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Optisch-elektronisches Winkelmeßgerät
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í)ie Erfindung betrifft ein optisch-elektronisches Winkelmeßgerät
zur vollautomatischen Messung von Sonnen- und (mit Einschränkung) Mondhühen, zur
halbautomatischen Messung von Gestirns- und Planetenhöhen, sowie zur Messung von
Vertilcal- und Horizontalwinkeln, insbesondere für Navigationszwecke.
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In verschiedenen t3eroichen, insbesondere aber in der Seefahrt, kommt
es derauf an, einen unbekannten Standort auf der Erdoberfläche mit möglichst hoher
Genauigkeit zu bestimmen. Die Sicherheit des Schiffes oder des Luftfahrzeuges, sowie
das Leben der Besatzungen hängen in hohem Maße davon ab. Hierbei sei auch an das
in aller welt immer größere Verbreitung findende Yachtwesen erinnert. Stchen für
die Standortbestimmung keine terrestrischen Bezugsmedien zur Verfögung, deren Standort
nach # und #
genau bekannt ist, So ist man auf eine Navigation
nach astronomischen Bezugspunkten angewiesen. Dazu ist cs erforderlich, die jeweiligen
Höhenwinkel von Gcstirnen mit einer Genauigkeit möglichst im lWinkelsekunden-Bereich
zu messen, auch wenn z.B. starker Seegang, verhangene Kimm, eine verschleierte oder
immer nur kurzfristig sichtbar werdende Sonne, oder ehnliche Widrigkeiten dieses
Unterfangen stark infrage stellen und haufig sogar eine halbwegs brauchbare Messung
gänzlich ausschließen.
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Sieht man einmal von Funkpeil-Einrichtungen ab, die ein gänzlich anderes
Gebiet darstellen und deren Anwendung mit hohen Anschaffungskosten für hochempfindliche
Geräte verbunden ist, umfangreiche Ausbildungen mit Lizenzen usw. voraussetzen und
deshalb und nicht nur aus den genannten Gründen nur für einen begrenzten Anwenderkreis
in Betracht kommen, so steht dem Navigierenden außerhalb des Küstenbereiches und
somit der terrestrischen Navigation auch heute noch praktisch ausschließlich der
seit Jahrhunderten bekannte und im Prinzip kaum veränderte Sextant als Navigationsmittel
zur Bestimmung seines geographischen Standortes zur Verfügung. Zwar sind in diesem
Zusammenhang im Laufe der Zeit verschiedene Verbesserungen und Zusatzeinrichtungen
für Sextanten, wie z.B. Libellenhorizonte n.ä., bekannt geworden; am archaischen
Meßprinzip als solchem hat sich jedoch nichts geändert. Eine Vorrichtung, die mit
dem erfindungsgemäßen Gerüst vergleichbar ware, ist nicht bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den zur navigatorischen
Standortsbestimmung nötigen Höhenwinkel von Himmelskörpern wesentlich einfacher,
genauer, sicherer, schneller und bequemer zu gewinnen, als dies mit den herkömmlichen
Mitteln, wie dem Sextanten, möglich ist. Der enorm vielschichtige, herkömmliche
Meß- und Bestinnungsvorgang (anhand von nautischen Tafeln, Tabellen usw.) soll entscheidend
verkürzt, bzw. ganz zum iiegfall gebracht werden.
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Es soll ein gerät geschaffen werden, bei dem für den häufigsten
in
der Praxis vor kommenden Anwendungsfall, der Sonnen-Höhenwinkel-Messung, überhaupt
kein irgendwie geartetes direktes Anvisieren der Sonne mehr nötig ist, um dennoch
auf Anhieb einen hochgenauen Sonnen-Höhenwinkel, auch unter denkbar ungünstigen
Meßbedingungen, zu erhalten.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Winkelmeßgerät
der eingangs genannten Art ein virtuelles Nullniveau, eine sogenannte EJezugsebene"
besitzt, auf die die Anordnung sämtlicher Eau- und runktionseinheiten (gleichgültig
in welcher Raumebene diese tatsächlich liegen), sowie alle gewonnenen Meßwerte und
auch sämtliche Abweichungen bezogen werden; daß ein, durch ein im Gerät unbeweglich
angeordnetes Objektiv mit grobem Feldwinkel im weiteren Strahlenverlauf auf eine
sog. Peil-Bildebene entworfen nes,Bild durch die Zwischenschaltung einer veränderbaren,
stroh lenablenkenden optischen Vorrichtung, der sog. "Bündelablenkeinheit", in den
abbildenden Strahlengang, senkrecht zur Bezugsebene kontinuierlich in der Peil-Bildebene
verschoben werden kann und der Grad der erfolgten StrahlenbündelAblenkung (Winkel
# ) in einer geeigneten Weise in einen, dem Grad der Ablenkung entsprechenden, elektrischen
Meßwert umgesetzt wird; daß Abweichungen der Längsachse # CC , sowie der Querachse
der Bezuysebene #ß aus der Horizontalen, sowie Abweichungen der Längsachse der Bezugsebene
von der Lotrechten durch die Sonnenmitte # γ, durch geeignete Meßanordnungen
ebenfalls in elektrische, zueinander äquivalente Größen umgesetzt werden; daß weiterhin
ein geeignetes Signal zur opeicherung der jeweils anstehenden Meßwerte entweder
durch einen Handauslöser gegeben werden kann, oder ein solches Signal durch einen
sog. Speichersignal-Konverter dann erzeugt wird, wenn die Abbildung der Sonne mit
ihrer vertikalen Mitte die Bezugsebene schneidet; daß desweiteren in einer geeignet
ausgelegten Zentrallocjik die jeweils anstehenden Meßwerte zu einem entsprechend
korrigierten Meßergebnis aufbereitet werden, so daß dieses einen Ausdruck des Höhenwinkels
eines jeweiligen, zur Messung bestimmten, Objektiv punktes über dem Horizont darstellt
und daß schließlich eine geeignete Okular- bzw. Suchervorrichtung zur visuellen
Erfassung eines
entsprechenden Ausschnittes des in der Peil-Uildebene
liegenden Bildes vorgesehen ist.
