. Известны и их недостатки, препятствовавшие широкому внедрению таких секстанов в практику [33-38]. С современной элементной базой возможен «ренессанс» этого метода. В этой связи необходимо отметить работы С.В. Козика и других исследователей по разработке цифрового секстана, позволяющего упростить конструкцию и улучшить использование секстанов различной модификации [29-31].

Для использования в обсервациях иных навигационных параметров или их комбинаций необходимо более существенное изменение инструмента наблюдений. В качестве одного из таких инструментов предложено использовать секстан с поворотным большим зеркалом (СПБЗ), [6], защищённый патентом Российской Федерации № 2 523 100 МПК G 01 С 1/08.

СПБЗ содержит детали, дополняющие механическую систему традиционного секстана системой поворота большого зеркала в азимутальной плоскости. Это

усовершенствование позволяет получать уже три навигационных параметра: высоты светил относительно видимого горизонта, разности высот двух светил, разности азимутов двух светил. При этом для измерения двух последних параметров не требуется наблюдения видимого горизонта, что позволяет использовать его и в ночное время. Прибор в полной мере сохраняет автономность, не требует электропитания, а процесс наблюдения сводится к совмещению изображений прямовидимого светила и отражённого в зеркалах, что занимает менее одной минуты времени. Таким образом, новая техническая идея позволила расширить возможности секстана с сохранением его основного свойства -автономности - при незначительном усложнении механической схемы. Это является достаточным основанием целесообразности продвижения нового прибора, расширяющего существующие методы и средства навигации и судовождения в море, на рынок навигационной техники [7].

Как и любой другой угломерный прибор, СПБЗ нуждается в поверке: в определении функциональной связи инструментальных и измеряемых параметров с истинными навигационными параметрами; в тарировке шкал прибора; в проверке реальной и потребной точности снятия показаний. Для поверки СПБЗ требуется сначала разработка методов сравнения истинных значений навигационных параметров и их инструментальных аналогов. При этом различные методы могут обладать различной точностью оценки значений параметров. Для любого метода понадобится разработка технического инструментария угловых измерений, в том числе также и разработка специального поверочного стенда, способного обеспечивать съём приборных показаний для измерения двух задаваемых значений навигационных параметров.

Степень разработанности. Разработке астронавигационных методов определения места наблюдателя, разработке приборов, позволяющих применять эти методы, и стендам, осуществляющим поверку угломерных приборов, посвящено множество исследований. Над этой проблематикой работали: М.В. Ломоносов, Н.Н. Матусевич, Б.П. Хлюстин, А.П. Белобров, Ю.К. Баранов, В.Ф. Дьяконов, Б.И. Красавцев, К.А. Емец, И.А. Блинов, П.П. Скородумов, В.Т.

Кондрашихин, В.В. Каврайский, К.В. Казанский, В.П. Кожухов, М.М. Лесков, Г.П. Попеко, А.Е. Сазонов, Е.Л. Смирнов, Р.А. Скубко, Е.П.Соломатин, С.И. Угрюмов, М.И. Гаврюк, В.Ф. Бобков, М.И. С.В. Великанов, Р.Ю. Титов, С.В. Козик, Б.А. Мальцев, Ю.Г. Фирсов, В.И. Сичкарёв, С.В. Титов, В.С. Фогилев, В.А. Шебшаевич, А.П. Ющенко, А.Б. Юдович, В.А. Сибиляев, Г.О. Алцыбеев, S. Burton, B. Dutton и многие другие учёные.

Исследований свойств секстана с поворотным большим зеркалом, взаимосвязи инструментальных параметров и преобразования их в навигационные параметры не проводилось.

Объектом исследования является навигационный секстан с поворотным большим зеркалом (СПБЗ).

Предметом исследования является преобразование инструментальных параметров СПБЗ в измеряемые и далее в навигационные параметры разность высот и разность азимутов светил. Цели и задачи работы.

Цели работы - расширение методов и средств навигации и судовождения в море, совершенствование технической системы СПБЗ, разработка методов получения астрономических навигационных параметров из инструментальных секстанных, совершенствование технологии наблюдений.

Для достижения поставленных целей исследования необходимо решить следующие задачи.

1. Доработка конструкции секстана с поворотным большим зеркалом для обеспечения измерений в левом и правом секторах звёздного неба относительно прямовидимого светила. Контроль удержания вертикала светила при измерениях.

2. Выявление связи инструментальных, измеряемых и навигационных параметров.

3. Получение методической поправки инструментальных параметров.

4. Разработка конструкции поверочного стенда для поверки двухпараметрического секстана, его изготовление и испытание.

5. Поверка секстана с поворотным большим зеркалом на поверочном стенде. Сравнение результатов поверки разными методами.

6. Разработка новой технологии наблюдений светил для минимизации влияния методической погрешности.

Научная новизна работы.

Впервые введено в судоводительский оборот техническое средство измерения сразу двух инструментальных параметров за одно совмещение изображений светил. Обнаружена взаимозависимость инструментальных параметров, снимаемых по высотному и азимутальному направлениям.

Введено терминологическое разграничение понятий инструментальный параметр, измеряемый параметр, навигационный параметр.

Исследована функциональная связь инструментальных параметров с измеряемыми параметрами и с навигационными параметрами.

Разработана новая технология наблюдений инструментальных параметров для минимизации влияния методической погрешности.

Теоретическая значимость работы заключается в выявлении и исследовании функциональной связи двух используемых инструментальных параметров; в разработке практической технологии выполнения обсервации по разнородным навигационным параметрам разность высот двух светил и разность азимутов этих светил.

Практическая значимость работы заключается в доведении исследований секстана с поворотным большим зеркалом и поверочного стенда для этого секстана до уровня готовности к проектированию опытного образца секстана и опытного образца поверочного стенда.

Дополнительно практическая значимость работы состоит в возможности применять теоретические и практические знания в процессе подготовки специалистов по специальность «судовождение» в средних специальных и высших учебных заведениях.

Методология и методы исследования. При выполнении научно-исследовательской работы использовались методы проектирования технических

систем, методы получения и обработки экспериментальных данных, методы сферической геометрии и тригонометрии, методы теории ошибок. Испытания СПБЗ проводились на оригинальных стендах и методами, разработанными автором работы.

Основные положения, выносимые на защиту:

- доработка конструкции СПБЗ, расширяющего методы и средства навигации и судовождения в море;

- выявление и исследование функциональной связи инструментальных параметров высотных и азимутальных направлений при измерениях исследуемым секстаном и формирование поправок к инструментальным параметрам для получения измеряемых параметров;

- разработка, изготовление и испытание поверочного стенда для нового типа секстанов;

- технология наблюдений светил и снятия инструментальных параметров для минимизации влияния методической погрешности.

Степень достоверности результатов подтверждается

- использованием математических методов сферической тригонометрии;

- современными апробированными методами сбора и обработки экспериментальных данных;

- сопоставлением результатов, полученных различными методами.

