Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 12

ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ НАПРАВЛЕНИЙ

НА ПОДВИЖНЫЕ ОБЪЕКТЫ. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

СПУТНИКОВОЙ ГЕОДЕЗИИ

§ 72. Классификация оптических приборов для регистрации

подвижных объектов. Методы измерения и типы моширокок

Регистрация подвижных объектов предусматривает прежде всего опре-

деление параметров их траектории - геометрической траектории, ско-

рости и ускорения в любой точке траектории, относящихся к опреде-

ленному моменту времени.

В космической геодезии и полигонных измерениях используются

в основном внешнетраскторные измерения, т.е. измерения внешними

по отношению к летящему объекту средствами измерений, которые рас-

положены, как правило, па Земле. Оптическая аппаратура для граектор-

ных измерений, несмотря на очевидный недостаток по сравнению с ра-

диотехнической - невозможность измерений в любое время суток и

в любую погоду, широко применяется, в том числе и для целей косми-

ческой геодезии, благодаря весьма высокой точности.

В системах внешнетраскторных измерений применяются следующие

методы определения местоположения объекта: пелеигациоиный, дально-

мерно-пеленгационный, дальномерный, метод привязки к наземным

ориентирам, метод привязки к опорным звездам (астрометрический).

На пеленгационном методе основаны, например, кинотсодолитные

измерения. Относительно низкая точность измерения траектории кино-

теодолитами тр - 10- 15" не позволяла многим авторам относить их

к приборам, которые можно использовать для целей геодезии [21]. Од-

нако точность кинотеодолитов в последние два десятилетия существен-

но повысилась (до нескольких секунд [7]).

Кроме того, именно кинотсодолиты по своей принципиальной схеме

наиболее близки к геодезическим приборам и широко применяются при

полигонных траскторных измерениях. Эти обстоятельства определяют

целесообразность рассмотрения основных характеристик кинотеодоли-

тов совместно с другими оптическими приборами спутниковой геодезии.

При пеленгационном методе (рис. 131,д) производятся синхронные

измерения направлений на объект с двух измерительных постов, нахо-

дящихся на расстоянии В друг от друга. На каждом из постов измеря-

ются направления по азимуту (0, и 0

) и углу места (с

и е

). Основ-

ными достоинствами пеленгационного метода являются относительно

высокая точность при проведении полигонных измерений, простота

вторичной обработки результатов и возможность получения результа-

тов в реальном масштабе времени. К общим недостаткам относится не-

обходимость двух постов и координация их работы, зависимость точно-

сти от величины углов 0 и е, т.е. от расположения объекта относительно

базы. К недостаткам кинотсодолитного метода применительно к зада-

чам космической геодезии можно отнести также недостаточно высокую

Рис. 131. Схемы методов измерений:

а -

пеленгационного;

б —

дальномерно-пеленгационного

точность, значительные трудности учета атмосферной рефракции и полу-

чение результатов в местной системе координат, связанной по существу

с неизвестным направлением отвесной линии в точке наблюдений [21].

Устранение этих недостатков представляет значительные принципиаль-

ные и технические трудности, однако преимущества этого метода ука-

зывают на целесообразность проведения исследований и работ в этом

направлении.

Дальномерно-пеленгационный метод предусматривает измерение

с одного измерительного поста наклонной дальности D до объекта и

двух направлений азимута 0 и угла места е (рис. 131,6)» Аппаратура,

основанная на этом методе, по схеме представляет собой оптический

локатор и с учетом сказанного о кинотеодолите является весьма перс-

пективной для космической геодезии. Достоинствами дальномерно-

пеленгационного метода являются достаточно высокая точность, посто-

янство точности независимо от расположения цели и измерительного

поста, простота вторичной обработки результатов, более простое реше-

ние вопросов синхронизации моментов измерений при одном измери-

тельном посте, возможность получения результатов в реальном масшта-

бе времени.

Дальномерный метод при использовании лазерных дальномеров на-

ходит все большее применение в космической геодезии, однако его реа-

лизация требует создания и одновременного использования угломерных

средств для целей точного наведения на объект. Дальномерные измере-

ния могут служить существенным дополнением, повышающим точность

измерений, при использовании других методов, например при измерении

высокоточными дальномерами для определения фигуры геоида в океа-

нах, а также иметь самостоятельное значение при синхронном измерении

трех наклонных дальностей с трех измерительных постов.