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Von besonderem Vorteil ist dabei, daX das Objektiv in einem 450-Winkel
zur Bezugsebene geneigt wird. Auf diese Weise werden der Horizont- und der Zenitbereich
bei horizontaler Lage der vezugsebene abbildungsseitig zu Bild-Handbereichen und
man kommt mit Feldwinkeln im Bereich um max. 50° aus. Um geräteintern wieder zu
einer entsprechend ausgerichteten Achslage zu kommen, wird bei dieser besonders
bevorzugten Ausführungsform der weitere Strahlenverlauf wieder zur Bezugsebene hin
ausgerichtet. Dies kann durch eine geeignete Spiegelanordnung, oder auch durch Umlenkung
mittels geeigneter Prismen geschehen.
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Die Bündelablenkeinheit kann auch als veränderlicher Hrismenkeil vermittels
Zylinderlinsen, oder mittels drehbar angeordneter Spiegel ausgeführt werden, wobei
der Grad der jeweiligen Ablenkung 161 immer in einen abgreifbaren, elektrischen
Meßwert - vorzugsweise mittels Potentiometer - umgewandelt wird. Erfindungsgemäß
besonders bevorzugt wird jedoch eine Ausführung mit einem Prismen-Drehkeilpaar,
da hierbei unabhängig vom maximalen Ablenkungswinkel immer eine Verdrehung der Prismenkeile
um # 90°, also insgesamt 180° von der positiven bis zur negativen blaximalablenkung
erfolgt. Auf diese Weise ist eine hohe Auflösung und große Genauigkeit der Messung
gewährleistet.
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Anstelle des starren Objektivs, der anschließenden Umlenkung, sowie
der jeweiligen Bündelablenkung zwecks Bewegung der Abbildung in der Peil-Bildebene,
kann das Objektiv auch als ein schwenkbares Fernobjektiv ausgeführt werden.
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Um die Abweichungen der Uezugsebene in deren Längs und Querachse aus
der Horizontalen mit hoher Genauigkeit und der hierfür erforderlichen Auflösung
des Meßbereiches erfassen zu können, ist es in besonderem Iviaße erfindunnsgemäI3,
durch eine der Schwerkraft folgende Spiegelfluche ein auf diese fallendes Lichtbündel,
entsprechend
der Abweichbewegung aus der Florizontalen in der jeweiligen
Richtung, abzulenken. Die zurückgeworfenen Lichtstrahlen werden auf geeignete lichtelektrische
Empfänger geleitet, die durch eine entsprechende Vergleichsschaltung aus der Verschiebung
der Lichtstromuerhältnisse zueinander einen Meßwert ableiten lassen, der ein direkter
Ausdruck für den Grad der jeweiligen Abweichung der Längs- bzw. Querachse der Bezugsebene
aus der Horizontalen ist.
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Eine in hohem Maße erfindungsgemäße Bauform sieht hierzu vor, daß
in den vier Quadranten einer in der Bezugsebene liegenden Empfängerfläche, symmetrisch
zum Koordinaten-Ursprungspunkt, jeweils gesonderte lichtelektrische Empfänger in
geeigneter Weise angeordnet sind - vorzugsweise mit einer jeweils vorgeschalteten
Kondensorlinsenanordnung. Im Ursprungspunkt der Koordinaten liegt eine geeignete
Lichtquelle, die durch eine entsprechende Öffnung gegen eine unterhalb der Empfängerfläche
liegende Quecksilber-OberflächeRentsprechend fokussiert'abstrahlt'. Die geringste
Hbrizontalabweichung der Bezugsebene führt zu einer Verschiebung des Lichtkegels
und somit zu meßbaren Lichtstrom-Intensitätsverä.nder ungen in den Quadranten zueinander.
Zweckmäßigerweise wird jeweils Quadrant I + II gegenüber III + IV für die eine Bezugsebenenachse
und Quadrant II + III gegenüber I + IV für die andere entsprechend zusammengeschaltet
und verglichen.
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Durch eine einfache Kontaktgabe des Quecksilbers beim Erreichen einer
entsprechend angeordneten, elektrisch leitenden Peilmarke, kann ein Signal gewonnen
werden, welches den Meßvorgang unterbricht, wenn die maximal zulässige Schräghaltung,
die noch korrigiert werden Icann, überschritten wird.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des WinkelmeRgerätes
werden die jeweiligen Abweichungen der Bezugsebene aus der horizontalen dadurch
meßtechnisch erfaßt, daß ein pendelnd aufgehängten Spiegel auf ihn fallendes Licht,
je nach dem Grad seiner Neigung relativ zur Bezugsebene, ablenkt und daß lichtelektrische
Empfänger den Grad dieser Abweichung durch eine Erfassung des auf diese
entfallenden
Lichtstroms in einer geeigneten und in bekannter Weise ausgeführten Vergleichsschaltung
in einen, den Grad der jeweiligen Abweichung ausdrückenden, MeBwert umwandeln. Diese
Anordnung wird getrennt, jeweils für die Längs und Querachse der Bezugsebene gesondert,
vorgesehen.