Личный вклад автора заключается в выполнении конструктивной и

технической доработки СПБЗ; в выявлении и исследовании функциональной зависимости инструментальных значений параметров по высотному и азимутальному направлениям; в конструировании и реализации в металле поверочного стенда для поверки двухпараметрических секстанов; в выполнении стендовой поверки СПБЗ.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы были доложены на:

- II научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Современное состояние и перспективы развития транспортной системы

России» Иркутский филиал Московского государственного технического университета гражданской авиации, 2016;

- городской конкурс-фестиваль научного творчества «Делай науку: экспериментируй. Создавай. Твори». Главное управление образования мэрии города Новосибирска, 2016;

- Международная выставка коммерческого транспорта и услуг TransSiberia 2016;

- Национальная выставка передовых технологий. IV международный форум технологического развития «Технопром-2016»;

- Международная выставка коммерческого транспорта и услуг TransSiberia 2017;

- Всероссийский конкурс молодежных авторских проектов и проектов в сфере образования, направленных на социально-экономическое развитие российских территорий «Моя страна - моя Россия» - XV, 2018;

- IV International Scientific Conference. MIST: Aerospace-IV 2021;

- X International Scientific Siberian Transport Forum TransSiberia - 2022.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе: 2 научных статей в рецензируемых научных журналах, входящих в перечень рекомендованных изданий ВАК РФ; 12 научных статей в прочих изданиях и в сборниках отечественных и международных научно-технических и научно-практических конференций.

Структура и объём работы

Работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы, изложенных на 147 страницах; содержит 73 формулы, 84 рисунка, 20 таблиц.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР. МОДЕРНИЗАЦИЯ ТРАДИЦИОННОГО СЕКСТАНА

1.1. Устройство традиционного секстана и его недостатки

Технической основой современной морской астронавигации служит угломерный инструмент - секстан. Известно много разновидностей секстана, нацеленных на совершенствование астронавигационных измерений, но их основная сущность, положительные и отрицательные свойства могут быть рассмотрены на примере традиционного секстана.

В технике и в навигации для измерения углов широко применяется метод вложения измерительной шкалы (транспортира) между лучами измеряемого угла. Метод требует одновременного наблюдения обоих лучей измеряемого угла и удобен для статических измерений при графических построениях на бумаге. В мореходной астрономии для измерения высот светил над горизонтом этот метод был реализован в градштоках, но оказался неудобным.

Гениальность изобретения секстана заключается в реализации иного метода -метода совмещения двух лучей измеряемого угла, один из которых для этого понадобилось дважды отразить в зеркалах. Метод оказался удобным для измерения угловых величин между далеко расположенными наблюдаемыми объектами или между видимыми направлениями на объекты. При этом устройство секстана оказалось не очень сложным, доступным для технической реализации ещё в XVIII веке [27, 47, 52].

На отечественном флоте достаточно широко распространены секстаны отечественного производства СНО-М, СНО-Т (секстан навигационный с осветителем, М - модернизированный, Т - в тропическом исполнении).

Секстан СНО-Т, рисунки 1.1, 1.2, содержит секторную раму, заканчивающуюся отшлифованной плоскостью лимба с нанесённой градусной шкалой в 140°, и закреплённые на раме дополнительные элементы, и устройства.

На тыльной стороне рамы установлена рукоятка и две ножки, создающие

трёхточечную опору для лежащего секстана.

Рукоятка вместе с ограждением образует на тыльной стороне рамы защищённое пространство, в пределах которого перемещается алидада. Алидада цилиндрическим шарниром закреплена в центре сектора рамы с возможностью перемещения вдоль плоскости лимба. На алидаде перпендикулярно плоскости лимба закреплено большое зеркало (первое из двух зеркал, обеспечивающих изменение направления одного из лучей измеряемого угла). На другом конце алидады закреплено отсчётно-стопорное устройство.

1 - рама секстана; 2 - плоскость лимба с градусной шкалой; 3 - рукоятка секстана; 4 -ограждение алидады; 5 - алидада; 6 - большое зеркало; 7 - отсчётно-стопорное устройство; 7.1 -барабан червячного винта; 7.2 - рычаги пружины отсчётно-стопорного устройства; 7.3 - лупа с осветителем; 8 - гнездо малого зеркала; 8.1- регулировочный винт перпендикулярности малого зеркала; 8.2 - регулировочный винт установки нуля поправки индекса; 9- ночная оптическая

труба;

Рисунок 1.1 - Устройство основных элементов навигационного секстана

СНО-Т

10 - малое зеркало; 11 - прозрачное стекло; 12- диоптры, поставленные на лимб;

13- пакет светофильтров большого зеркала; 14- пакет светофильтров малого зеркала;

15 - гнездо для регулировки перпендикулярности большого зеркала.

Рисунок 1.2 - Устройство дополнительных элементов навигационного

секстана СНО-Т

Отсчётно-стопорное устройство секстана СНО-Т совмещает в себе функции отсчётного устройства и муфты сцепления.

Отсчётное устройство представляет собой глобоидную передачу -разновидность червячного механизма, у которого винтовая поверхность червяка контактирует с вогнутой поверхностью парного червячного колеса. Червячный винт расположен в корпусе отсчётно- стопорного устройства, а червячное колесо -это вогнутый жёлоб торцевой поверхности дуги лимба. На нём выполнена половина винтовой нарезки, по которой скользят зубья червячного винта.

Передаточное отношение этой червячной пары выбрано таким, чтобы полный оборот червячного винта перемещал алидаду по плоскости лимба на 1°. Это позволяет использовать угол поворота червячного винта вокруг своей оси для

регистрации долей градуса: на ось червячного винта насажен барабан с минутной шкалой, а расположение барабана между рисками минут позволяет глазомерно снять отсчёт десятых долей минут. В итоге отсчёт измеряемого секстаном угла ведётся по двум шкалам: отсчёт градусов ведётся по шкале лимба, отсчёт минут и десятых долей минут - по шкале барабана.

Недостаток червячного механизма - наличие мёртвого хода винта. Этот недостаток легко устраняется специальной технологией наблюдений - вращением барабана в процессе совмещения изображения светила с горизонтом только в одну сторону (обычно в сторону увеличения числа минут) [12]. При необходимости возврата на меньшие углы нужно повернуть барабан назад на существенно больший угол или разъединить червячный механизм и отвести алидаду назад, а затем снова вращением барабана добиваться совмещения изображения светила с горизонтом.

Функция муфты сцепления обеспечивается рычагами, сжатие которых отводит червячный винт от червячного колеса, и алидада может свободно перемещаться на любой угол в пределах шкалы лимба [9].

Лупа с осветителем (конусообразное углубление на тыльной поверхности лупы, стенки которого покрыты флуоресцирующим составом) позволяет более точно снимать отсчёты по обеим шкалам в условиях недостаточной сумеречной освещённости. Флуоресцирующий состав на тыльной поверхности лупы предварительно нужно осветить в течение нескольких минут, например, светом настольной лампы штурманского стола. На радиальных элементах рамного сектора установлено гнездо для малого зеркала и разъём с призматическим вырезом для оптической трубы. Малое зеркало представляет собой комбинацию зеркала и прозрачного стекла на одной стеклянной пластине, граница между которыми параллельна плоскости лимба и отстоит от неё на расстоянии, равном отстоянную оптической оси трубы от плоскости лимба (т.е. оптическая ось трубы проходит по границе между стеклом и зеркалом).

