CA2268088A1

CA2268088A1 - Stellar dial navigation system

Info

Publication number: CA2268088A1
Application number: CA 2268088
Authority: CA
Inventors: David Bensoussan; Eytan Bensoussan
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-03-12
Filing date: 1999-03-12
Publication date: 2000-09-12

Abstract

L'objet de la présente invention est l'utilisation de l'image d'une micro-aiguille et de son ombre en vue de déduire par des moyens optiques et électroniques des données de navigation spatiotemporelles, L'image de l'ombre d'une microaiguille au sein d'une fibre optique est traitée de façon à ce que les grandeurs mesurées telles la hauteur de la microaiguille, la longueur et l'épaisseur de son ombre et l'orientation relative de l'ombre puissent être traitées au sein d'une unité de calcul de façon à dériver de nombreuses données spatio-temporelles telles la lattitude, la longitude locale, le temps etc de même que de nombreuses données astronomiques (distance à l'astre, diamètre de l'astre, données orbitales etc~)The object of the present invention is the use of the image of a micro-needle and its shadow in order to deduce by optical and electronic means spatial and temporal navigation data, The image of the shadow of a micro needle within an optical fiber is processed so that the measured quantities such as the height of the micro needle, the length and thickness of its shadow and the relative orientation of the shadow can be processed within '' a unit of calculation in order to derive many spatio-temporal data such as lattitude, local longitude, time etc as well as many astronomical data (distance to the star, diameter of the star, orbital data etc ~ )

Description

MÉMOIRE DESCRIPTIF
L'objet de la présente invention est d'utiliser les données d'un cadran stellaire basé sur le principe d'un cadran solaire en vue de déduire des données de navigation qu'elles soient terrestres dans le cas d'un cadran solaire ou lunaire, ou encore extra-terrestre dans le cas d'un cadran stellaire. Le principe sous-jacent est que la mécanique céleste étant d'une précision remarquable, la trajectoire des astres est prédictible avec grande précision. Les équations qui régissent ces trajectoires sont connues et peuvent étre trouvées dans tout ouvrage d'astronomie. Par ailleurs, la précision de mesure en optique a atteint un niveau étonnant et il en est de méme de la précision des calculs au moyen d'outils électroniques, optiques, ou encore optoélectroniques.
Les méthodes de navigation dépendent génëralement de données externes. C'est le cas par exemple des navigations basées sur des sources acoustiques tel le sonar ou électromagnétique, tels le radio-compas, les systèmes LQRAN, c7MÉGA, T.~CAN, GPS et d'autres encore. Les systèmes de navigation autonomes tels les systèmes de navigation inertiaux incorporant des plateformes inertielles constituent assi un système de navigation autonome. La présente invention permet d'avoir à sa disposition un moyen de navigation autonome relativement simple qui peut être utilisé de façon indépendante ou complémentaire avec un autre système de navigation. Si une microaiguille est placée à l'extrémité
d'une fibre optique placée dans une montre stellaire 1 qui peut être accrochée au poignet 1 l'image de la microaiguille et de san ombre peut être analysée et traitée au sein d'un microprocesseur ou de tout autre circuit intégré dédié à la résolution des équations de navigation. La trajectoire de l'ombre peut être analysée et suivie. Par ailleurs, l'addition d'une ou de plusieurs autres microaiguilles rattachées à l'extrêmité de fibres optiques permet d'avoir accés à un plus grand nombre de données de mesure, l'ensemble des microaiguilles formant un plan de réfërence donné. L'ombre d'une microaiguille en zigzag peut être également étudiée pour la déduction de données apatiotemporelles. DESCRIPTIVE MEMORY
The object of the present invention is to use the data of a dial stellar based on the principle of a sundial in order to deduce navigation data whether terrestrial in the case of a sundial solar or lunar, or even extra-terrestrial in the case of a sundial stellar. The underlying principle is that celestial mechanics are of a remarkable precision, the trajectory of the stars is predictable with great precision. The equations which govern these trajectories are known and can be found in any astronomical work. In addition, the measurement accuracy in optics has reached an astonishing level and so is even the precision of the calculations by means of electronic, optical tools, or optoelectronics.
The navigation methods generally depend on external data. It is the case for example of navigations based on acoustic sources such as sonar or electromagnetic, such as radio-compass, LQRAN, c7MÉGA systems, T. ~ CAN, GPS and more. Autonomous navigation systems such as inertial navigation systems incorporating inertial platforms constitute an autonomous navigation system. The present invention provides relatively independent autonomous means of navigation simple which can be used independently or complementary with a other navigation system. If a micro needle is placed at the end of an optical fiber placed in a stellar watch 1 which can be hanging on the wrist 1 the image of the micro-needle and its shadow can be analyzed and processed within a microprocessor or any other circuit integrated dedicated to solving navigation equations. The trajectory of the shadow can be analyzed and tracked. Furthermore, the addition of one or more several other micro-needles attached to the end of optical fibers allows access to a greater number of measurement data, the whole micro needles forming a given reference plane. The shadow of a zigzag micro needle can also be studied for the deduction of apatiotemporal data.