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Bei einer weiteren, möglichen Ausgestaltung der Erfindung verändert
ein entsprechend geeigneter Pendel eine Induktivität oder eine Kapazität in einer
Weise, daß daraus ein Meßwert für den Grad der jeweiligen Abweichung abgeleitet
und aufbereitet werden kann.
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Zur Dämpfung der Pendelbewegung und zur Vermeidung unerwünschter Nachschwingungen,
wird der jeweilige Pendel, bzw. der Pendelspiegel, zweckmäßigerweise von einer hiefür
geeigneten Flüssigkeit (z.8. 01) umgeben.
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Um bei der automatischen Sonnenhöhen-Messung die für entsprechende
Korrekturen notwendige Erfassung der Abweichung der optischen Achse des Gerätes
von -der Lotrechten durch die Sonnenmitte zu ermöglichen (den Winkels), wird ein
abbildender Strahlengang - vorzugsweise der von der Peil-Bildebene weiterführende
- durch geeignete Strahlenteiler gleichmäßig aufgespalten und auf zwei getrennte
Meß-Bildebenen zur Abbildung gebracht. Durch entsprechende Feldblenden in diesen
Abbildungsebenen wird der Lichtstrom über geeignete Linsen (vorzugsweise Kondensoranordnungen)
auf lichtelektrische Empfänger geleitet. Die Feldblenden sind dabei so ausgeführt,
daß sie in der Richtung der abweichungsbedingten Bildbewegung, im gegenläufigen
Sinn, als Funktion zum Grad der Abweichung,- sich ändernde Üffnungsweiten aufweisen.
Das sich solchermai3en analog zur jeweiligen Abbildung ändernde Lichtstrom-Verhältnis
an den lichtelektrischen Empfängern zueinander wird in einer geeigneten, in einer
bekannten Welse ausgeführten, Vergleichsschaltung im einen elektrischen Meßwert
umgesetzt, der einen Ausdruck für den Grad der Abweichung um den Winkel?' darstellt
- also der Abweichung der optischen Achse von der Lotrechten durch die Sonnenmitte.
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Von besonderem Vorteil ist es dabei1 die in den verschiedenen Funktionseinheiten
angeordneten, jeweiligen lichtelektrischen Empfänger so hinter den ihnen vorgesetzten
Linsen anzuordnen, daß eine ungleichmäßige Helligkeitsverteilung in den Bildebenen
(also an den Linsen)zur gleichmäßigen FlelliGkeitsverteilung - und somit folglich
auch gleichmäßigen Lichtstromänderungen - an den jeweiligen lichtelektrischen Empfängern
führt. Dies kann in einfacher Weise durch eine entsprechende Auslegung der Linsen
als Kondensoren und einer Anordnung der iichtelektrischen Empfänger im Unscharfebereich
geschehen.
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Um bei Gestirnshöhen-Messungen oder sonstigen nicht vollautomatisch
ablaufenden Meßaufgaben einen Objektpunkt auch visuell anvisieren zu können, wird
zweckmäßigerweise in einer geeigneten Lukenebene ein zur optischen Achse zentriertes
Fadenkreuz eingeblendet. Besonders erfindungsgemäß ist es, eine zusätzliche kreisförmige
Feilmarke mit der optischen Achse als Mittelpunkt mit einzublenden, welche in ihrem
Durchmesser demjenigen des in dieser Lukenebene zur Abbildung gelangenden Wondbildes
entspricht. Dies ermöglicht ein hochgenaues Anvisieren des Mondes in allen Mondphasen.
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Um die Messung eines horizontalen Sehwinkels zwischen zwei an Land
liegenden Bezugspunkten zu ermöglichen, wie dies bei der terrestrischen Navigation
üblich ist, wird erfindungsgemäß zusätzlich eine Sucheranordnung vorgesehen, deren
optische Achse in die Bezugsebene fällt. Über einen Spiegel wird sodann der Sucher-Strahlengang
zu einem strahlenvereinigenden Bauteil umgelenkt, mittels diesem es möglich wird,
das Sucherbild gleichzeitig mit dem in der Peil-Bildebene liegenden Bild zu betrachten.
An geeigneter Stelle wird in den Sucher-Strahlengang eine Peilmarke eingeblendet,
die mit der Bezugsebene gleich liegt. So ist ein Übereinanderblenden von zwei terrestrischen
Peilobjekten auf diese Peilmarke möglich und der eingestellte Winkel an der Bundelablenkeinheit
ermöglicht die Ab leitung desjenigen Meßwertes, der einen Ausdruck für den horizontalen
Sehwinkel zwischen den beiden jeweils angepeilten terrestrischen Bezugspunkten darstellt.
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Schließlich ist es besonders vortoilhaft, in einer erfindungsgemäusen
Ausführung des Winkelmeßgerätes eine elektronische Quarz-Zeitbasis mit einzubeziehen,
mittels der der jeweilige Meßzeitpunkt genau festgehalten wird. Auf diese Weise
ist die volle Integration eines Navigationsrechners möglich, so daX ausgeführte
Messungen unmittelbar zu kompletten navigatoris chen Ergebnissen aufbereitet werden
können, die da z.B. sind: Standlinien, Standorte nach geographischer Breite und
Länge, Entfernungen zu geteilten Höhenmarken usw.
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Zusammenfassend lassen sich folgende Vorteile der Erfindung besonders
hervorheben: Bei dem in der Praxis häufigsten Anwendungsfall, der Standortge winnung
nach der Sonne, bedarf es überhaupt keiner irgendwie gearteten direkten Anvisierung
mehr. Es genügt vielmehr ein ungefähres in-Richtung-Sonne-halten des Winkelmeßgerätes
innerhalb weiter Toleranzen in allen drei Raumachsen (in nachfolgend beschriebenem
Ausführungsbeispiel sind dies z.E. 250). Bei vollmondnahen Phasen gilt dabei gleiches.