Такой же размер, равный отстоянию оптической оси трубы от плоскости лимба, имеет большая сторона каждого из двух диоптров - калиброванных уголков, применяемых для настройки и выверки секстана и входящих в комплект снабжения

секстана.

Комбинация в малом зеркале зеркальной и прозрачной частей позволяет, во-первых, вторично отразить луч, пришедший от большого зеркала, а во-вторых, без изменения направления пропустить второй луч измеряемого угла. Совпадение границы стекло-зеркало с оптической осью трубы позволяет при наблюдении в трубу в одном зрительном поле видеть и горизонт (прямоидущий луч), и светило (дважды отражённый луч). При наблюдении без трубы совмещения двух лучей в одном зрительном поле не происходит, каждый из лучей виден раздельно.

На переднем радиальном элементе рамного сектора перед большим зеркалом установлен пакет цветных светофильтров различной оптической плотности, а перед малым зеркалом - пакет цветных светофильтров различной плотности и цвета, отличающийся от светофильтров.

Секстан СНО-Т снабжён двумя оптическими зрительными трубами: дневная

труба с полем зрения 4-5° (увеличение 6-8х) и перевёрнутым изображением; ночная

труба с полем зрения 6-8° (увеличение 3,5х) с прямым изображением. Фокусировка изображения в дневной трубе осуществляется продольным смещением тубуса с окуляром, в ночной трубе - вращением окуляра.

Таким образом, замечательные свойства традиционного секстана и реализуемого с его использованием метода ОМС на основе метода высот светил, измеряемых относительно видимого горизонта, соседствуют с некоторыми недостатками, отмеченными выше и во Введении:

- измерение высот светил над видимым горизонтом вносит погрешность знания наклонения видимого горизонта относительно топоцентрического горизонта наблюдателя. Величина наклонения видимого горизонта до сих пор не имеет адекватного аналитического описания из-за большого числа физических явлений в атмосфере, которые влияют на её количественное значение, [68-72];

- второй нюанс этого навигационного параметра состоит в том, что для наблюдения высоты светила над видимым горизонтом необходимо видеть

горизонт, что исключает возможность применения метода высот в ночное время, когда горизонта не видно, но хорошо видно множество звёзд [53, 54, 56 - 58];

- в настоящее время кроме высот светил известно множество других астронавигационных параметров для ОМС, которые традиционным секстаном не могут быть измерены, что снижает возможности применения астронавигации в судовождении.

Отмеченные недостатки приводят к необходимости совершенствования традиционного секстана в направлении возможности измерения дополнительных навигационных параметров, не содержащих измерений над видимым горизонтом.

1.2 Обоснование необходимости разработки новых типов секстана

В истории развития техники для судовождения наблюдается тесная взаимосвязь между развитием технических средств измерений и теоретическими методами использования этих измерений на практике. В астронавигации до высокой степени совершенства отточены методы определения места судна по измерениям высот светил навигационным секстаном.

Принцип его работы разработан в конце восемнадцатого века и в последующие времена оставался неизменным, как в основном и сам навигационный прибор. Однако ограничения, присущие измерениям высот светил над видимым горизонтом, включающие в себя необходимость хорошей видимости горизонта (что ограничивает во времени использование традиционного секстана), возможность измерения только одного навигационного параметра, сложность ручных расчётов по получению обсервованного места судна, а также появление автоматизированных спутниковых и наземных радионавигационных систем, дающих на выходе непосредственно координаты обсервованного места, существенно снизили интерес практического судовождения к ручным астронавигационным методам.

Тем не менее, астронавигация продолжает занимать определённую нишу в судовождении, главным образом, как резервный метод, совершенствованию

которого также должно уделяться достаточное внимание. Большая потребность в совершенствовании автономных средств судовождения имеется для нештатных ситуаций, так как в военное время существует большая вероятность, что все спутниковые системы будут отключены для гражданских пользователей и вложения в развитие и создание спутниковых навигационных систем попросту не дадут никакого результата для торгового флота, а звёздное небо, солнце, планеты и луна будут сопровождать моряков всегда.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бабич Сергей Игоревич, 2024 год

д - А - Ар

д - (Аг Ар)- Ар А2

д

- 360° -А + А)

д - А + Ар

(2.22)

(2.23)

(2.24)

(2.25)

Рисунок 2.7 - Варианты взаимного расположения светил А и В, зенита 2 и полюса Р с границами аЬ и cd смены вида расчётного выражения параллактического угла д

На рисунке 2.8 представлено, как формируются выражения (2.22-2.25) для каждой из выделенных зон.

а) полюс Р в зоне ЬАс д - А - А б) полюс Р в зоне аАс д - А - А2

в) полюс р в зоне М д - 360° - (а2 + Ар) г) полюс Р в зоне bЛd д - Az + Ар

д) полюс Р в зоне ЬЛс д - А - Ар

Рисунок 2.8 - Геометрическое формирование формулы параллактического угла д

в различных зонах

Ориентировка расположения полюса в той или иной зоне осуществляется достаточно просто при наличии на судне компаса и хотя бы приблизительного знания счислимой широты, по которой можно вычислить зенитное расстояние полюса ^ -90°-р. Зенитные расстояния наблюдаемых звёзд сравниваются непосредственно: более высоко расположенная звезда принимается за звезду сравнения А. Направление на эту звезду от зенита 2 наблюдателя - это делительная линия cd. Делительная линия аЬ - это большой круг, соединяющий светила А и В.

С использованием компаса ориентировка осуществляется следующим образом.

Компасное направление на норд - это направление на полюс Р (в южном полушарии - направление на зюйд). Пеленги на светила - это направления 2Л и 2Б, по которым откладываются ориентировочные зенитные расстояния звёзд (с точностью - какое больше, какое меньше). Далее необходимо сравнить зенитное расстояние полюса с зенитными расстояниями звёзд (на уровне: больше - меньше) и изобразить всё это на схеме, аналогичной рисунку 2.8 [48].

2.3 Алгоритм наблюдений светил и прямого расчёта координат обсервованного места судна по наблюдениям разностей высот и

разностей азимутов светил

1. Выбрать светила для наблюдений. Наилучшие условия - когда светила располагаются примерно на одной высоте с большой разностью азимутов. Выполнить пеленгование светил, оценить зенитные расстояния светил и полюса, определить зону расположения полюса относительно зенита и светил.

2. На момент Т секстанного наблюдения разностей высот АИ и разностей азимутов светил АА получить счислимые координаты, выбрать эфемериды светил и точки Овна 8а , 8В, тА, тв, ^.