Метод привязки к наземным ориентирам (реперам) используют при

регистрации траектории объектов широкоугольными камерами с непо-

движной визирной осью. На фотоснимке изображаются одновременно

участок местности вблизи линии горизонта с несколькими (не менее

трех) реперами с известными координатами и участок траектории

объекта, находящийся в угловом поле камеры. Наличие наземных ре-

перов с точными координатами позволяет фотограмметрической обра-

боткой снимков повысить точность определения координат объекта.

Метод привязки к опорным звездам (астрометрический) нашел

наибольшее применение в космической геодезии. Он основан на фото-

графической регистрации изображения объекта на фоне опорных звезд.

Поскольку координаты опорных звезд известны с высокой точностью,

после фотограмметрической обработки снимков могут быть получены

с высокой точностью (до 1-2") координаты объекта.

Оптическую аппаратуру для измерения траектории (ОАИТ) можно

классифицировать не только по методу измерения, но и по следующим

признакам.

Закон движения визирной оси в процессе регистрации и способ

компенсации сдвига изображения объекта.

2. Тип монтировки.

3. Способ регистрации.

По признаку "Закон движения визирной оси" ОАИТ можно подраз-

делить на две основные группы.

Установки и камеры с неподвижной оптической (визирной) осью

при измерении.

2. Установки и камеры с подвижной визирной осью, или так назы-

ваемые следящие установки.

Неподвижные камеры не меняют своего положения в течение съем-

ки и их "захват" определяется величиной углового поля. К ним отно-

сятся: баллистические камеры, фототеодолиты (специальные), модер-

низированные аэрофотоаппараты (АФА).

Вторая группа оптических средств для траекторных измерений охва-

тывает обширную группу следящих установок. Они отличаются возмож-

ностью слежения за летящим объектом и для этого снабжаются специ-

альными приводами различных систем (от ручных до автоматических).

Эта группа установок обладает очевидными преимуществами по сравне-

нию с установками с неподвижными осями, но эти преимущества в зна-

чительной степени усложняют следящие установки. Это усложнение свя-

зано не только с наличием синхронно-следящих приводов, но и с необ-

ходимостью выполнять опорно-поворотные платформы надлежащей точ-

ности и системы для точной регистрации положения визирной оси в про-

странстве.

Астрометрические следящие установки, работающие по методу при-

вязки к опорным звездам, разделяются на следующие типы:

1) камеры, осуществляющие только ограниченное отслеживание

суточного движения звезд;

2) камеры, осуществляющие слежение (компенсацию сдвига изобра-

жения объекта) перемещением пленки в фокальной плоскости камеры;

3) камеры, осуществляющие слежение за объектом и звездами вра-

щением объективно-камерной части вокруг соответствующих осей;

4) камеры, осуществляющие ограниченное слежение за звездами,

ИСЗ

Рис. 132. Фотографические изображения следов ИСЗ и звезд:

а — неподвижная камера; б — экваториальная установка (отслеживание звезд);

—

отслеживание объекта следящей камерой

а также слежение за объектом вращением объективно-камерной части

и перемещением пленки в фокальной плоскости.

Камеры первого типа предназначены для регистрации ярких объек-

тов и осуществляют кратковременное отслеживание суточного движе-

ния звезд с помощью экваториальной платформы. К таким камерам

относится отечественная камера ФАС [7, 21].

Камеры второго типа принципиально не отличаются от камер с не-

подвижной визирной осью, хотя и имеют компенсацию сдвига изображе-

ния. Их обзор ограничивается угловым полем камеры. Однако возмож-

ность слежения за объектом, а также возможность установочного движе-

ния вдоль траектории позволяют зарегистрировать слабые по яркости

объекты (например, камера Панайотова).

К третьему типу относится американская камера Бейкера—Нанна

и отечественная камера ВАУ.

К четвертому типу можно отнести отечественную камеру АФУ-75.

В зависимости от возможности отслеживания объекта или звезд

в камерах создают так называемые измеримые изображения.

В неподвижной камере изображения объекта и звезд получаются

в виде следов, которые для возможности точных измерений разры-

вают специальным затвором (рис.

132,а).

Середина среднего разрыва

обычно принимается за точку, координаты которой измеряются. Время

экспонирования этой точки фиксируется и привязывается к автономной

службе единого времени с высокой точностью (для звезд - 3-5 мс,

для объекта до 0,1 мс). В следящих камерах программа измерений в за-

висимости от типа монтировки предусматривает отслеживание объекта

или звезд, а измеримые изображения создают также затворами, обычно

обтюраторными непрерывного действия (рис. 132, б, в). Еще один затвор

ограничивает длину общего следа изображения.