2) La présente invention vise: 2) The present invention aims:

3 Un cadran stellaire constitué d'une aiguille faisant un angle donné avec un plan de référence donné avec:
- des moyens de capturer l'image de l'aiguille et de son ombre due à la lumière provenant d'un astre donné
- des moyens de traiter les grandeurs mesurées en vue de résoudre des équations de navigation données 3) Le principe du cadran solaire remonte a l'Antiquité. Il en est fait mention dans la Bible dans le livre d'Isaie, prophète du 8é siècle avant l'ère courante (Rois II, 19-9 à 19-12). Les cadrans solaires de toutes sortes ont étë bâtis au Moyen äge et l'on peut retrouver une grande varété
répertoriées dans des ouvrages variés tels ceux de René R. J. Rohr, Sundials : History, Theory and Practice, University of Toronto Press ou celui de Denis Savoie, Gnomonique moderne, Société astronomique de France. 1997, ouvrage comportant les formules de calcul détaillées relatives à une grande variété de cadrans solaires. Au contraire des cadrans solaires existants, il n'existe pas de cadran de lecture peut être mobile dans la présente invention.
S) Relativement aux dessins qui illustrent l'invention.
la figure 1 représente le schéma synoptique d'un cadran stellaire La figure 2 représente une microaiguille collée à l'extrèmité d'une fibre La figure 3 représente un cadran stellaire portatif comprenant plusieurs micro-aiguilles.
La figure 4 représente un cadran stellaire avec une aiguille en zigzag 5) Description de l'invention Le cadran stellaire est typiquement un plan 1 au sein duquel sont placées un certain nombre de microaiguilles 2 à l'extrêmité de fibres optiques 3.
L'image vue par la fibre est analysée par des moyens optiques 4 et un calcul est ef fectué sur les principales données de mesure au sein d' une unité de 3 A stellar dial made up of a needle making a given angle with a reference plane given with:
- means of capturing the image of the needle and its shadow due to the light coming from a given star - means of processing the quantities measured with a view to solving data navigation equations 3) The principle of the sundial dates back to Antiquity. It is done mention in the Bible in the book of Isaiah, prophet of the 8th century before the current era (Kings II, 19-9 to 19-12). Sundials of all kinds were built in the Middle Ages and we can find a wide variety listed in various works such as those of René RJ Rohr, Sundials: History, Theory and Practice, University of Toronto Press or the one by Denis Savoie, Modern Gnomonic, Astronomical Society of France. 1997, work with detailed calculation formulas for a large variety of sundials. Unlike existing sundials, it there is no reading dial can be mobile in this invention.
S) Relative to the drawings which illustrate the invention.
Figure 1 shows the block diagram of a star dial FIG. 2 represents a micro needle glued to the end of a fiber FIG. 3 represents a portable stellar dial comprising several micro needles.
Figure 4 shows a stellar dial with a zigzag needle 5) Description of the invention The stellar dial is typically a plane 1 within which are placed a number of micro-needles 2 at the end of optical fibers 3.
The image seen by the fiber is analyzed by optical means 4 and a calculation is carried out on the main measurement data within a unit of