3. Рассчитать видимое расстояние 5 между светилами по (2.9) и угол ар по (2.10);

4. Рассчитать высоту ^ светила В по (2.13) и высоту кА светила А по (2.12);

5. Рассчитать угол Аz по (2.14);

6. Рассчитать по одной из формул (2.22-2.25), в соответствии с расположением полюса относительно светил и зенита, параллактический угол q;

7. Рассчитать широту ^ по (2.16);

8. Рассчитать полярный угол Лг^ по (2.17) и звёздное дополнение зенита т2 по (2.18);

9. Рассчитать вестовую долготу Л% по (2.19) и при необходимости перевести её в остовую величину;

10.При необходимости рассчитать азимуты светил Ал и А по (2.20-2.21);

В качестве примера расчёта координат обсервованного места по приведённому алгоритму рассмотрим следующие прямую и обратную задачи;

Пример 1. Прямая задача

На гринвичское время т = 15.00:00 15 декабря 2014 года вычислены высоты

и азимуты двух светил: а и п Большой Медведицы. Эфемериды светил:

а Б. Медведицы: 8А = 61°39',52 N; г* = 193°50',43 ; П Б. Медведицы: 8В = 49°14',04 N; г* = 152°58',44. Положение точки Овна: ^ = 309°11' .42.

В точке с координатами р = 55°00',0 N, Х = 84°00'.0 Е вычислены высоты и азимуты светил:

а Б. Медведицы: ^ = 32°22',14; А = 24°,28; П Б. Медведицы: йв = 14°21',73; А = 4°,15. По этим данным вычислены:

- разность высот Лк = кА - кв = 18°00,41'

- разность азимутов ЛА = А - А = 20,13° -разность звёздных дополнений Л г = гА - гв = 40°51,99'

Пример 2. Обратная задача

Примем ДН -18°00,41'; ДМ - 20,13°, а также вышеуказанные эфемериды светил и точки Овна на время Т -15.00: 00 и дату 15.12.2014. Вычислим по этим данным

координаты места наблюдателя, пользуясь разработанным алгоритмом.

1. Определим зону расположения полюса относительно светил и зенита: зона ЬАс; д - А - А.

2. Эфемериды светил и точки Овна имеются (см. прямую задачу).

3. Рассчитаем 5 и А:

5 - 25°,708326; А - 99°,965168 .

4. Рассчитаем высоту светил В и А и угол А2 Н -14°19',8; Н -32°20',2; А2 -129°,752786 .

5. Рассчитаем параллактический угол д - - А - 29°,787618 .

6. Рассчитаем широту места наблюдателя р- 55°01',45 N.

7. Рассчитаем полярный угол Дти тг: Дт^ -132°,959309 ; т2 - 326°,799809

8. Рассчитаем долготу места наблюдателя

Л - 275,990142 Ж - 84°,009857 Е - 84°00',35 Е.

9. Сравнение результата с исходными данными:

задано получено погрешность

р-55°00,0' N р-55°01,4' N Др-1,4' Я - 84°00,0'Е Л-84°00,4'Е ДЛ- 0,4'

Полученные погрешности координат обсервованного места есть следствие принятой точности вычислений (6 дробных десятичных знаков) с использованием тригонометрических функций. В современных вычислительных средствах

точность вычисления тригонометрических функций зависит от принятого в них алгоритма; эта точность легко может быть повышена. Однако, с астронавигационной точки зрения полученную точность вполне можно считать удовлетворительной и, следоввательно, принять представленный алгоритм для использования.

2.4 Метод линий положения для обсервации по разностям высоты и азимута двух светил с использованием счислимого места и подбор выгодного расположения светил

При графоаналитическом определении места судна по наблюдениям светил достаточно широко используется метод линий положения. Основными параметрами линий положения являются направление градиента измеряемого навигационного параметра и перенос Лп линии положения (отстояние линии положения от счислимой точки).

Перенос линии положения вычисляется как разность обсервованного и

счислимого ис навигационного параметра, делённая на модуль q градиента:

ЛИ = И (2.26)

Ч

Метод линий положения может использоваться и для обсерваций по разностям высот и азимутов двух светил. В этом случае одна линия положения будет разностно-высотной (РВЛП), а другая - разностно-азимутальной (РАЛП). Параметры РВЛП и РАЛП также определяются по (2.26).

Для определения градиента РВЛП используется чРВЛП по (2.27)

угловые минуты (2.27)

миля

где А, А 2 - азимуты светил с , С2;

ЧЛк =

2Бт

А - А1 "2

Направление градиента РВЛПгд/г, исчисляемое от норда в сторону от q к с2 ;

трвлп по (2-28)

A, + A (2.28) -- ± 90o

Д. 2

Для определения градиента РАЛПqРАЛП используется (2.29, 2.30). Модуль градиента РАЛП

qM = ¿Vtg*h + tg2h2 - 2tghx • tgh2 • cos ДА ^^ (2 29)

60 миля

а его направление гДА, исчисляемое от норда:

tgh2 • sin ДА (2.30)

q

ДА

или графическим построением, приведённым на рисунке 2.9.

Для этого в выбранном масштабе из точки М, рисунок 2.9, по направлению

азимута М1 первого светила нужно отложить величину п - tghl, по направлению азимута А2 второго светила величину п2 - tgh2. Модуль вектора градиента РАИ определится как длина отрезка NN между концами п и п2, а направление вектора градиента РАЛП перпендикулярно отрезку NN [43, 47, 48].

Рисунок 2.9 - Графический способ получения модуля и направления градиента

РАЛП

Таким образом, градиент РВЛП определяется выражениями

. АЛ (2.31)

q рвлп = 2sm^r

трвлп = Ар ± 90° (2.32) где АА = А2 - А - разность азимутов светил;

, А + А2

Аф = —~— - среднии азимут светил;

А, А - азимуты первого и второго светила; градиент РАЛП определяется выражениями:

qралп = 4*82К + *82\ - 2tghci ■ tghci ■ cos АЛ (2.33)

tgh2 • sin АЛ (2.34)

С0 РАЛП - Л1 ) =

q РАЛП

где h , h - счислимые высоты первого и второго светил.

2.4.1 Графоаналитическое определение градиента РАЛП

Направление тРШ1 соответствует перпендикуляру к отрезку, соединяющему

концы векторов

а,

= , отложенному по направлению Д, и а2 = ,

отложенному по направлению А2, рисунок 2.10-а.

а) общепринятый способ б) способ разложения на

составляющие по координатным осям Дф-Дю

Рисунок 2.10 - Графоаналитическое получение градиента РАЛП

Указанный графоаналитический приём можно привести к аналитическому виду следующим образом. Представим векторы, рисунок 2.10-б, в координатах разность широт (Дф) - отшествие (Дю) [46].

Тогда вектор а 1 = (Дфх, Д); а 2 = (Дф2, Д®2)

=(Д%, Дюч) (2.35)

где Др1 = tghCl ■ соб А1;

= tghCl ■ бгп А;

Л® - tghC2 • cos ;

Ao2 - tghc • sin А2; A® - A® - A® ;

Ao^-Aoj-Ao (2.36)

а модуль градиента РАЛП qPAjm - ^A® + Aoo2 , что соответствует выражению (2.33).

Направление А? вектора q

Л® Г 90o при Ao> 0; (2.37)

A --arctg—- + ^ q Ao [270 o при Ao< 0.