Bei Gestirns-Höhenmessungen ist lediglich das jeweilige Gestirn (oder Planet) in
die Peilmarkenmitte zu visieren und ein Auslösevorgang zu betätigen, ohne auf sonstige
Bedienungsvorgänge, wie z.B. Horizontierung, Ablesung von Skalen usw., achten zu
müssen. Der große erfaßte Feldbereich ermöglicht eine leichte Auffindung von Nachtgestirnen.
Widrigkeiten wie Seegang, diffuse Kimm, unscharfer Sonnenrand usw. behindern eine
genaue Messung überhaupt nicht. Eine Messung von Horizontalwinkeln bei der terrestrischen
Navigation ist ebenso möglich, wie Distanzbestimmungen nach terrestrischen Höhenpeilmarken,
wobei in den beiden letzte nannten Einsatzformen die Möglichkeit der Computerintegration
ebenfalls die sofortige und direkte Ausgabe von fertigen Ergebnissen ermöglicht.
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Ein besonder wichtiger Vorteil der Erfindung liegt nicht zuletzt auch
darin, daß bei der Herstellung nur geringe Anforderungen an die Fertigungs-Genauigkeit
gestellt werden, da sämtliche MeBfunktionen
im Nachhinein voll
justierbar und kallibrierbar sind. Dem kommt vor allem entgegen, daß die Korrektur-Meßwerte
allesamt durch Vcrhiiltnjs-Vergleichsschaltungen gewonnen werden. Eine besondere
Robustheit und Unempfindlichkeit gegen mechanische und klimatische Heanspruchungen
ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Gerat neben der Möglichkeit der voll gekapselten
Bauweise vor allem durch den Umstand, daß bei der optimalen Ausführungsweise außer
der Bündelablenkeinheit keinerlei beweglichen Bauteile vorhanden sind.
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Das Gerät kann aufgrund seines verhältnismäßig anspruchslosen mechanischen
Aufbaus und seiner unproblematischen Elektronik zu einem marktgerechten Preis hergestellt
werden, der - industrielle Fertigung vorausgesetzt - beträchtlich unter demjenigen
billiger Sextanten liegen kann. Hierbei kommt der Umstand besonders zur Geltung,
daß die technisch-optischen Anforderungen auf einer vergleichsweise niederen Ebene
liegen, da, mit Ausnahme beim Objektiv, praktisch ausschließlich im achsnahen Bereich
gearbeitet wird. Der gesamte Komplex der automatischen Sonnen- und tvbndhöhenmessung
und aller Meßkornekturen beruht lediglich auf der Erfassung von Lichtstrom-Größenordnungen,
so daß sich hohe konstruktive Aufwendungen im optischen Bereich, wie diese sonst
bei optischen Meßgeräten erforderlich sind, (lz.B. Korrekturaufwände für Koma, Astigmatismus,
Bildfeldw6£lbung, Öffnungsfehler usw.), bei dem erfindungsgemäßen Winkelmeßgerät
weitestgehend erübrigen.
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Anhand der in den Zeichnungen dargestellten Figuren -werden bevorzugte
Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 ein schematische
Darstellung des Btindelsolenkprinzips; Fig. 2 eine schematische Gesamtdarstellung
der erfindungsgemäß bevorzugten zusführungsweise; Fig. 3 das Ausführungsprinzip
des sog. Speichersignal-Konverters zur Erzeugung des MeBsignals bei automatischer
Messung.
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Fig. 4 eine Verdeutlichung der möglichen Meßfehler, der Achslagen,
sowie den funktionalen Zusammenhang der Winkel ß u.
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Fig. 5 die Ausführungsweise der Feldblenden für die Meßwertaufbereitung
für den Winkel Y , der Seitenabweichung von der Lotrechten durch die Sonnenmitte;
Fig. r6 a) die Darstellung einer erf. gem. Meflanordnung für die Horizontalabweichungen
der Bezugsebene mittels Quecksilber-Spiegelung; b) eine gleichartige Meßanordnung
mittels Pendelspiegel; Fig. 7 ein zusammenfassendes Block-Bild einer kompletten,
möglichen Ausführungsform des Winkelmeßgerätes.
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In der schematischen Darstellung der Figur 1 a und b wird ein grundlegender
Teil des Erfindungsgedankens, die (vom Prinzip her bekannte) Bündelablenkung, kurz
verdeutlicht.
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Die objektseitige Strecke y mit den Objektpunkten H und Z wird durch
das Objektiv 1 auf die sog. Peil-Bildebene 3 als Bildstrecke y' entworfen. Die im
Strahlengang eingefügte Bündelablenkeinheit 2 ist in der Fig. 1 a in ihrer neutralen
Stellung dargestellt; der Ablenkungswinkel g ist demnach 00. Die Bündelablenkeinheit
2 ist hier als ein veränderlicher Prismenkeil gezeigt, der aus zwei Zylinderlinsen
aufgebaut ist. Die Strecke y wird demnach so in die Peil-Bildebene 3 hinein abgebildet,
daß die Mitte der bildseitigen Strecke y' von der Bezugsebene 4, in welcher auch
die optische Achse des Systems liegt, geschnitten wird.