4 calcul 5. Ä titre d'exemple, un cadran stellaire permet de mesurer les données suivantes: L'aiguille 2 (également désignée par stylet ou gnomon dans la littérature) de longueur h, longueur de l'ombre de l'aiguille L dans un plan de référence 1 qui est celui du cadran, direction de l'aiguille Alpha par rapport à une direction de référence donnée dans ledit plan de référence donné et passant par la base de l'aiguille, angle d'élévation alt vers l'étoile déterminé par le rapport hauteur de l'aiguille h sur longueur de l'ombre de l'a.iguille L, angle d'azimuth de l'étoile az qui est diamétralement opposé à la direction de l'ombre (angle supplémentaire de Alpha), l'épaisseur e de l'aiguille et les variations de luminosité de l'ombre de l'aiguille. Le tracé type de l'ombre est une section conique (ellipse, droite ou hyperbole) dont l'équation est connue. Toutes ces données s'insèrent dans un système d'équations visant à trouver la lattitude, l'heure stellaire, la longitude locale (mesurée par rapport à la longitude zéro qui est celle du midi local où l'ombre a une longueur minimale), la déclinaison de l'étoile par rapport â l'axe Nord-Sud celeste Dec, la distance à l'astre etcl Ces équations peuvent étre simulées ou résolues dans un microprocesseur ou une unité de traitement dédiée tel une unité de traitement numérique ou optique 5. Ces résultats qui sont des données spatiotemporelles 6 peuvent être affichés ou être mis à contribution pour le calcul de données supplémentaires.
Le stylet du cadran stellaire peut être une microaiguille 2 collée â
l'extrêmité d'une fibre optique 3 du type 1 Bundlel . La section de l'extrêmité de la fibre optique 7 joue le rôle d'un cadran 1. L'image de la microaiguille 2 et de son ombre 8 peuvent être véhiculées par la fibre de façon à subir un traitement de calcul particulier. Pour cela, il est possible par exemple de convertir l'image vidéo en coordonnées. Ä titre d'exemple, les vidéo-grabbers disponibles sur le marché effectuent de telles lectures. Ces coordonnées relatives servent à calculer avec précision la longueur de l'ombre D dans le plan du cadran 1. Il est possible également de procéder à
des mesures intéférométriques pour un calcul plus précis. En effet, des moyens de mesure hautement sophistiqués permettant d'atteindre des précisions de mesure allant jusqu'à la fraction de la longueur d'onde optique. La hauteur de l'aiguille h est connue. Un point de référence R préférablement situé à une distance h de la base de l'aiguille p dans le plan du cadran peut servir à mesurer les variations d'angle de l'ombre. L'angle mesuré alpha ayant son sommet à la base de l'aiguille (7 est délimité par la direction de l' ombre 8 et la direction DR. Toutes ces données y compris les données de variation d'angle (dalpha/dt) et de longueur de l'ombre (dD/dt) de même que les variations relatives de l'angle (dalpha/alpha) et de la longueur de l'ombre (dD/dD) peuvent être intégrées au calcul car les dérivées de l'angle de l'ombre Alpha et de la longueur de l'ombre D sont mathématiquement calculables. La précision du calcul ne peut qu'être augmentée grâce à
l'intégration de r_es dérivées au calcul de données spatiotemporelles 6.
Enfin, l'ombre de l'aiguille 8 change d'épaisseur tout dépendant du diamètre de l'astre. L'épaisseur e'de l'ombre de l'aiguille diffère de l'épaisseur de l'aiguille e . L'ombre 8 est généralement nette à la base de l'aiguille a et moins nette à son sommet P. Si l'aiguille est cylidrique, son ombre peut être plus prononcée à l'ombre de la base de l'aiguille du fait que l'astre n'est pas considéré comme une source ponctuelle mais plutôt comme un disque de sources lumineuses ponctuelles, chacune d'elles donnant naissance à une ombre particulière. Aussi les ombres propres à ces sources ponctuelles se renforcent-elles à la base de l'aiguille tout dépendant du diamètre du disque lumineux S, de la distance L qui sépare l'aiguille de l'astre et du plan de référence sur lequel l'ombre est mesurée. Ainsi, l'ombre de l'aiguille de longueur D change d'intensité à partir d'une distance D' de la base de l'aiguille. Du fait que le soleil n'est pas considéré comme une source ponctuelle, le diamétre de l'ombre de l'aiguille à son extrêmité e'est plus large que celui de sa base e.
Dans le cas où des mesures sont espacées d'un temps t, il est possible de mesurer cet intervalle de temps dt en tenant compte des expressions analytiques des dérivées de dAlpha/dt et dD/dt comme suit:
dt = (dAlpha/dt)/ (Alphal - Alpha2) ou, dt = (dD/dt)/ (Alphal - Alpha2) Dans la mesure où l'intervalle dt peut être mesuré avec précision de façon indépendante, les expressions précédentes peuvent servir à la résolution des équations de navigation étant donné qu'à des moments et des coordonnées données, la variation de Alpha et de D pendant des durées brèves est bien connue.