Направление х перпендикулярно направлению А , то есть

Тгалп = Aq -90o (2.38)

и с учётом (2.37)

Л® Г 0o при Ao> 0; (2.39)

ХрАлп - ~arctgAO + i i80o при Ao < 0.

2.4.2 Выгодные условия расположения светил для обсервации

Обсервация по РВЛП и РАЛП позволяет использовать их параметры для установления выгодных условий наблюдения светил. Условия наблюдения считаются выгодными, если угол пересечения линий положения близок к 90°, а градиенты навигационных параметров - большие.

Рассмотрим модули градиентов РВЛП и РАЛП. Модуль градиента РВЛП (2.31) определяется разностью азимутов АЛ светил. При АЛ = 180° модуль градиента q = 2

. Однако, наблюдать светила с разностью азимутов 180° весьма проблематично, поэтому нужно найти условия, при которых градиент имеет приемлемо большую величину, например, q > 1. В этом случае

АЛ = 2 агсвт - > 2агсБ1п1 = 60° (240)

2 2

Следовательно, для наблюдения желательно подбирать светила с разностью азимутов не менее 60°.

Модуль градиента РАЛП (2.33) зависит как от высот \, к2светил, так и от косинуса разности азимутов этих светил. При анализе изолиний разности высот и разности азимутов показано, что выгодные условия наблюдения светил возникают при выборе светил, находящихся примерно на одинаковой высоте [44]. Если принять это условие равенства высот светил кс = кс = к, то из (2.33) следует

-РШ1 СобАЛ =л/2 ■ tgW 1 - СОБАЛ '

Поскольку из тригонометрии

1 - соб АЛ . АЛ

л - = вш —,

V 2 2

то

пг , . АЛ , . АЛ , (2.41)

-„ш = л/2 ■ *8к ■ ^2 ■в1п "у = ■2 У = ■

Из (2.41) следует, что если для РВЛП выполняется условие (2.40), то —РАПП будет не меньше единицы, если tgк > 1, что выполняется при к > 45°. Следовательно, для наблюдения необходимо подобрать светила примерно на одинаковой высоте, но не менее 45°.

Рассмотрим направления т РВЛП и РАЛП.

Направление трвлп согласно (2.32) соответствует направлению среднего азимута А светил, отклонённому на 90°.

Направление тРА/7Я соответствует перпендикуляру к отрезку —| на рисунке 2.10. Если принять, что светила располагаются примерно на одной высоте к, то вектора

а1

и

а 2

окажутся одинаковой длины, а треугольник 2ЛБ - равнобедренным. В

этом случае перпендикуляр ТР к основанию АВ совпадает с биссектрисой угла величина которого равна АЛ. Биссектриса угла АТВ является средним азимутом Лср

светил, то есть направлением тРАПП :

, АА . А - А 2А + А - А А + Л , (2-42)

т = А + — = А +—1 = —1—-—1 = ——— = А

рамп 1 2 1 2 2 2 ср

Таким образом, если светила располагаются на одной высоте, то направление трлмп будет соответствовать среднему азимуту Лср светил, а направление трвмп

будет отклонено от А на 90°. Следовательно, угол между РВЛП и РАЛП в этом

случае будет составлять 90° [3].

Таким образом, выгодными условиями наблюдения светил для определения места судна по РВЛП и РАЛП двух светил будут [44]:

- расположение светил примерно на одинаковой высоте;

- высота светил более 45°; разность азимутов светил более 60°.

2.5 Преобразование видимого расстояния между вертикалами светил (измеряемого параметра) в навигационный параметр разность азимутов

светил

При совмещении в процессе измерений секстаном вертикала светила Л (более высокое из двух светил) с вертикалом светила В измеряется угол видимого расстояния между вертикалами светил на высоте нижнего светила, который является измеряемым параметром. Навигационным же параметром в рассматриваемом методе определения места судна является двугранный угол между вертикалами светил - разность азимутов двух светил ДА. В результате совмещения лучей двух светил отсчётные устройства секстана покажут инструментальные значения разности высот светил Дhин и инструментальное значение видимого угла между вертикалами светил Дайн на высоте нижнего светила.

Для преобразования инструментальных параметров (ИнП) в измеряемые параметры (ИзП) достаточно ввести в инструментальные параметры значения их поправок, определяемые в процессе поверки прибора: ДИиз = Дhин + 5И; Даир = Даин + 5а.

Но связь измеряемых параметров с их навигационными параметрами может быть значительно сложнее.

Дуга разности высот светил Дhин является дугой совмещённого вертикала двух светил и её значение не зависит от высоты нижнего светила, а дуга видимого угла между вертикалами светил Даин зависит от двух вертикалов и, следовательно, зависит от угла схождения вертикалов, определяемого высотами светил на своих вертикалах. Таким образом, возникает задача преобразования измеряемого параметра Даиз в навигационный параметр ДА.

В мореходной астрономии разность азимутов измеряется либо двугранным углом между вертикалами светил, либо дугой истинного горизонта между этими вертикалами (что, по сути, одно и то же). Моделируя ситуацию небесной сферой, рисунок 2.11, можно видеть, что из центра небесной сферы (место наблюдателя на небесной сфере) видимый угол между двумя светилами, находящимися ближе к полюсам, будет меньше, чем реальная разность азимутов двух светил АА.

z

11

Рисунок 2.11 - Геометрическое определение измеряемого горизонтального

навигационного параметра Да

Пусть наблюдаются два светила: А - верхнее, В - нижнее. Вертикалы этих светил ZAan и ZBbn соответственно. Разность азимутов этих светил при измерении из центра есть дуга истинного горизонта (большого круга) ba = AA, которая одновременно является и мерой двугранного угла между вертикалами светил. Одновременно разностью азимутов будет и дуга ВА" в плоскости альмукантарата нижнего светила. Для наблюдателя, находящегося в центре небесной сферы, хорда BA" видна под углом Да.

Тогда дуга BA" может быть выражена в плоскости альмукантарата произведением OB • AA, а в плоскости наблюдения из центра сферы произведением R • Aa. Но OB = R • cosh, следовательно, R • cosh- AA = R Aa. Отсюда

AA = — (2.43)

cosh

Таким образом, (2.38) определяет связь измеряемого параметра - видимого угла Aa с навигационным параметром - разностью азимутов AA. В графическом виде эта связь представлена на рисунке 2.12.

Связь навигационного параметра АЛ с измеряемым параметром

Да

< <

р

т е м

а р

а п

ы н н о

и ц

а г и в а

к

200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0

Да=10°

■Да=40°

Да=20°

Да=50°

Да=30°

Да=60°

Порядковый номер высоты нижнего светила И от 30° с шагом 5°

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рисунок 2.12 - Зависимость разности азимутов светил АЛ от видимого угла между светилами Да и от высоты И расположения нижнего светила

На рисунке видно, что при высотах нижнего светила около 60° условие разности азимутов двух светил 60° будет выполняться при видимом угле между светилами (измеряемом параметре) 30°. При планировании наблюдений будет удобно пользоваться рисунком 2.12. Рассчитав заранее счислимую высоту нижнего светила И и счислимую разность азимутов АЛ двух светил, по (2.43) или по графику рисунок 2.12 можно определить видимый угол между светилами Да и выставить угол положения большого зеркала по азимутальной алидаде на угол Да, а по алидаде высот - на угол И. Это значительно ускорит процесс совмещения светил для снятия инструментальных параметров [2].