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In der Fig. 1 b ist eine Bündelablenkung mit dem Ablenkungswinkel
ax gezeigt. Die abgelenkte Abbildungsstrecke y" ist nunmehr nach unten verschoben
und in die Bildmitte der Peil-Bildebene 3 ist der Dbjektpunkt H als Bildpunkt H"
gerückt. Ohne also das System insgesamt in seiner Lage im Raum verändert zu haben,
ist dennoch eine Abbildung in der Heil-Bildebene 3 in die Bezugsebene 4
gerückt,
wie diese anderenfalls nur durch ein vertikales Schwenken des gesamten Systems um
eine lotrecht zur Zeichenebene liegende Querachse zu Abbildung gelangt ware.
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Für eine vollautomatische Messung von Sonnen- und Mondhöhenwinkeln
wird die Bündelablenkeinheit 2 in eine Endstellung gebracht, die einem Ablenkungswinkel
von + oder - # max entspricht. Nach der Betätigung eines entsprechenden Auslösevorganges
geht die Bündelablenkeinheit 2 selbsttätig (mittels Federl<raft oder ähnlichem)
in die entgegengesetzte Endstellung. Damit durchlaufen aber sämtliche vom Objektiv
1 abgebildeten Gbjektpunkte von Z bis H die Bezugsebene 4 als entsprechende Bildpunkte.
Dies geschieht innerhalb von Sekundenbruchteilen. Der jeweils anliegende, in einer
geeigneten Weise abgenommene, elektrische Meßwert der Augenblicksstellung der Bündelablenkeinheit
2 ist ein analoger Ausdruck des Höhenwinkels des zum jeweiligen Zeitpunkt in der
Peil-Bildebene 3 auf die optische Achse 8 abgebildeten (sozusagen "angepeilten")
Objektpunktes, bezogen auf die Bezugs ebene 4.
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Bei der Sonne, oder dem Mond, die beide als kräftige Lichtquellen
gegenüber ihrer Umgebung gelten können, läßt sich nun, wie nachfolgend noch erläutert
werden wird, durch die Anwendung opto-elektronischer Mittel ein geeignetes Signal
erzeugen, welches anstehende Meßwerte aus den einzelnen Funktionsgruppen in dem
Augenblick zur Abspeicherung bringt, in dem sich die Abbildung dieser jeweiligen
Lichtquelle in einer bestimmten vorgegebenen Position in der Peil-Bildebene 3 befindet
- also, wenn z.B. die Abbildung der Sonne mit ihrem Mittelpunkt die Bezugsebene
4 schneidet.
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Die Figur 2 verdeutlicht schematisch eine zusammengefaßte Darstellung
der wesentlichen Funktionsgruppen des eingangs näher bereich neten Winkelmeßgerätes.
In dieser Darstellung wird jedoch als Bündelablenkeinheit 2 ein sog. Prismen-Orehkeilpaar
dargestellt, welches den Vorteil besitzt, daß, gleich wie groß der Strahlenablenkungswinkel
~ max (bedingt durch den Winkel der brechenden Kanten) gehalten wird, die Momentablenkung
von + # max bis d max immer
über den Winkel # #, also dem Grad
der Verdrehung der Prismenkeile gegeneinander, bestimmt wird. Da sich der Bereich
des Winkels @ zwischen + 90° und - 90° (also insgesamt über einen Bereich bis zu
1eO°) erstrecken kann, ist eine hohe meßtechnische Auflösung und damit verbunden
eine große Genauigkeit des jeweiligen Meßwertes zu verwirklichen. Dieser abgenommene
Meßwert ist jedoch noch durch die jeweiligen unvermeidbaren Abweichungen des Gerätes
aus der idealen MeBstellung (horizontallage und Ausrichtung der optischen Achse)
fehlerhaft und muß durch die weiter unten erläuterten, jeweiligen MeBwert-Korrektureinrichtungen
noch entsprechend korrigiert, bzw. bereinigt werden.
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In der nach Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist das Objektiv 1 mit
der ihm eigenen optischen Achse um 450 gegen die optische Achse 8 des übrigen Systems
und somit gleichfalls gegen die Rezugsebene 4 geneigt. Nachdem eine Erfassung von
z.B. unter den Horizont und über den Zenit hinausgehender Objekte nicht sinnvoll
ist, kann auf diese Weise der benötigte Feldwinkel des Objektivs 1 in GröRenordnungen
von maximal 450 bis 55° gehalten werden. Die endgültige Festlegung hängt davon ab,
wie groß man den Erfassungsbereich für andere Anwendungsfälle - z. B. Horizontalwinkel-Messung
bei terrestrischen Navigationsaufgaben - halten will.
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Mit "w" wird in der Figur 2 der Sehwinkel zwischen zwei Objektpunkten
im Unendlichen definiert. Das verhältnismäßig weitwinkelige Objektiv 1 bildet in
die Feldlinse 11 ab, die ihrerseits wiederum die bildseitige Lichtröhre des Objektives
1 in eine objektseitige Lichtröhre der Linse 12 umwandelt, die in der Peil-Bildebene
3 scharf abbildet. Die aus zwei entsprechend geneigten Spiegeln aufgebaute Umlenkvorrichtung
10 stellt die weitergehende Abbildung lotrecht zur Bezugsebene 4. Hei sich gegenseitig
neutralisierender Stellung der Prismen-Orehkeile mit dem Winkel # # 0° würden sich
im gezeigten Ausführungsbeispiel theoretisch die Abbildungswerhältnisse aus der
Figur 1 a ergeben. l ln der Figur 2 ist hingegen eine Stellung der Prismen-Drebkeile
mit einem Winkel + #' max (+ 90°) dargestellt. Daraus folgt der Ablenkungswinkel
+ # max
und somit kommt der im Unendlichen liegende Objektpunkt
H auf der peil-Bildebene 3 in der optischen Achse a, und damit auch in der Uezugsebene
4, als entsprechender Bildpunkt H" zur Abbildung.