Prenons le cas d'un cadran solaire terrestre. Les données de mesure permettent de déduire les relations suivantes (voir l'ouvrage de Denis Savoie mentionné plus haut); Le temps t étant mesuré par rapport au méridien du zénith (l'ombre est la plus courte à midi) correspond à une longitude locale Long (180 degrés correspondent à 12 heures de temps). L'angle Alpha peut directement représenter l'angle que fait la direction de l'ombre avec le nord géographique et sa connaissance permet alors de connaître la direction du nord géographique. La déclinaison du soleil Dec varie au courant de l'année et il est possible de corréler le jour J du calendrier à la valeur de déclinaison du soleil prévalant lors de la mesure.
h - Hauteur de l'aiguille (mesurée en laboratoire) 1 - Épaisseur de l'aiguille (mesurée en laboratoire) D - ~P (déduit des coordonnëes de l'ombre dans l'unité de calcul) - f0(Lat, t, Dec) Alpha = f1(Lat, Dec, t) Az - f2(t, Lat, Dec) - f3(alpha) Alt - f4(h, D) - f5 (Lat, Dec) Dec - f6(t, Lat, Az, alt) J - f7 (Dec) dAlpha/dt = f8(t, Lat) dD/dt = f9(t, Lat) S - f10(S, e, e', L) L - f11 (D, D', h, S) Ainsi, un tel cadran peut servir à déduire de nombreuses données astronomiques telles la distance cadran-soleil, le diamètre du soleil, la position de la terre au sein de son orbite quasi elliptique autour du soleil.
la vitesse de rotation de la terre (qui est la variation de lattitudes angulaires entre deux moments précis), le rayon de la terre (l'arc de déplacement de l'ombre est fonction du rayon d'un cercle obtenu à partir d'une sphère tronquée auquel les déplacements de l'extrêmité de l'ombre de l'aiguille est tangeant~, la vitesse angulaire momentannée et la vitesse tangeantielle de la terre dans son orbite quasi elliptique (en tenant compte des lois de Kepler) etcl Précisons qu'avec une capacité de calcul suffisante, il sera possible de résoudre des équations non linéaires décrivant les fluctuations de la trajectoire réelle de la terre par rapport â sa trajectoire elliptique théorique, parmettant ainsi de prendre en considération cette anomalie.
Si l'aiguille du cadran est remplacée par un prisme, la lumière solaire sera diffractée en couleurs spectrales reconnaissables. Toutefois, les tâches solaires en mouvement sur le disque solaire donneront naissance â de légères variations de couleur (i. e. de longueur d'onde) qui sont entre autres dépendantes de la vitesse de rotation du disque solaire sur lui-même. Ces mesures de variation de longueur d'onde peuvent servir â déterminer la vitesse de rotation du disque solaire sur lui-méme.
L'un des grands inconvénients des gnomons est que leur cadran doit âtre parfaitement horizontal. Cette contrainte peut être éliminée. En effet, si un système d'axes de référence subit des rotations ou des translations, il est possible d'exprimer par une matrice T les changements de coordonnées d'un système d'axes â un autre. Par ailleurs, les données de lecture du gnomon sont parfaitement connues lorsque le cadran est horizontal et que les axes horizontaux coincident avec les axes Nord-Sud et Est-~7uest. Les droites joignant le sommet du gnomon â l'extrêmité de l'ombre sont alors parfaitement bien définies. Aussi, les mesures prises sur un cadran non horizontal (longueur de l'ombre "D, direction relative de l'ombre "Alpha, variations de la longueur de l'ombre et de celle de sa direction relative) peuvent-elles être mises à profit en vue d'identifier le changement d'axes existant entre le cadran non horizontal et le cadran horizontal. De la sorte, il sera possible de connaître avec précision les changements d'axes ou rotations d'axes prévalant dans ces deux systëmes de coordonnées.
"D - f12(T, D, Alpha) "alpha = f13(T, D, Alphaj d"D/dt - f1~(t. D, Alpha) d"~,lpha/dt = f15(T, D, Alpha) T - f16(D. Alpha, "D. "alpha, d"~lpha/dt, d"D/dt) étant donné que les astres suivent des trajectoires bien définies, le cadran stellaire permet la lecture d'un grand nombre de données de navigation qui sont obtensibles pour autant que l'astre en question soit bien identifié.
Entre autres, la signature spectrographique d'un astre est une donnée caractéristique la vitesse de rotation du disque solaire sur lui-méme de cet astre. Les données de navigation peuvent être ramenées à un systéme d'axes céleste ou terrestre par une simple transformation de coordonnées.
Précisons qu'à l'inverse de la majorité des cadrans solaires existants, où la connaissance de la lattitude Lat doit être connue, la présente invention ne spécifie pas la connaissance de la lattitude comme donnée de base; elle est une inconnnue qu'il faut résoudre au sein de l'unité de calcul. Par ailleurs, il est possible de ne pas utiliser un cadran parfaitement horizontal. Ainsi, et dans le cas d'un cadran solaire. il sera possible de déterminer tant la direction du Nord géographique que l'inclinaison que fait le plan horizontal avec le plan du cadran.
Par ailleurs, il est possible de prévoir plusieurs cadrans lumineux placés dans un même plan 7 à même une montre stel laire 11 ( Figure 3 ) . En ef fet , étant donné que les sections coniques dépendent tant des coordonnées que de la direction du plan du cadran dans l'espace, la mesure de deux ou plus cadrans stellaires de façon simultanée permet de déduire des données importantes relativement au plan relatif du cadran par rapport à la direction d'où émanent les rayons Solaires.