2.6 Программирование расчёта координат обсервованного места судна по наблюдениям разностей высот и разностей азимутов светил 2.б.1 Описание программы расчёта обсервованного места судна

Расчёт координат обсервованного места судна по наблюдениям разностей высот и разностей азимутов светил согласно алгоритма п.2.3, несмотря на свою несложность, является достаточно трудозатратным и у неопытного наблюдателя может занять значительное время на расчёт. В интересах упрощения расчёта была написана программа расчета обсервованного места судна [32].

Код программы написан на объектно-ориентированном языке C# в интерфейсе Windows Form. Это интерфейс программирования приложений (API), отвечающий за графический интерфейс пользователя и являющийся частью Microsoft.NET Framework. Интерфейс упрощает доступ к элементам интерфейса Microsoft Windows за счет создания обёртки для существующего Win32 Api в управляемом коде.

При создании приложения Windows Form среда Visual Studio создает 3 исходных файла, каждый из которых содержит свои уникальные данные. Два из них содержат часть класса Form1, который лежит в основе формы, представляющей пользовательский интерфейс программы.

Подобное разделение кода на несколько файлов возможно благодаря существованию так называемых разделяемых классов — части класса могут находиться в разных файлах. Такой подход имеет одно большое преимущество: код с другим основным назначением выделяется в отдельный файл. Возможно, использование трех файлов вместо одного может показаться немного сложным, но зато мы получаем единый чистый файл Form.cs, в котором можно писать интересующийся код.

Файл Program.cs содержит стандартный метод Main() и код для автоматического создания экземпляра класса Form отвечающий за запуск программы. Файл Form.Designer.cs содержит в себе всю информацию о форме программы и создается конструктором автоматически. Файл используется только

самой системой и служит для представления в коде тех элементов, которые добавляются в область конструктора. Фактически, именно из него система получает информацию о представлении конструктора. Представление конструктора не имеет какого-либо другого файла, это и есть его единственный файл. В нём перечислены все элементы формы и их свойства. В файле Form1.cs записан весь алгоритм расчета, изложенный во второй главе работы (2.3).

2.6.2 Проверка работоспособности программы

Для проверки работоспособности программы были произведены расчёты для нескольких вариантов. Склонения, звездные дополнения, высоты и азимуты светил взяты из Электронного Альманаха. Расчет производился на 12.06.2012, 23:28:45. Координаты места судна 65°00'00" N 024°00'00" E. Гринвичский часовой угол точки Овна 253°54'10". Результаты вычислений занесены в таблицу 2.2.

Таблица 2.2 - Промежуточные вычисления и точность результата для различного набора наблюдаемых светил по их номеру в МАЕ

№ № по 5 * т h A Дh Дф

МАЕ AA ДХ

1 12 63°44,35' N 331°06,42' 48°13,58' 038,32° 20°08,73' 1,39'

9 35°42,14' N 342°20,29' 28°04,85' 065,11° 026,79° 1,76'

2 9 35°42,14' N 342°20,29' 28°04,85' 065,11° 17°36,74' 9,72'

13 20°53,06' N 331°06,96' 10°28,11' 062,51° 002,60° 46,31'

3 12 63°44,35' N 331°06,42' 48°13,58' 038,32° 01°52,75' 0,04'

72 61°40,31' N 193°49,40' 46°20,85' 320,31° 078,01° 1,90'

4 12 63°44,35' N 331°06,42' 48°13,58' 038,32° 04°38,81' 0,26'

75 53°36,67' N 181°19,83' 43°34,77' 306,07° 092,25° 0,10'

Примечание: светило № 9 - в Андромеды; № 12 - е Кассиопеи; № 13 - в Овна; № 72 - а Большой Медведицы; № 75 - у Большой Медведицы.

В вариантах 3 и 4 ошибка обсервации незначительная и соответствуют методологической точности. Варианты 1 и 2 не соответствуют оптимальным условиям данного метода; получены наибольшие методологические погрешности вычислений.

2.6.3 Пример работы с программой для определения места судна по

разностям высот и азимутов

Рассмотрим пример определения места судна по разностям высот и азимутов. Окно программы после запуска изображено на рисунке 2.13.

Для расчета координат места судна по данному алгоритму необходимо знать разность высот и азимутов, эфемериды (склонение и звездное дополнение) двух светил (светила A и B), гринвичский часовой угол точки Овна и взаимное расположение светил, полюса и зенита [25,26].

Исходные данные:

• счислимое место: фс=65°00,00' N ^=024°00,00' E;

• дата и время наблюдений: 12.06.2012, Тгр=23:28:45;

• Положение точки Овна: ^ (у)=253°54,10';

• Высшее светило (А): 5A=63°44,35' N т*=331°06,42';

• Низшее светило (В): 5A=53°36,67' N т*=181°19,83';

• Разность высот: Д^04°38,8Г;

• Разность азимутов: 4^092,25°.

Для расчета координат места судно необходимо вписать входные данные в соответствующие ячейки в окне программы. Значения разности высот, склонений, звездных дополнений и гринвичского часового угла вводятся с точностью до сотых долей минуты. Значение разности азимутов с точностью до сотых долей градуса. После ввода данных окно программы должно выглядеть аналогично рисунку 2.14.

Необходимо указать знак склонений путём нажатия на всплывающий список и выбора N или S, рисунок 2.15.

Склонение

Звездное Дополнение

Высшее светило[

63*44-35 N ^

N

331 06-42

А) Низшее светило (В)

53 3667

N

Ш'ШЗ

Рисунок 2.15 - Выбор знака склонения

Необходимо выбрать формулу для расчета угла q в зависимости от взаимного расположения светил, зенита и полюса, рисунок 2.16.

Рисунок 2.16 - Выбор формулы расчета угла q

Чтобы получить значение координат места судна необходимо нажать на кнопку «Подсчёт». По нажатию кнопки будут произведены вычисления координат места и их значения появятся в соответствующих ячейках, рисунок 2.17.

Рисунок 2.17 - Подсчет координат места

Реальные координаты места судна фс=65°00,00' N ^с=024°00,00'Б. Следовательно, погрешность расчёта: Лф=0,26', ЛХ=0,10'. Такая точность вполне соответствует точности определения навигационных параметров.

Выводы по второй главе

Во второй главе рассмотрена теория определения места судна (ОМС) по комбинации различных навигационных параметров (разности высот и разности азимутов двух светил) как методом изолиний без использования счислимого места судна, так и методом линий положения с использованием счислимого места. Сформировано условие выгодного расположения светил для обсервации, а также преобразование измеряемого параметра - видимое расстояние между вертикалами светил - в навигационный параметр разность азимутов светил.

Выполнено программирование расчёта координат обсервованного места судна по разностям высот и разностям азимутов светил; показан пример работы с программой; выполнена проверка расчёта. Использование программы расчёта координат значительно сокращает время вычисления координат места судна по сравнению с ручным расчётом.