Систему осей (монтировку) ОАИТ можно разделить на три основ-

ных типа.

Высотно-азимутальная.

2. Экваториальная.

3. Комбинированная.

Тип монтировки определяется положением главной (первичной) оси

а —

горизонтальная,

б —

альт-азимутальная;

в —

экваториальная;

г —

трехосная

высотно-азимутальная горизонтального типа

(камера

Бейкер—Нанн);

д —

трех-

осная

экваториальная

(камера ВАУ); е —

четырехосная высотно-азимутальная

камеры при любом количестве осей. В высотно-азимутальной монтиров-

ке главная ось направлена в точку зенита, т.е. занимает отвесное поло-

жение (рис. 133, а, б, г, е). В экваториальной (параллактической) монти-

ровке первичная ось направлена в полюс мира (параллельна оси враще-

ния Земли) — (рис. 133, в, д).

Отличаясь простотой и отсутствием изгиба первичной оси, высотно-

азимутальная монтировка не позволяет отслеживать звезды или объекты

простым движением вокруг одной оси. Эта задача решается при исполь-

зовании экваториальной монтировки, однако здесь неизбежен изгиб

полярной оси, что является существенным недостатком.

Комбинацией достоинств горизонтальной и экваториальной монти-

ровки является высотно-азимутальная монтировка с экваториальной

платформой, позволяющей отслеживать звезды. Отличие от экваториаль-

ной монтировки состоит в том, что при комбинированной монтировке

отслеживание звезд ограничено небольшим промежутком времени

(2-3 мин).

Высотно-азимутальная монтировка имеет две разновидности: 1) го-

ризонтальную; 2) альт-азимутальную.

Альт-азимутальная двухосная монтировка (см. рис.

133,6)

нашла

наибольшее применение в геодезических приборах — это монтировка

теодолита. Ее недостатком при использовании в следящих системах

является то, что близзенитная зона (z « ±5°) оказывается недоступной

для наблюдений, так как скорость слежения за небесными объектами

может принимать значения от 0 до °°.

Горизонтальная монтировка (см. рис. 133, а) имеет тот же недоста-

ток вблизи точек востока и запада около горизонта.

Принципиальной особенностью этих двух разновидностей высотно-

азимутальной монтировки является то, что в горизонтальной монтиров-

ке для слежения за объектом наклоняются обе оси, т.е. плоскость накло-

на трубы занимает при повороте и слежении за объектом не только вер-

тикальное, но и сильно наклонное положение (практически до 80-85°).

В альт-азимутальной монтировке визирная ось вращается всегда только

в одной вертикальной плоскости, так как горизонтальная ось не меняет

положения относительно горизонта. Это преимущество особенно суще-

ственно при вращении труб больших телескопов. Например, именно это

обстоятельство послужило одним из оснований выбора для большого

азимутального телескопа БТА (диаметр главного зеркала 6 м) альт-

азимутальной монтировки осей.

Количество осей, как было отмечено, может быть различным. Трех-

осная монтировка любого типа позволяет отслеживать объект (напри-

мер,

ИСЗ) по дуге большого круга, четырехосная -- по дуге малого

круга.

Кинотеодолиты имеют азимутальную монтировку: Как самая про-

стая, эта монтировка применяется в неподвижных камерах как уста-

новочная .

По способу регистрации ОАИТ подразделяется на визуальную, фото-

графическую, телевизионную, фотоэлектрическую, электронно-оптиче-

скую и др.

В настоящее время наибольшее применение в космической геодезии

все еще находит фотографическая аппаратура, обеспечивавшая достаточ-

но длительный период времени наивысшую точность. Однако потенци-

альные возможности но точности лазерных и допплеровских наблюдений

выше, чем фотографических, поэтому эти методы и соответствующая

аппаратура бурно развиваются. Весьма перспективна телевизионная

аппаратура и углоизмерительная аппаратура для наведения лазерных

дальномеров.

В принципе измерительный комплекс типа оптического локатора

с телевизионной аппаратурой слежения и наведения, с высокоточной

автоматической системой регистрации положения визирной оси и ее на-

ведения в заданную точку небесной сферы с ошибкой не более 3-5",

с лазерным дальномером высокой точности представляет несомненный

интерес как для космической геодезии, так и для других видов траек-

ториых измерений.

