DE3509449A1 - Sextant - Google Patents

Description

SEXTANT

Die Erfindung betrifft einen Sextanten und ein System für astronomische Navigation.

Zur Bestimmung einer Position auf der Erde durch astronomische Navigation benutzt der Navigator zuerst einen Sextanten, um die Höhen-Winkel oberhalb des Horizonts mindestens zweier Gestirne zu messen, die regelmäßig Sterne, Planeten, Sonne und/oder Mond sind. Der typische Sextant besitzt einen Körper, an dem ein verdrehbarer Meßarm an einem Punkt befestigt ist. Ein anpeilendes Fernrohr und ein Horizontalspiegel (auf der optischen Achse des Fernrohrs) sind auf dem Körper gelagert, und ein Spiegel ist am Meßarm im Anlenk-Punkt gelagert. Bei Benutzung des Fernrohrs wird vom Navigator der Horizont durch die durchsichtige Hälfte des Horizontalspiegels anvisiert, und durch Verdrehen des Meßarms wird der von ihm getragene Spiegel veranlaßt, auf die verspiegelte Hälfte des Horizontalspiegels ein Bild eines ausgewählten Gestirns,

z. B. eines Sterns, zu reflektieren. Eine Bogen-Fläche am Körper ist mit einer Grad-Einteilung relativ zu einer Bezugsmarke auf dem Meßarm versehen. Wenn die Stellung des Meßarms bewirkt, daß das Bild des Sterns am Horizont erscheint, gibt die Winkel-Anzeige am Bogen den Höhen-Winkel des ausgewählten Sterns an. Mikrometer-Einstellungen des Meßarms erlauben ge-

naue Ablesungen mit einer Genauigkeit von größenordnungsmäßig 1 Bogen-Minute.

Die Erfindung ist gekennzeichnet durch die Lehre nach den Ansprüchen.

Dabei hat der Grob-Codierer eine optische Spur mit vorzugsweise ca. 720 Strichen/U.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Codierer sind einfach sowie preisgünstig und sichern genaue Höhen-Anzeigen, zudem kann eine Positionsbestimmung schnell und leicht durchgeführt werden.

- s. 8 -

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1 Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig.

Fig.

Fig. 3A und 3B

15 Fig. schematisch ein System für astronomische Navigation einschließlich perspektivisch einen Sextanten;

einen Programmlaufplan zur Höhen-Ermittlung ;

Programmlaufplane zur Wahl eines Gestirns zur Beobachtung und zur Ermittlung einer Positions-Linie; und

ein hinsichtlich des optischen Codierers von Fig. 1 abgewandeltes Ausführungsbeispiel.

- S. 9 -

Aufbau

Gemäß Fig. 1 besitzt ein System 10 für astronomische Navigation einen tragbaren programmierbaren Rechner 12 (z. B. Hewlett-Packard HP41CX, programmiert mit Visierreduktions-Algorithmen und einem nautischen Jahrbuch (Almanach) und mit einem Schnittstellen-Modul 16 und einem Internchronometer-Modul 14 zur Gewinnung digitaler Vielt zeit (Greenwich Mean Time) und einen Sextanten 18. Der Sextant 18 besitzt einen Körper 20, einen Meßarm (Alhidade) 22 und ein Fernrohr 24. Der Meßarm 22 ist am Körper 20 an einem Punkt derart angelenkt, daß er um eine Meßarm-Achse 26 verdrehbar ist. Ein Teil des Körpers 20 ist als Gradbogen (Limbus) 28 eines Kreises um die Meßarm-Achse 26 ausgebildet, und eine Fläche des Gradbogens 28 ist mit einer genauen Skala versehen, um optisch die Höhe über dem Horizont in Grad anzugeben. Der Meßarm 22 besitzt eine Bezugsmarke 30 zur Anzeige seiner Lage auf dem Gradbogen 28. Die Bewegung des Meßarms 22 ist auch durch eine Mikrometerschraube 32 steuerbar, die Skalenstriche 34 auf ihrem Umfang trägt, um Minuten und lOtel Minuten relativ zu einer Bezugsmarke (nicht gezeigt) anzugeben. Ein Horizontalspiegel 38 befindet sich auf der optischen Achse des Fernrohrs 24 und besitzt eine durchsichtige Spiegelhälfte (durch die der Horizont unter Benutzung des Fernrohrs anvisierbar ist) und eine verspiegelte Hälfte, die Reflexionen von einem Indexspiegel 40 empfangen kann, der auf dem Meßarm 22 entlang der Meßarm-Achse 26 montiert ist. Licht von Gestirnen wird zuerst vom Indexspiegel 40 und dann von der verspiegelten Hälfte des Horizontalspiegels 38 reflektiert und kann durch das Fernrohr 24 gleichzeitig mit dem Horizont gesehen werden. Ein Verdrehen des Meßarms 22 um die Meßarm-Achse 22 bewirkt eine Verschiebung der scheinbaren Stellung eines beobachteten Gestirns relativ zum Horizont.