ГЛАВА 3 ПОВЕРКА ДВУХПАРАМЕТРИЧЕСКОГО СЕКСТАНА И ОЦЕНКА СВЯЗИ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ (ИНП) С НАВИГАЦИОННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ (НП)

3.1 Выверка секстана с двумя степенями свободы большого зеркала

В традиционном секстане первичной проверке подвергается установка большого зеркала перпендикулярно плоскости лимба. Перпендикулярность малого зеркала плоскости лимба заменяется его установкой параллельно плоскости большого зеркала.

У СПБЗ большое зеркало обладает подвижностью, поэтому способ выверки необходимо корректировать. Установке перпендикулярно плоскости лимба должно подвергаться малое зеркало, поскольку надобности в фиксированной установке большого зеркала перпендикулярно плоскости лимба нет. Эта установка большого зеркала должна быть заменена проверкой положения нуля отсчёта разности азимутов (положения алидады азимутов) на азимутальном лимбе тогда, когда большое зеркало окажется перпендикулярным плоскости лимба.

В общем случае возможны два варианта выверки СПБЗ [45]. При любом варианте сначала общепринятым способом выполняется настройка оптической оси трубы секстана параллельно плоскости высотного лимба.

Первый вариант:

Проверка положения нуля отсчётов разности азимутов выполняется с помощью двух диоптров, выставляемых на плоскости лимба высот СПБЗ. Один из диоптров выставляется прямовидимым для луча зрения, проходящего мимо большого зеркала. Другой диоптр выставляется так, чтобы было видно его отражение в большом зеркале. В итоге наблюдателю, луч зрения которого располагается на уровне верхних кромок диоптров, должны быть видны рядом оба диоптра -прямовидимый и отражённый. Вращением барабана алидады азимутов устанавливают большое зеркало перпендикулярно плоскости лимба высот по равенству уровней верхних кромок прямовидимого и отражённого диоптров.

Замечают положение нуля алидады азимутов на азимутальном лимбе oía и вычисляют поправку индекса разности азимутов ía:

iA = 0°-oiA (3.1)

Далее, не меняя положения большого зеркала, устанавливают малое зеркало параллельно большому по совмещению прямовидимого и дважды отражённого лучей удалённого точечного объекта (звезды). При необходимости уменьшают поправку индекса алидады высот и определяют остаточную поправку индекса высот íh по положению нуля алидады высот на высотном лимбе oíh:

ih = 0°-oih (3.2)

Второй вариант:

Сначала выполняется проверка перпендикулярности малого зеркала с помощью диоптров, устанавливаемых на плоскости лимба таким образом, чтобы один был прямовидимым для луча зрения, проходящего вдоль кромки малого зеркала, а другой - отражённым в малом зеркале. Луч зрения должен проходить на высоте верхних кромок диоптров, а глаз наблюдателя должен располагаться на достаточном удалении от секстана (до 25 - 30 см). Перпендикулярность малого зеркала проверяется по равенству уровней верхних кромок прямовидимого и отражённого диоптров, рис. 3.1.

При этом замечают положение нуля алидады высот на высотном лимбе oíh и определяют остаточную поправку индекса высот íh по формуле (3.2). После этого никаких регулировок положения малого зеркала в своём гнезде уже делать нельзя. Если всё же они необходимы, то после этих регулировок нужно заново установить перпендикулярность малого зеркала с помощью диоптров.

Затем проверяется положение нуля отсчётов разности азимутов на азимутальном лимбе методом совмещения, прямовидимого и дважды отражённого лучей точечного объекта (звезды). Для этого необходимо навести секстан на прямовидимое светило и совместить отражённый луч этого светила с прямовидимым лучом. Грубое совмещение производится без трубы, а точное - с установленной оптической трубой. Замечают положение нуля алидады азимутов на

азимутальном лимбе oía и вычисляют поправку индекса разности азимутов iA по формуле (3.1).

Рисунок 3.1 - Проверка перпендикулярности малого зеркала плоскости лимба по равенству уровней верхних кромок прямовидимого и отражённого лучей

диоптров

Из-за разной дальности расположения диоптров от малого зеркала второй вариант выверки СПБЗ обладает большей чувствительностью к расположению высоты глаза наблюдателя в момент проверки совмещения уровней верхних кромок диоптров, поэтому его следует рассматривать как менее удобный по сравнению с первым вариантом.

разности высот и разности азимутов

После завершения конструктивной доработки СПБЗ прибор было необходимо опробовать, произвести проверку точности измеряемых им углов.

Первые исследования производились по окружающим наземным объектам. В качестве обьектов для наблюдения были выбраны установленные на крышах зданий телевизионные антенны и углы жилых многоквартирных домов [10].

В ходе работы было замеченно, что на СПБЗ дважды отражённое изображение покидало свой горизонтальный уровень, стремясь вверх, и это вертикальное движение было тем больше, чем больше был угол установки азимутальной алидады относительно шкалы азимутального лимба.

Эти наблюдения подтвердили необходимость поверки прибора и выявление погрешностей измерений в лабораторных условиях.

В лаборатории был нанесён искусственный горизонт на одной из стен при помощи лазерного нивелира. По линии искусственного горизонта были нанесены разноцветные метки, выполнявшие роль светил, рисунок 3.2.

Из одной точки были совершены измерения углов между метками традиционным секстаном, рисунок 3.3. Дале в этой же точке устанавливался СПБЗ и им же производилось совмещение меток и снятие инструментальных параметров, рисунки 3.4, 3.5.

Для удобства обработки данных показания азимутальной шкалы СПБЗ приняты с разными знаками: при движении от нуля влево - минус, при движении от нуля вправо - плюс. Полученные в ходе измерений данные были осреднены и сведены в таблицы 3.1 и 3.2.

Рисунок 3.2 - Установка меток на линии искусственного горизонта

Таблица 3.1 - Горизонтальные углы между метками, измеренные СПБЗ и традиционным секстаном

№°изм Инструментальный параметр дуги альмукантарата - ОСда

Традиционный секстан СПБЗ

1 5°44,2' -6°30,5'

2 16°58,0' -18°14,0'

3 32°29,5' -34°49,4'

4 43°05,9' -46°37,7'

5 10°31,4' 11°57,2'

6 26°02,8' 28°52,3'

7 37°25,7' 41°12,4'

8 43°24,5' 47°40,3'

Таблица 3.2 - Значения измеряемого вертикального угла СПБЗ между метками в зависимости от измеряемого азимутального угла при исходной разности высот 0°

№изм Инструментальный параметр разности высот - ОС^

ОСда ОСд1

1 -6°30,5' 359°53,3'

2 -18°14,0' 358°55,9'

3 -34°49,4' 356°15,0'

4 -46°37,7' 352°33,2'

5 11°57,2' 359°25,6'

6 28°52,3' 357°06,8'

7 41°12,4' 354°28,0'

8 47°40,3' 351°31,5'

параметров, полученных традиционным секстаном. При проведении измерений СПБЗ отсчётно-стопорное устройство алидады высот покажет отсчёт ОС^ наблюдаемых светил, а отсчётно-стопорное устройство разности азимутов покажет отсчёт ОСда. Отсчёты ОС^ и ОСда в свою очередь будут являться углами, к котором нужно применить поправки для получения навигационных параметров разности высот АИ и разности азимутов АЛ [4].