Enfin, il n'est pas nécessaire d'avoir à prendre un stylet rectiligne. La calibration d'un cadran traditionnel fixe serait hautement compliquée. En effet, une aiguille coudée ou en zigzag 12 pourrait nécessiter un cadran avec une calibration fort complexe. Par contre. si l'aiguille a un ou plusieurs coudes en des endroits précis, le tracé de l'ombre de chacun des segments de l'aiguille de même que la position de l'ombre des coudes contiennent une information spatiale particulière que l'on peut également mettre à profit pour la résolution des équations de navigation.
Bien que les images de l'ombre soient prises de façon instantannée, il est possible de mesurer ces images en temps réel en pourvoyant le système de navigation d'une caméra vidéo. De la sorte, le tracë de la trajectoire des ombres constituera une source d'information non négligeable sur le déplacement spatio temporel relatif du véhicule, constituant ainsi un système de navigation en temps réel.
Dans l'espace, il n'y a pas de plan de référence simple comme sur la terre (vertical, déclinant ou horizontal). Toutefois, des instruments fonctionnant sur le principe d'une plarteforme inertielle maintenue par des gyroscopes permettent de maintenir un plan de référence particulier 10. Le problème du plan de référence est simplifié si les mesures sont faites en rapport avec le plan théorique perpendiculaire à la direction des rayons émanant d'un astre donné, Ainsi, la direction du plan du cadran par rapport â un astre particulier pourra-t-elle être connue avec grande précision.
En tenant compte de la sphère céleste bien définie en astronomie par l'axe Nord-Sud et le méridien du zénith, et que la position relative des étoiles varie tout dépendant du point d'observation dans l'espace, il est possible de procéder à un changement de coordonnées pour maintenir des coordonnées en référence à la terre.
Un véhicule spatial peut avoir en mémoire les trajectoires de divers astres et a donc la possibilité d'ajuster les mesures du cadran pour un astre particulier. I1 est également posible de prëvoir des montres 11 qui sont des cadrans stellaires qu'il est possible d'ajuster à différents astres.
Bien que les ëquations de navigation soient bien connues, la présente invention nécessite la prise en considération de nombreux effets tels ceux de paralaxe qu'il convient de corriger. Les refractions que peuvent subir les rayons lumineux dans un milieu autre que le vide tel l'atmosphëre vont constituer une source d'erreurs qu'il est possible de minimser en considérant les données de mesure relatives d'angle Alpha et de Longueur d'ombre D.
Plusieurs données, tables et almanachs astronomiques peuvent être incorporées au calcul au sein de l'unité de traitement de calcul 5 Comme plusieurs modifications partielles peuvent être apportées à l'invention ci-décrite et que plusieurs revendications apparemment différentes peuvent être ajoutées dans l'esprit de revendication de ce brevet, il est entendu que toute matière contenue dans les spécifications apportées au système de navigation par cadran stellaire ci-décrit doit être interprétée comme illustrative seulement et non limitative, 4 calculation 5. For example, a stellar dial allows to measure the following data: Needle 2 (also designated by stylus or gnomon in literature) of length h, length of the shadow of the needle L in a reference plane 1 which is that of the dial, direction of the Alpha hand relative to a reference direction given in said reference plane given and passing through the base of the needle, elevation angle alt toward the star determined by the ratio of the height of the needle h to the length of the shadow of the needle L, azimuth angle of the star az which is diametrically opposite to the direction of the shadow (additional angle of Alpha), the thickness e of the needle and the variations in brightness of the shadow of the needle. The standard shadow line is a conical section (ellipse, straight line or hyperbola) whose equation is known. All this data fit into a system of equations aimed at finding the lattitude, the time stellar, local longitude (measured with respect to zero longitude which is that of the local south where the shadow has a minimum length), the declination of the star relative to the celeste North-South axis Dec, the distance to the star etcl These equations can be simulated or solved in a microprocessor or a dedicated processing unit such as a digital processing unit or optical 5. These results which are spatiotemporal data 6 can be displayed or be used to calculate data additional.