Ein optischer Mikrometer-Codierer 42 (ζ. Β. Modell 561 der Fa. Dynamics Research Corp.) ist auf der Welle einer Mikrometerschraube 32 montiert, so daß eine Drehung der Mikrometerschraube 32 eine Drehung der Welle des optischen Codierers bewirkt. Ein optischer Winkel-Codierer 44 (z. B. dasselbe angeführte Modell oder das Modell HEDS-5000 der Fa. Hewlett-Packard Co.) ist auf dem Körper 20 so montiert, daß eine Drehung des Meßarms 22 eine Drehung der Welle des optischen Codierers bewirkt. Der Sextant 10 ist durch elektrische Leitungen über den Schnittstellen-Modul 16 mit dem Rechner 12 verbunden. Leitungen 48, 46 übertragen Signale von den Codierern 44 bzw. 42 entsprechend Graden und Minuten sowie Zehntel Minuten. Eine Leitung 50 verbindet ein Beobachtungs-Betätigungsorgan 52 am Meßarm 22 mit dem Schnittstellen-Modul 16.

Eine Leitung 54 überträgt Leistung vom Schnittstellen-Modul 16 zu einer Gestirn-Leuchtanzeige 56,'die in einer derartigen Stellung montiert ist, daß sie durch das Fernrohr 34 gleichzeitig mit den vom Horizontal-Spiegel 38 erzeugten Bildern sichtbar ist.

In den optischen Codierern 42, 44 befinden sich optische Spuren, die aus opaken Mustern gleich-beabstandeter Striche bestehen, die auf transparenten Substraten niedergeschlagen sind. Der optische Codierer 44 wird benutzt, um die grobe Winkeleinstellung des Meßarms 22 zum nächsten Grad abzulesen; er ist ein kleiner kommerziell erhältlicher inkrementaler optischer Codierer mit einer Codierer-Spur von z. B. 720 Strichen/U. Eine Kombination von Leuchtdioden/Phototransistor-Paar und ein Gitter werden mit der Codierer-Spur benutzt, um eine Folge von Signalen zu erzeugen, die die Winkelstellung des Meßarms 22 bei dessen Verdrehen um die Meßarm-Achse 26 angeben. Die Codierer 42, 44 haben auch richtungserfassende Kanäle zur Abgabe von Signalen entsprechend der Drehrichtung.

Der optische Codierer 42 ist ähnlich ein preisgünstiger kommerizieller inkrementaler Codierer, der zum Ablesen der feinen Winkelstellung der Mikrometerschraube 32 benutzt wird, und er besitzt z. B. bis zu 600 Striche/U auf der Codierer-Spur, um eine Genauigkeit von 0,17 % zu erzielen.