Необходимо признать, что представленный принцип поверки двухпараметрического секстана вполне пригоден, но имеет свои недостатки, среди которых:

1. Сложность установки большого зеркала СПБЗ в точке измерения углов традиционным секстаном;

2. Измеряемые углы ограничены установленным меткам;

3. Размер и форма лаборатории позволяет измерить ограниченный сектор горизонтальных углов.

Для более детальной оценки связи инструментальных параметров с измеряемыми параметрами разработан более точный способ поверки двухпараметрического секстана.

3.3 Поверка двухпараметрического секстана обратным измерением выставленных на секстане углов по высотному и по азимутальному лимбам

Принцип обратных измерений был осуществлён путём установки лазерного указателя на раме СПБЗ вместо оптической трубы. Для этого была изготовлена подставки для крепления СПБЗ, рисунок 3.6, и использована лаборатория со стеной круговой цилиндрической формы [3].

В ходе исследования на стену лаборатории наносились метки, рисунок 3.7, по местоположению дважды отражённого лазерного луча. Шаг расположения меток по азимутальной шкале составлял пять градусов, а по высотной шкале десять градусов.

1 - кронштейн; 2 - лазерный указатель; 3 - испытательный стенд СПБЗ Рисунок 3.6 - СПБЗ с установленным лазерным указателем на испытательном

Рисунок 3.7 - Нанесение меток на стену лабораторного помещения

В результате было замечено, что поправки имеют не линейную, а иную функциональную зависимость. При разных высотах дуги, которые описывает дважды отражённый лазерный луч, имеют различный радиус закругления: чем больше отклонения ПБЗ от нуля высот, тем радиус закругления дуги, описываемой дважды отражённым лазерным лучом, меньше. Тем самым необходимо определять поправки для различного отклонения большого зеркала по высотному лимбу, [65].

Лабораторные исследования производились при установленной разности высот 0 градусов (алидада высот установлена на 0°), а на азимутальной алидаде угол изменялся от 0 до 90 градусов с шагом пять градусов. Измерения проводились сначала в одну сторону от 0 до + 90°, а затем в другую от 0 до - 90°. По цилиндрической стене от начальной точки до метки лазерного луча выполнялось измерение двух координат: высот по вертикалам и горизонтальных расстояний между метками. Горизонталь начальной точки и вертикалы дважды отражённой лазерной метки устанавливались с помощью лазерного нивелира. Измерения линейных расстояний проводилось с помощью лазерного дальномера.

Схема проведения геометрических измерений на стене лаборатории для определения угловых величин между лазерными метками, соответствующими выставленным на СПБЗ углам по шкалам высот и азимутов, представлена на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Схема проведения замеров по лазерным меткам для определения угловых величин на шкалах СПБЗ

Угловые величины рассчитывались по геометрическим зависимостям, по формулам:

а = 2агс51п(^);

2К

АН = аг(-), где АН = Н - ОСН0

й

(3.3)

(3.4)

Геометрически рассчитанные углы а принимались за истинные и сравнивались с отсчётами СПБЗ ОСда. Показания азимутальной шкалы СПБЗ имели разные знаки, при движении от нуля влево - минус ОСДа -, а при движении от нуля вправо - плюс ОСДа+. После многочисленных измерений полученные данные были

обработаны, а результаты сведены в таблицы 3.3, 3.4; по табличным данным был построен рисунок 3.9 а, б.

Таблица 3.3 - Геометрические измерения между лазерными метками при

изменении азимута от 0 до +90 градусов

1 ОСда° ОСно° Геометрические измерения Да°

Н (м) Ь (м) Я (м)

0 0°00,0' 1,382 1,382 0 3,914 0

1 5°00,0' 1,382 1,381 0,315 3,923 4,602

2 10°00,0' 1,382 1,403 0,615 3,926 8,984

3 15°00,0' 1,382 1,441 0,925 3,928 13,524

4 20°00,0' 1,382 1,492 1,229 3,929 17,996

5 25°00,0' 1,382 1,552 1,519 3,929 22,292

6 30°00,0' 1,382 1,627 1,812 3,929 26,664

7 35°00,0' 1,382 1,711 2,091 3,929 30,864

8 40°00,0' 1,382 1,805 2,364 3,929 35,016

9 45°00,0' 1,382 1,909 2,642 3,925 39,335

10 50°00,0' 1,382 2,031 2,902 3,923 43,415

11 55°00,0' 1,382 2,151 3,159 3,922 47,498

12 60°00,0' 1,382 2,282 3,403 3,928 51,338

13 65°00,0' 1,382 2,429 3,642 3,927 55,254

14 70°00,0' 1,382 2,585 3,876 3,930 59,093

15 75°00,0' 1,382 2,745 4,091 3,928 62,765

16 80°00,0' 1,382 2,915 4,331 3,930 66,874

17 85°00,0' 1,382 3,105 4,541 3,926 70,665

18 90°00,0' 1,382 3,281 4,765 3,927 74,702

Таблица 3.4 - Геометрические измерения между лазерными метками при изменении азимута от 0 до -90 градусов

i ОСда° ОСнo° Геометрические измерения Да°

И (м) Ь (м) Я (м)

0 -0°00,0' 1,378 1,381 0 3,914 0

1 -5°00,0' 1,378 1,381 0,299 3,916 4,376

2 -10°00,0' 1,378 1,403 0,615 3,916 9,007

3 -15°00,0' 1,378 1,441 0,918 3,919 13,452

4 -20°00,0' 1,378 1,492 1,210 3,917 17,770

5 -25°00,0' 1,378 1,552 1,507 3,917 22,182

6 -30°00,0' 1,378 1,627 1,797 3,916 26,529

7 -35°00,0' 1,378 1,711 2,076 3,915 30,750

8 -40°00,0' 1,378 1,805 2,350 3,916 34,921

9 -45°00,0' 1,378 1,909 2,624 3,915 39,160

10 -50°00,0' 1,378 2,031 2,883 3,912 43,244

11 -55°00,0' 1,378 2,151 3,138 3,906 47,368

12 -60°00,0' 1,378 2,282 3,380 3,907 51,260

13 -65°00,0' 1,378 2,429 3,620 3,905 55,227

14 -70°00,0' 1,378 2,585 3,857 3,900 59,272

15 -75°00,0' 1,378 2,745 4,078 3,898 63,079

16 -80°00,0' 1,378 2,915 4,309 3,896 67,147

17 -85°00,0' 1,378 3,105 4,524 3,893 71,048

18 -90°00,0' 1,378 3,281 4,730 3,893 74,818

90

Я 85 & 80

0 75 ! 3 70

65 с:60

1 £ 55 | £ 50

& ° 45 * § 40 ^ 35

В I зо

£ 3 25

2 20

«

15 10 5 0

\ г

1Г