§ 73. Кинотеодолигы

Кинотеодолиты являются основными приборами, реализующими пе-

ленгационный метод измерений (см. рис. 131, я).

Кинотеодолит предназначен для измерения в заданные моменты

времени направлений на движущийся в пространстве объект с целью

определения параметров его траектории, причем в процессе измерений

производится автоматическая регистрация результатов измерений фото-

графическим, телевизионным, фотоэлектрическим и другими спосо-

бами.

Рис.

134.

Схема регистрации направлений

иа

объект:

00'

—

визирная

ось

Пеленгационный метод измерений предусматривает одновременное

(синхронное) определение направлений

на

объект

двух измеритель-

ных постов (станций), расположенных

на

расстоянии

друг

от

друга,

называемом базой. Координаты постов

длина базы определяются гео-

дезическими методами

необходимой точностью.

Кинотеодолит аналогично теодолиту имеет

два

лимба (азимутальный

и угол места),

которых снимаются отсчеты (автоматически регистри-

руются), соответствующие направлению визирной

оси

камеры.

Направление визирной

оси

—

азимут

угол места

называются

основными направлениями

(рис. 134).

Неизбежные ошибки слежения

за

объектом

и ряд

других причин

приводят

тому,

что

изображение снимаемого объекта (точка

т) не

совпадает

перекрестием кадра камеры

О' и

характеризуется коорди-

натами

х и у

относительно последнего. Поэтому направления

на

объект

и е

отличаются

от

направлений визирной

оси 0

и е

на

величины

А(3

Ае,

именуемые поправками

основным направлениям. Таким

образом, направления

на

объект

учетом поправок определяются выра-

жениями

Приведем

без

вывода формулы

для

определения поправок

основ-

ным направлениям:

(12.1)

Д0

(12.2)

cos е

+ у sin е

или

ху sin €Q

А0

= Д0, + А0

+Д0з

= Р - Та 1— Р +

cose

cos е

ху

sin Со

—з з—-Р. (12.3)

/к

cos

где

х, у —

линейные координаты изображения объекта относительно

перекрестия кадра камеры;

фокусное расстояние камеры;

угол места визирной

оси,

считанный

лимба;

Д/3,, Д0

, Д0

— соответ-

ственно поправки первого, второго

третьего приближений, которыми

можно ограничиться

зависимости

от

точности измерений.

Поправку

основному направлению

по

углу места А

соответ-

ствующие приближения вычисляют

по

формулам:

Лк

" <Лс

cose

y sine

)

Дб

= arc sin V ; ; ; (12.4)

tg €о

Дб

= Ае

+ Дб

+ Де

= — р —

'к

УХ

у*

(-1—\—

(12

cos

Формулы

(12.2) и (12.4)

являются точными формулами

для

вычис-

ления поправок

основным направлениям

по

азимуту

ДД и по

углу

места

Де.

Необходимая точность введения поправок

угловой мере опреде-

ляет требуемую величину фокусного расстояния камеры,

так как

линей-

ная ошибка

при

измерении координат определяется предельными воз-

можностями измерительной аппаратуры

характером объекта

(при

расчете обычно принимают

Ах

—

Ау =

0,003-0,005

мм), а

соответству-

ющая угловая ошибка обратно пропорциональна фокусному расстоянию

камеры.

Фокусное расстояние современных кинотеодолитов достигает

3000 мм и

более, входное отверстие

- 400 мм и

даже более. Отсюда

особенности конструкции, связанные

большими нагрузками.

В гл. 5

указывалось,

что

осевые системы кинотеодолитов строятся

на

подшип-

никах качения.

На

рис. 135

приведен общий

вид

одного

из

зарубежных кинотеодо-

литов. Здесь

4 -

главная труба;

3 и 5 -

визиры;

2 и 6 -

штурвалы

следящих приводов;

1 и 7 -

сиденья

для

операторов.

Направления

0 и е на

двух постах должны быть измерены строго

одновременно

(с

допустимой ошибкой). Опуская обоснования, отметим,

что

это

требование одновременности относится прежде всего

синхро-

низации измерений основных направлений,

т.е.

регистрации показаний

лимбов,

на

обоих постах.

22 - B.C.

Плотников

337

Рис. 135. Кииотеодолит

EOTS

("Контр-

вейс", Швейцария)

Условие одновременности ре-

гистрации основных направлений

двумя или более измерительными

постами кинотеодолитной станции

называется условием, внешней

синхронизации.