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Da zur weiteren Verwendung nur ein gewisser Ausschnitt aus dem vom
Objektiv 1 erfaßten Bereich, namlich immer nur die weitere Umgebung des jeweiligen
Peilobjektes, von Interesse ist, wird dieser Ausschnitt durch die Feldblende 15
scharf begrenzt. Im beschriebenen Beispiel wird von einem Ausschnitt ausgegangen,
der einem Sehwinkel w von jeweils 25 in der Horizontalen und ebenso in der Vertikalen
entspricht. Um vernünftige Baugrößen beibehalten zu können, wird mittels einer geeigneten
Linsenanordnung 13 der Abbildungsmaßstab entsprechend gedehnt. Der durchgezogene,
bzw. gestrichelt angedeutete Strahl enverl auf verdeutlicht dies.
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Zur besserenverständigung ist die weitere Darstellung in der Figur
2 ab der Peil-Bildebene 3 um 900 um die optische Achse gedreht, so daR ab da eine
Draufsicht dargestellt ist und die gezeichneten Achslinien nicht mehr zugleich auch
Schnitte der Bezugsebene 4, sondern nur noch die optische Achse 8 darstellen.
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Die in der Peil-Bildebene 3 liegende Feldlinse 14 wandelt nun die
bildseitige Lichtröhre der Linse 12 in eine objektseitige Lichtröhre, sowohl der
Linsenkombination 16 - die ihrerseits in die Meß-Bildebenen 18 a und 18 b scharf
abbildet -, als auch der Okular-bzw. Suchervorrichtung 31 um. Durch den Strahlenteiler
17 wird der weiterführende Strahlengang aufgespalten. Über die genannte Okular-oder
(je nach Ausführungsweise) Sucheranordnung 31 kann bei den jeweiligen Meßaufgaben
der durch die Feldblende 15 bgegrenzte Bildausschnitt, oder auch davon wiederum
ein Teil, um ein Mehrfaches vergrößert betrachtet werden, wobei an geeigneter Stelle,
vorzugsweise im Bereich der Peil-Bildebene 3, eine geeignete Zielmarke (Fadenkreuz
z.B.) eingeblendet wird, um. ein genaues visuelles Anvisieren von Objekten zu ermöglichen.
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Das zweite, mit dem Strahlenteiler 17 abgespaltene Teilbündel wird
durch
die Linsenkombination 16 in seinem Maßstab derart verändert, daß in den jeweiligen
Meß-Bildebenen 18 a und 18 b, bei gegebenen Blidfelderng Abbildungen entworfen werden,
die in ihrer horizontalon Ausdehnung nach wie vor einem Sehwinkel von w # 250, in
ihrer Vertikalausdehnung jedoch einem Sehwinkel von w » ca. 1,50 entsprechen. Dies
wird durch Einfügung von geeigneten Zylinderlinsen in die Linsenkombination 16 erreicht.
Der solchermaRen in seinen Maßstabsverhältnissen veränderte Strahlengan wird nunmehr
erneut im Strahlenteiler 19 aufgeteilt und es werden auf diese Weise drei Meß-Bildebenen
- zweimal 18 a und einmal 18 b - der Linsenkombination 16 mit identischen AbbildungsmaBstäben
und wenigstens zwei, nSmlich die Meßbildebenen 18 a, auch mit identischen Lichtstromverhältnissen
geschaffen.
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Die in den beiden Meß-Bildebenen 18 a liegenden Kondensoren 21 gehören
zum sog. Meßwertumsetzer 20 (in Fig. 7) für den Winkel # , in welchem, wie gesagt,
die Abweichung der optischen Achse 8 von dor Lotrechten durch die Sonnenmitte in
einen geeigneten Korrekturmeßwert 171 umgesetzt wird, worauf nachfolgend noch näher
beschreibend eingegangen wird. Den Kondensoren 21 nachgeordnet sind sodann die lichtelektrischen
Empfänger 22, die mittels einer geeigneten, in bekannter Weise ausgeführten Vergleichsschaltung
den Meßwert IYI für die jeweilige Abweichung liefern. Die gezeigte Kondensoranordnung
26 und die lichtelektrischen Empfänger 27 sind Teile des Speicher~Signal~Konverters
25 (nach Fig. i), wie dieser anhand der Figur 3 näher erläutert wird.
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Die Figur 3 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausführungsweise
des Speichersignal-Konverters 25 (Fig. 73a Die MeB-Bildebene 18 b, die diesem Speichersignal-Konverter
zugeordnet ist, ist dabei symmetrisch zur Bezugsebene 4 in vier voneinander getrennte
Sektoren, a, b, c, d, aufgeteilt. Diese Sektoren sind darüberhinaus seitengleich
zur Lotrechten der optischen Achse g auf die Bezugsebene 4 angeordnet. Aufgrund
vorangegangener Beschreibungen ergibt sich, daß nunmehr (eine entsprechende Stellung
der
Bündelablenkeinheit 2 vorausgesetzt) die Sonne als Lichtbalken
mit hoher Lichtstrom-Intensität als Sonnenmeßabbilduny 28 immer Ubor mindestens
zwei und höchstens drei der vier Sektoren (a, b, c und d) hinweg zur Abbildung gelangt.