Der Rechner 12 schließt ein Programm ein, das die Signalfolge zählt und die Drehrichtung von den Codierern 42, 44 her feststellt, die entsprechenden Winkelanzeigen für jeden Codierer ermittelt und die beiden Anzeigen verknüpft, um einen Höhen-Winkel zu ergeben, der nach Bogen-Minuten (oder Zehnteln von Bogen-Minuten, bei Bedarf) genau ist.

Betrieb

Wenn der Sextant 18 benutzt wird, um einen Höhen-Wert für ein gewähltes Gestirn, z. B. einen Stern, zu erzeugen, peilt der Navigator den Horizont an, bewegt er den Meßarm 22 um die Nullgrad-Höhen-Stellung und löst er das Betätigungsorgan 52 aus, um dem Rechner 12 mitzuteilen, daß der Meßarm 22 in 0-Stellung ist.

Gemäß Fig. 2 wird dann der Meßarm 22 verdreht (60), bis der ausgewählte Stern ungefähr auf dem Horizont im Horizontal-Spiegel 38 gesehen wird. Während der Meßarm 22 verdreht wird, gibt der Codierer 44 eine Folge von Signalimpulsen (64) an den Rechner 12 ab. Der Rechner 12 interpretiert (68) die Impulse vom Codierer 44 als den Winkel-Anteil der Höhe. Anschließend wird die Mikrometerschraube 32 verdreht (62), damit der gewählte Stern genau auf dem Horizont im Horizontalspiegel 38 gesehen wird. Während die Mikrometerschraube 32 verdreht wird, gibt der Codierer 42 eine Folge von Signalimpulsen an den Rechner 12 ab, die interpretiert werden (70) als Minuten- und Zehntel-Minuten-Anteil der Höhe.

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Wenn das gewählte Gestirn genau am Horizont sichtbar ist, wird das Betätigungsorgan 52 erneut betätigt, wodurch der Rechner 12 den momentanen Höhen-Winkel als Höhe des gewählten Gestirns nimmt. Grade, Minuten und Zehntel-Minuten werden kombiniert (72) zum Höhen-Winkel (74) des gewählten Gestirns.

Der Höhen-Winkel kann dann mit herkömmlichen Algorithmen astronomischer Navigation ausgewertet werden, um eine Positions-Linie abzuleiten.

Gemäß Fig. 3A und 3B ist der Rechner 12 auch programmiert zur Auswahl von Gestirnen für Beobachtung auf der Grundlage von ungefährer Position sowie Zeit und Datum, um die Höhen des vom Navigator beobachteten Sterns vom Sextanten 18 abzulesen und Zeit- und Höhen-Anzeigen zur Ermittlung der Positions-Linien zu erzeugen und seinerseits die Lage festzulegen. Die Koppel-Position wird zuerst geladen (80) über die Rechner-Tastatur, und die Weltzeit sowie das Datum werden automatisch aus dem Chronometer-Modul 14 abgelesen. Der Rechner 12 sucht dann das gespeicherte nautische Jahrbuch

(82) für drei geeignete Sterne ab, die in dieser Position und zu dieser Zeit sichtbar sind. Die Sterne im Jahrbuch werden nacheinander durchgegangen. Wenn die Stern-Größe nicht mindestens 2,0 beträgt (84), wird der nächste Stern im Jahrbuch angegangen (86). Wenn die Größe des ersten Sterns mindestens 2,0, jedoch seine Höhe nicht zwischen z. B. 10 % und 70 % beträgt (88) (d.h. innerhalb eines geeigneten Beobachtungsbereichs), wird der nächste Stern angegangen. Wenn der erste Stern eine Größe von mindestens 2,0 und eine Höhe zwischen 10 ° und 70 ° besitzt, wird dieser Stern für die Beobachtung ausgewählt und in einem Register (92) ausgewählter Sterne gespeichert. Ansonsten werden die aufeinanderfolgenden Sterne, wie sie im Jahrbuch aufgeführt sind, durchgegangen, bis einer ermittelt ist, der den Anforderungen hinsichtlich sowohl Größe als auch Höhe genügt. Falls keiner gefunden wird, 5 werden diese Anforderungen erleichtert und wird die Stern-