В каждом теодолите должно

быть выполнено еще одно усло-

вие - условие одновременности

регистрации показаний лимбов и

объектов, т.е. измерение основных

направлений Д

и б

и поправок к

ним Д/3 и А

е.

Это условие называ-

ют условием внутренней

синхронизации. Оно относится к

каждому кинотеодолиту в отдель-

ности, хотя отступление от него не

должно превышать в любом кино-

теодолите измерительного комп-

лекса величины одного и того же порядка.

Измерение траектории предусматривает решение следующих основ-

ных задач:

1) последовательное определение координат летящего объекта в

пространстве и построение по ним геометрической траектории его по-

лета;

2) определение скорости и ускорения движения объекта на любом

участке траектории.

Для решения первой задачи моменты регистрации (измерения) на-

правлений на объект не обязательно привязывать к единой системе вре-

мени. Важно только, чтобы в заданные моменты времени, соответству-

ющие темпу (частоте) съемки, все кинотеодолиты станции регистриро-

вали направления на объект одновременно (выполнение условий внеш-

ней и внутренней синхронизации).

Для решения второй задачи, т.е. для определения скорости и уско-

рения движения объекта на траектории, необходимо точно знать интер-

валы времени между отдельными моментами регистрации направлений,

для чего моменты регистрации направлений должны быть привязаны к

единой для данной съемки системе времени.

Кинотеодолитные измерительные комплексы имеют, как правило,

автономную службу единого времени (СЕВ), которая кроме функции

синхронизации регистрации выполняет функцию управления всем про-

цессом съемки, осуществляющимся автоматически.

Каждый кинотеодолит имеет соответствующие блоки для приема

и формирования управляющих сигналов.

Один из постов станции является центральным. Он комплектуется

блоками системы управления съемкой и связан с остальными постами

кабельной или радиосвязью. При системе радиосвязи на УКВ длина базы

определяется условиями прямой радиовидимости с учетом высоты ан-

тенн.

Таким образом, кинотеодолит должен быть построен по классиче-

ской схеме обычного теодолита с вертикальным кругом и, кроме того,

должен иметь дополнительные блоки, узлы и системы:

1) систему автоматической регистрации основных направлений

(показаний лимбов);

2) систему автоматической регистрации положения объекта относи-

тельно визирной оси для последующего определения поправок к основ-

ным направлениям;

3) систему, обеспечивающую слежение за движущимся объектом

(осевые системы вертикальной и горизонтальной осей, синхронно-сле-

дящие и другие приводы и визирные устройства - трубы-искатели);

4) блоки и элементы, входящие в систему управления съемкой;

5) блоки и элементы службы единого времени (СЕВ);

6) систему обеспечения внутренней синхронизации.

Кроме того, кинотеодолитная станция в целом имеет систему управ-

ления съемкой с автоматической службой единого времени и систему

связи с измерительными постами, передачу на них командных сигналов

управления и получения обратных контрольных сигналов о работе аппа-

ратуры.

Современные кинотеодолиты обеспечивают измерение направлений

с ошибкой, не превышающей нескольких секунд [7]. При этом ошибка

внешней синхронизации должна составлять десятые доли миллисекунды.

Внутренняя синхронизация выполняется почти на порядок грубее.

Угловая скорость движения объекта относительно измерительного

поста, а следовательно, угловая скорость движения измерительной части

кинотеодолита достигает 20 °/с и более, частота съемки — до 40 -

50 кадров/с.

При указанной скорости вращения измерительной части кинотеодо-

лита и весьма высокой точности во избежание смаза изображения штри-

хов лимба при их регистрации время регистрации (выдержка при фото-

регистрации) не должно превышать

0,0001

с. Такая выдержка не обес-

печивается механическими затворами. Решение этой задачи оказалось

возможным с применением импульсных ламп в системах с фоторегист-

рацией и применением фотоэлектрических и других автоматических

устройств. Применение различных систем для автоматического получе-

ния отсчетов лимба и координат х и у изображения объекта и введения

этих данных в вычислительную машину позволяет ускорить получение

результата измерений. Для этого, например, регистрация изображения

объекта производится телевизионной системой, а положения визирной

оси - фотоэлектрическим устройством [7]. При кодировании отсчета

при фотографической регистрации также ускоряется процесс обработки

данных и получение окончательных результатов измерений.

Как было указано в гл. 3, при кинотеодолитных измерениях воз-

можна работа только при одном положении круга, поэтому методичес-

кие возможности исключения систематических ошибок осевых систем

отсутствуют.

22*

339