Mittels einer entsprechenden Vergleichsschaltung der nachgeordneten Lichtelektrischen
Empfänger 27 wird ein geeignetes Meßsignal in dem Augenblick erzeugt, in dem sich
die Sonnenmeßabbildung 28 mit ihrer vertiketen Mitte genau in der Bezugsebene 4
befindet. Es ergeben sich domnach folgende logischen BedingUngen für das Meßsignal:
a d; b = c; a + b; c * d; b+c >> a+d.
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Die jeweiligen Bauhöhen der Sektoren b und c sind so angelegt, daß
sie einen Sehwinkel von w> 0°33', also etwas mehr als denjenigen des Sonnendurchmessers,
erfassen.
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Anhand der Figur 4 sollen die möglichen Meßfehler und deren Abhängigkeit
von- und zueinander, sowie die Achslagen verdeutlicht werde. Hierzu sei zunächst
festgelegt, daß die Abweichung der optischen Achse 8 (und damit auch der Bezugsebenen-Längsachse
5) aus der Horizontalen 32 als Winkel CL bezeichnet wird. Der Ablenkungswinkel #
aus der Bündelablenkeinheit 2 muß selbstverstandlich um den Wert für den Winkel
cc korrigiert werden. Eine Abweicung der Bezugsebenen-Querachse 6 aus der Horizontalen
32, festgelegt als Winkel p , macht aber nun den Winkelmeßwert iaCiseinerseits um
so fehlerhafter, je größer der Winkel -y ist. die mit "h" gekennzeichnete Strecke
macht dies sichtbar. Der Meßwert für den Winkel PC muß also, als Funktion von ß
und γ nochmals korrigiert werden; und zwar um den Korrektur-Meßwert |αk|
für den Winkel CC. Nach entsprechender Entwicklung und anschließender Herauskürzung
ergibt sich hierfür folgende Berechnungsformel: tan αk = tan ß # tan # # cos
Die Transformation der jeweiligen Meßwerte nach der vorstehenden Gleichung findet
in der weiter unten noch zu beschreibenden Zentrallogik statt.
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Die Figur 5 zeigt einen erfindungsgemßen Ausführungsvorschlag des
Meßwertumsetzers 20 (nach rig. 7) zur Erzeuguno eines Meßwertes für den Winkel ?,:
sio
bereits weiter oben beschrieben wurde, ergeben sich an den in ion beiden getrennten
Meßbildebenen 18 a angeordneten Kondensoren 21 die gleichen Abbildungsbedingungen;
nämlich ein Erscheinen der Sonnenmeßabbildung 28 in Form eines schmalen Lichtbalkens
mit hoher Lichtstrom-Intensität. An den Kondensoren 21 sind die Feld blenden 24
vorgesehen, deren Meßbildausschnitte 23 sowohl zur Bewgeebene 4, als auch zum Lot
g der optischen Achse auf die Beeugtebene 4 symmetrisch ist. Die Meßbildausschnitte
23 selbst sind dabei so gestaltet, daß eine Verschiebung der Sonnenmeßabbildung
?8 entlang der Bezugsebene 4 zu einer, analog zur Verschiebung li-@earen, Veränderung
der Öffnungsweiten führt, was durch die gezeigte keilförmige Ausführung der Feldblenden
24 in idealer Weise errOllt ist. Desweiteren werden die beiden Feldblenden 24 jeweils
so Ln den MeB-Bildebenen 18 a angeordnet, daß eine Bewegung der Sonnenmeßabbildung
28 in der Bezugsebene 4, in Bezug auf die Öffnungsweiten-Änderung. gagensinnig verläuft.
Dies bedeutet: Eine Zunahme des durchgelassenen Lichtstromanteils aus der Sonnenmeßabbildung
28 an dem einen Kondensor 21, hat eine gleich große Abnahme am anderen zur Folge;
die Gesamtmenge bleibt jedoch stets gleich.
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Durch eine in bekannter Weise ausgeführte, geeignete Vergleichsbeschaltung
der den Kondensoren 21 nachgeordneten lichtelektrischen Empfänger 22 wird sodann
ein hochgenauer Meßwert für den Grad der jeweiligen Abweichung iri gewonnen. Wie
in der Figur 5 weiter- dargeatellt wird, ist es besonders vorteilhaft und erfindungsgemäß,
die maximale senkrechte Ausdehnung der MeBbildausschnitte 23 (mit z.B.
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w 0,4 ) kleiner zu bemessen, als diejenige der Sonnenmeßabbildung
28, die ja, bedingt durch den feststehenden Sonnendurchmesser, immer w # 0°33' (ohna
Befrektionseinflüsse) beträgt. Auf diese Weise sind in jedem Fall eindeutige Meßbedingungen
gewährleistet.
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Anhand der Figuren 6 a und 6 b werden zwei Ausführungsbeispiele der
Meßenordnungen zur Bestimmung der Horizontalabweichungen der Längsachse (5), bzw.
der Querachse (6) der Bezugsebene 4 um die jeweiligen Winkel OC und A gezeigt. Eine
in ganz besonderem MaR erfindungsgemäße Bauform stellt die Figur 6 a dar:
in
einem gekapselten Behälter 47 liegt Quecksilber 46. In der Bezugsebene 4 liegen
die in den vier Quadranten der über dem Queckbilberspiegel liegenden Ebene jeweils
angeordneten Kondensoren 36.