Liste erneut durchgegangen. Wenn ein Stern ausgewählt ist, werden, wenn es der erste ausgewählte ist (90), seine Identität und Eigenschaften in das Register der ausgewählten Sterne 92 eingegeben und wird ein Wert (o) gleich dem Azimuthwinkel dieses Sterns plus 120 ° gespeichert (94). Nach Eingabe in das Register kehrt das System zum Stern-Jahrbuch zurück, um einen zweiten Stern zur Beobachtung zu suchen. Diese Suche beruht nicht nur auf den Größen- und Höhen-Bereichen, die oben angegeben worden sind, sondern auch darauf, ob der Azimuth eines gegebenen Sterns innerhalb z. B. 15 ° von ο ist (93). Dadurch wird gesichert, daß die drei für die Beobachtung gewählten Sterne am Himmel unter gleichen Winkelintervallen von ca. 120 ° beabstandet sind. Sobald drei Sterne zur Beobachtung ausgewählt worden sind, nimmt das System den ersten ausgewählten Stern auf und zeigt (96) seine ungefähre erwartete Höhe auf dem Rechner an und es stimmt sich selbst so ab, daß bei Verdrehen des Meßarms 22 in eine Stellung entsprechend dieser Höhe (97) der Rechner 12 die Stern-Anzeigeleuchte 56 erregt, die dann aufleuchtet (98) für 5 s, was eine ordnungsgemäße Einstellung anzeigt. Der Rechner 12 hat als nächste Anzeige (100) den Azimuth (Kompass-Richtung), unter dem sich der gewählte Stern befindet. Der Navigator richtet den Sextanten auf diese Richtung aus, sieht den Stern am Horizont durch Einstellung des Meßarms 22 und der Mikrometerschraube 32 und betätigt (102) das Betätigungs-Organ 52, um anzudeuten, daß eine Ablesung vorgenommen werden soll. Die Weltzeit sowie Grade, Minuten und Zehntel-Minuten werden dann abgelesen und gespeichert (104), und der Rechner 12 geht dann über (106) zum nächsten Stern im Register der ausgewählten Sterne.

Auf der Grundlage der gespeicherten Höhen-Ablesung für jeden ausgewählten Stern benutzt der Rechner 12 gespeicherte herkömmliche Algorithmen astronomischer Navigation (z. B. die im Hewlett-Packard "Nav-Pac" für den HP-41CX), um eine Positions-

Linie zu ermitteln. Zusammen werden die drei Positions-Linien benutzt, um ein Positions-Fix abzuleiten unter Benutzung anderer herkömmlicher Algorithmen astronomischer Navigation (z. B. denen gemäß HP-41 "User's Library").

Wiederholte Beobachtungen desselben Sterns können durchgeführt und gemittelt werden durch den Rechner, um genauere Ergebnisse zu erzielen.

Andere Ausführungsbeispiele sind gemäß den Ansprüchen möglich. Z. B. kann gemäß Fig. 4 der optische Codierer 44 ersetzt werden durch einen optischen Codierer mit einer bogenförmigen optischen Spur 120, befestigt am Gradbogen 18, mit einem Fühler 122 zum Ablesen der Spur, befestigt am Meßarm

22. Bei derartigen Ausführungsbeispielen kann der Mikrometer-Codierer 42 weggelassen werden.

- Leerseite -

Claims (10)

PATENTANWALT' & RECHTSANWALT 3509449 . dr.jurT U. HEIDRICH •ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEY Franziskanerstr. D-8000 MÜNCHEN Tel. (089)448 5040 TeIex5 2I3 7I0eptod 15. März 1985 KUAU - DE Sextant ANS PRDCHE