The stylus of the stellar dial can be a micro needle 2 glued to the end of an optical fiber 3 of the type 1 Bundlel. The section of the end of the optical fiber 7 plays the role of a dial 1. The image of the micro needle 2 and its shadow 8 can be conveyed by the fiber of so as to undergo a particular calculation processing. For this it is possible for example converting the video image to coordinates. For example, the Video-grabbers available on the market perform such readings. These relative coordinates are used to accurately calculate the length of the shadow D in the plane of the dial 1. It is also possible to proceed to interferometric measurements for a more precise calculation. Indeed, highly sophisticated means of measurement to achieve precision measuring up to the fraction of the optical wavelength. The height of the needle h is known. A reference point R preferably located at a distance h from the base of the needle p in the plane of the dial can used to measure variations in the angle of the shadow. The measured angle alpha having its apex at the base of the needle (7 is delimited by the direction of shade 8 and direction DR. All of this data including data from variation of angle (dalpha / dt) and length of shadow (dD / dt) as well as the relative variations of the angle (dalpha / alpha) and the length of the shadow (dD / dD) can be integrated into the calculation because the derivatives of the angle of the Alpha shadow and the length of the shadow D are mathematically calculable. The accuracy of the calculation can only be increased thanks to the integration of r_es derivatives in the computation of spatiotemporal data 6.
Finally, the shadow of the needle 8 changes thickness depending on the diameter of the star. The thickness e 'of the shadow of the needle differs from the thickness of the needle e. The shadow 8 is generally sharp at the base of the needle a and less sharp at its top P. If the needle is cylindrical, its shadow may be more pronounced in the shade of the base of the needle because the star is not not considered a point source but rather as a disk of point light sources, each of which gives rise to a shadow particular. Also the shadows specific to these point sources are do they strengthen at the base of the needle depending on the diameter of the disc luminous S, the distance L which separates the needle from the star and the plane of reference on which the shadow is measured. So the shadow of the needle length D changes intensity from a distance D 'from the base of the needle. Because the sun is not considered a source point, the diameter of the shadow of the needle at its end is no longer wider than that of its base e.
In the case where measurements are spaced by a time t, it is possible to measure this time interval dt taking into account the expressions analytics of the dAlpha / dt and dD / dt derivatives as follows:
dt = (dAlpha / dt) / (Alphal - Alpha2) or, dt = (dD / dt) / (Alphal - Alpha2) Since the interval dt can be measured precisely so independent, the previous expressions can be used for the resolution navigation equations since at times and coordinates data, the variation of Alpha and D for short periods is good known.
Take the case of a terrestrial sundial. Measurement data allow to deduce the following relations (see the work of Denis Savoie mentioned above); The time t being measured with respect to the meridian of the zenith (the shadow is the shortest at noon) corresponds to a local longitude Long (180 degrees corresponds to 12 hours of time). Alpha angle can directly represent the angle that the shadow direction makes with north geographic and its knowledge then allows to know the direction of the geographic north. The declination of the Sun Dec varies during the year and it is possible to correlate the day D of the calendar to the value of declination of the prevailing sun during the measurement.
h - Needle height (measured in the laboratory) 1 - Needle thickness (measured in the laboratory) D - ~ P (deduced from the shadow coordinates in the calculation unit) - f0 (Lat, t, Dec) Alpha = f1 (Lat, Dec, t) Az - f2 (t, Lat, Dec) - f3 (alpha) Alt - f4 (h, D) - f5 (Lat, Dec) Dec - f6 (t, Lat, Az, alt) J - f7 (Dec) dAlpha / dt = f8 (t, Lat) dD / dt = f9 (t, Lat) S - f10 (S, e, e ', L) L - f11 (D, D ', h, S) So, such a dial can be used to deduce a lot of data such as the distance between the dial and the sun, the diameter of the sun, the position of the earth within its almost elliptical orbit around the sun.
the speed of rotation of the earth (which is the variation of the attitudes between two precise moments), the radius of the earth (the arc of displacement of the shadow is a function of the radius of a circle obtained from of a truncated sphere at which displacements from the end of the shadow of the needle is pitching ~, the momentary angular speed and the speed tangent of the earth in its almost elliptical orbit (taking into account Kepler's laws) etcl Note that with sufficient computing capacity, it will be possible to solve nonlinear equations describing the fluctuations of the real trajectory of the earth with respect to its elliptical trajectory theoretical, thus allowing to take into consideration this anomaly.
If the dial hand is replaced by a prism, the sunlight will be diffracted in recognizable spectral colors. However, the tasks in motion on the solar disc will give birth to slight color variations (ie wavelength) which are among others dependent on the speed of rotation of the solar disk on itself. These wavelength variation measurements can be used to determine the speed of rotation of the solar disk on itself.