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im Kreuzungspunkt der Koordinaten ist eine Öffnung zum Durchtritt
des LichtbOndels aus der Lichtquelle 35 vorgesehen. Durch eine gesignete fokussierung
wird der Durchtritt eines hohen Lichtstrom~ anteile ebenso erreicht, wie eine in
ihrer Ausdehnung abgegrenzte LouchtfIäche auf den jeweiligen, in den einzelnen Quadranten
liewenden Kondensoren 36. Den vier Kondensoren ist jeweils ein lichtulaktrischer
Empfänger 37 nachgeordnet. Bei horizontal liegender llezugsebene entfällt auf alle
vier Quadranten der gleiche Lichtntromanteil. Zur Feststellung von Abweichungen
aus der Horizontalen und somit entstehender Ungleichverteilungen der Lichtströme
werden jeweils die lichtelektrischen.Empfanger aus Uuadrant 1 und II sowie diejenigen
aus Quadrant III und IV zusammengeschaltet, um Abweichungen in der einen. Achsrichtung
registrieren zu können, sowie die lichtelektrischen Empfänger aus den Quadranten
I und IV gegenüber denjenigen aus Quadrant 11 und III um daraus Abweichungen in
der anderen Koordinatnachse ableiten zu können. In einer geeigneten Vergleicheschaltung
werden die jeweiligen Meßwerte |α| und |ß| aufbereitet. Dies sind die Meßwertumsetzer
33 a und b nach Figur 7.
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An geeigneter Stelle am Rand des Quecksilberbehälters 47 angebrachte
Kontakte 4B erlauben es darüberhinaus, ein Signal dann zu erzeugen, wenn die Neigung
der Bezugsebene 4 über einen bestimmten, innerhalb der Meßtoleranzen liegenden Bereich
hinausgeht. In diesem Fall kann der Meßvorgang unterbrochen und dieses in einer
geeigneten Weise zur Anzeige gebracht werden.
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Die Figur 6 b zeigt eine weitere erfindungsgemäße Bauform der eR-anordnung
zur Feststellung der Horizontalabweichungen der Bezugsebene ne 4, die einen Teil
der Meßwertumsetzer 33 a und 33 b nach Figur 7 darstellt. Hier ist ein Spiegel 34
pendelnd so aufgehängt, daß die Pendelachse 34 a in der Bezugsebene 4 liegt. Ein
von einer, ebenfalls in der Bezugsebene 4 angeordneten, Lichtquelle 35 ausgehendes
Lichtbündel wird vom Pendelspiegel 34, je nach dem Grad der Abwei
chung
seines Einfallslotes aus der Horizontalen, lotrecht zur c3ezuosobone 4 positiv oder
negativ abgelenkt. Die beiden lichtelektrischen Empfänger 37 sind symmetrisch zur
Bezugsebene 4, lotrecht zU dieser, zu beiden Seiten der Lichtquelle 35 angeordnet.
Die den llchtelektrischen Empfängern 37 vorgesetzten Kondensoren 36, die vorzugsweise
als Zylinderlinsen ausgeführt sind, lenken die reflektierten Lichtbündel auf die
Empfängerflächer 37. Durch eine in bekannter Weise ausgeführte Vergleichsbeschaltung
im jeweiligen MeB-wertumsetzer 33 a für |α| und 33 b für |ß| werden die sich
ergebenden Lichtstromverhältnisse zueinander in die entsprechenden Meßwerts zur
Korrektur der Grundmessung aufbereitet.
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Die Figur 7 zeigt ein Blockbild eines erfindungsgemäßen Winkelmeßgerätes
der eingangs beschriebenen Art: In oinem Teil der Zentrallogik 41, dem Meßberichtigungs-Konverter
4D, werden die jeweils anstehenden Meßwerte aus den Meßwertumsetzern 20 (für Winkel
γ) und 33 b (für Winkel ß 3 nach der vorgehend erwähnten Formel zum Korrekturmeßwert
|αk| umgesetzt. Sowohl |αk|, als auch der Meßwert für den Winkel CC
aus dem Meßwerte setzer 33 a (tfür Winkel α ) werden sodann dem Korrektur-Konverter
38 a zugeführt und dort zu einem bereinigten Korrekturwert für den Meßbetrag|#k|
für den Winkel J aus der Bündelablenkeinheit 2 summiert, Der solchermaßen bereinigte
Korrekturwert |#k| schließlich rvird zusammen mit dem aus der Bündelablenkeinheit
2 gewonnenen Meßbetrag für den Winkel J dem Korrektur-Konverter 38 b zugeführt und
dort erneut summiert, so daß schließlich der endgültige Meßwert|#c| der Sample-#
Hold-Schaltung 39 beaufschlagt wird.
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Durch die ODER-Logik 30 gelangt ein geeignetes Speichersignal an die
Sample- & Hold-Schaltung 39 entweder von einem Handauslöser 29 kommend, oder,
bei automatischen Messungen von Sonnen- oder Mondhöhen, vom Speichersignal-Konverter
25. Der solchermaßen im Augenblick einer Messung festgehaltene Meßwert für den winkel
# (|#k|) wird anschließend der Zentrallogik 41 zugeleitet, wo er in entsprechender
Weise weiter aufgearbeitet wird (Refraktionsberichtigung,
Zeitgleichung.
usw.). Gleichzeitig mit der Meßwertspeicherung wird über die ODER-Logik 30 auch
die jeweilige Zeit "t" in der Zeitbasis 42 gestoppt. Zusammen mit den Meßergebnissen
aus der Zentrallogik 41 können sodann in der Computereinheit 43, die als handelsüblicher
Navigationsrechner extern, oder, als entsprechend programmierter Mikro-Prozessor
voll im Gerbt integriert, zur Anwendung kommen kann, fertige Navigationsergebnisse
bis hin Zu Standlinien, oder, je nach Umfang und Auslegung der Peripherie 44, fertigen
Koordinaten. eines Standortes nach f und A zur Ausgabe kommen.