One of the big disadvantages of gnomons is that their dial has to be perfectly horizontal. This constraint can be eliminated. Indeed, if a reference axis system undergoes rotations or translations it is possible to express by a matrix T the changes of coordinates of a axis system to another. By the way, the gnomon reading data are perfectly known when the dial is horizontal and the axes horizontal coincide with the North-South and East- ~ 7 west axes. The rights joining the top of the gnomon to the end of the shadow are then perfectly well defined. Also, measurements taken on a non-horizontal dial (length of shadow "D, relative direction of shadow" Alpha, variations of the length of the shadow and that of its relative direction) can they be used to identify the change of axes between the non-horizontal dial and the horizontal dial. In this way, it will be possible to know precisely the changes of axes or rotations of axes prevailing in these two coordinate systems.
"D - f12 (T, D, Alpha) "alpha = f13 (T, D, Alphaj d "D / dt - f1 ~ (t. D, Alpha) d "~, lpha / dt = f15 (T, D, Alpha) T - f16 (D. Alpha, "D." alpha, d "~ lpha / dt, d" D / dt) given that the stars follow well defined trajectories, the dial stellar allows the reading of a large number of navigation data which are obtainable provided that the object in question is well identified.
Among other things, the spectrographic signature of a star is a given characteristic the speed of rotation of the solar disc on itself of this star. Navigation data can be brought back to a system of axes celestial or terrestrial by a simple transformation of coordinates.
Note that unlike the majority of existing sundials, where the knowledge of Lat latitude must be known, the present invention does not not specify knowledge of lattitude as basic data; she is an unknown which must be resolved within the computing unit. Otherwise, it is possible not to use a perfectly horizontal dial. So, and in the case of a sundial. it will be possible to determine both the direction of the geographic North that the inclination made by the horizontal plane with the dial plan.
In addition, it is possible to provide several luminous dials placed in the same plane 7 on the same stel laire watch 11 (Figure 3). Indeed , since the conical sections depend both on the coordinates and on the direction of the dial plane in space, measuring two or more stellar dials simultaneously allows to deduce data important in relation to the relative plane of the dial in relation to the direction where the Sun rays emanate.
Finally, it is not necessary to have to take a straight stylus. The calibration of a traditional fixed dial would be highly complicated. In indeed, a bent or zigzag 12 needle may require a dial with a very complex calibration. On the other hand. if the needle has one or more elbows in specific places, the outline of the shadow of each of the segments of the needle as well as the position of the shadow of the elbows contain a specific spatial information that can also be used for solving navigation equations.
Although shadow images are taken instantly, it is possible to measure these images in real time by providing the navigation of a video camera. In this way, the tracing of the trajectory of shadows will constitute a significant source of information on the relative spatio-temporal displacement of the vehicle, thus constituting a system navigation in real time.
In space, there is no simple reference plane like on earth (vertical, declining or horizontal). However, instruments operating on the principle of an inertial platform maintained by gyroscopes allow to maintain a particular reference plane 10. The problem of reference plane is simplified if the measurements are made in relation to the theoretical plane perpendicular to the direction of the rays emanating from a star Given, Thus, the direction of the plane of the dial relative to a star particular can it be known with great precision.
Taking into account the celestial sphere well defined in astronomy by the axis North-South and the meridian of the zenith, and that the relative position of the stars varies depending on the observation point in space, it is possible to change contact details to maintain contact details reference to the earth.
A spacecraft can remember the trajectories of various stars and therefore has the possibility of adjusting the measurements of the dial for a celestial body particular. It is also possible to provide watches 11 which are stellar dials which can be adjusted to different stars.
Although navigation equations are well known, the present invention requires consideration of many effects such as paralaxis which should be corrected. The refractions that can undergo light rays in a medium other than the vacuum such as the atmosphere go be a source of errors that can be minimized by considering relative alpha angle and shadow length D measurement data.
Several astronomical data, tables and almanacs can be incorporated to the calculation within the calculation processing unit 5 As several partial modifications can be made to the invention described above and that several apparently different claims may be added in the spirit of claim of this patent, it is understood that any material contained in the specifications made to the navigation by stellar dial described below should be interpreted as illustrative only and not limiting,

Claims

1. Navigation system comprising a dial and a hand placed on the dial and making a known angle with the plane of the dial with:
- Ways to capture the shadow image and measure its dimensions and its direction relative to a reference point on the dial plane - Calculation means in order to calculate navigation data from measurements taken on the shadow image.

2. Navigation system comprising a dial and three hands whose lengths and directions relative to the plane of its dial are known with:
- Ways to capture the shadow image and measure its dimensions and its relative direction with respect to a given reference direction on the plan of each dial - Calculation means for calculating navigation data to from the measurements taken on the shadow image.

3. Navigation system comprising comprising multiple dials and a needle placed on each dial and making a known angle with the plane of its dial with:
- Ways to capture the shadow image and measure its dimensions and its relative direction with respect to a given reference direction on the plan of each dial - Calculation means for calculating navigation data to from the measurements taken on the shadow image.

4. Navigation system according to claim 1 or 2 wherein the needle is placed on the axis of the core of an optical fiber, the shadow of the needle being measured on the core of the fiber.

5. Navigation system according to claim 1 or 2 wherein the means to read the shadow image consist of a camera

6. Navigation system according to claim 1 or 2 wherein the means to read the shadow image consists of a video camera.

7. Navigation system according to claim 1 or 2 wherein the needle is a needle consisting of several non-aligned segments.

8. Terrestrial navigation system comprising a dial and a hand placed on the dial and making a known angle with the plane of the dial with:
- Ways to capture the shadow image and measure its dimensions and its direction relative to a reference direction in terms of dial - Calculation means in order to calculate navigation data spatio-temporal from measurements taken on the shadow image.
8. Terrestrial navigation system comprising comprising multiple dials and a needle placed on each dial and making a known angle with the plan of its dial with:
- Ways to capture the image of the respective shadows and measure their dimensions and their relative direction with respect to a direction of reference given on the plan of each dial - Calculation means in order to calculate navigation data spatio-temporal from measurements taken on the shadow image.

9. Terrestrial navigation system according to claim 1, 7 or 8 wherein the ways to read the shadow image consist of a camera

10. Terrestrial navigation system according to claim 7 wherein the means of read the shadow image consist of a video camera.

11. Navigation system according to claim 1. 7 or 8 in which the needle is prism allowing to diffract the light which reaches it and in which the means of capturing the image of the respective shadows and of measure their dimensions and their relative direction in relation to a reference direction given on the plan of each dial incorporate ways to measure the spectral wavelength vaiations of reflections projected by said prism.