1. Sextant (18)

- zur Anzeige des Winkelabstands zwischen zwei Gegenständen, gekennzeichnet durch

- zwei Glieder (20, 22),

- die an einem Anlenk-Punkt (26) miteinander verbunden sind,

- eine Stell-Einrichtung

- zum Einstellen des Winkels zwischen den Gliedern (20, 22), um den Winkelabstand zwischen den Gegenständen anzuzeigen, mit

- einem Grobsteller und

- einem Feinsteiler für den Winkel zwischen den Gliedern (20, 22), und

- zwei Codierer (44, 42)

- zum Umsetzen der jeweiligen Einstellungen des Grob- und des Feinstellers in Signale, die zusammen den Winkelabstand anzeigen.

2. Sextant nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß - die Codierer (44, 42)

- Drehwinkelcodierer sind.

3. Sextant nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß - der eine Drehwinkelcodierer - am Anlenkpunkt (26) gelagert ist.

4. Sextant nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

- der eine Codierer (42) besitzt:

- eine optische Spur (120) auf dem Gradbogen (28) eines

Körpers (20) des Sextanten (80) und - einen Fühler (122) zum Ablesen der optischen Spur

(120),

- gelagert auf einem Meßarm (22) des Sextanten (18). 15

5. Sextant nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet , daß

- die Auflösungs-Feinheit jedes Codierers

- niedriger als die Auflösung ist, die erforderlich wäre für gleiche Genauigkeit bei Anzeige des Winkelabstands unter Benutzung nur eines derartigen Codierers.

6. Sextant nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß - der Grob-Codierer - eine optische Spur mit unter als 1000 Strichen/U

besitzt.
30

7- Sextant nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß - der Fein-Codierer

- eine optische Spur mit unter 600 Strichen/U besitzt.

8. Sextant zur Anzeige des Winkelabstands zwischen Gegenständen, 10 gekennzeichnet durch

- ein erstes und ein zweites Glied (20, 22),

- die an einem Anlenk-Punkt (26) miteinander verbunden sind,

- wobei das erste Glied (20) einen Bogen um den Anlenk-15 Punkt (26) besitzt, und

- einen Codierer (44) mit

- einer Folge von Strichen auf dem Bogen, und

- einem Fühler

- auf dem zweiten Glied (22),

20 - der anspricht auf die Striche und auf die Bewegung

des zweiten Glieds relativ zum ersten Glied (20) um den Anlenk-Punkt (26), um Signale zur Anzeige des Winkelabstands zu erzeugen.

9. Sextant-System (10) für Höhen-Beobachtung, gekennzeichnet durch

- einen Sextanten (18),

- einen Speicher (12)

- zum Speichern von Bezugshöhen-Signalen für eine Anzahl Gestirne,

- einen Winkelsignalgeber (44),

- der mit dem Sextanten (18) verbunden ist zur Abgabe von Winkelsignalen entsprechend der Winkeleinstellung des Sextanten (18),

- eine Anzeige (56)

- zum Melden an den Benutzer, daß die Winkeleinstellung der Bezugshöhe eines ausgewählten Gestirns entspricht, und

- eine Vergleichsschaltung

- zum Vergleichen der Winkelsignale und der Bezugshöhensignale und zum Auslösen der Anzeige (56).

10. Sextant-System nach Anspruch 9,

gekennzeichnet durch

- Auslegung des Speichers (12)

- zum Speichern von geschätzten momentanen Positions-Signalen und Bezugsazimuth-Signalen für die Gestirne, - einen Taktgeber (14)

- zur Abgabe von Signalen entsprechend der momentanen Zeit, und

- eine Sucheinrichtung (12),

- auf den Speicher (12) und den Taktgeber (14) anspre-0 chend,

- zum Erkennen von Gestirnen für Beobachtung der geschätzten momentanen Position zu der momentanen Zeit und

- zum Wiederfinden der Bezugshöhen-Signale und der Bezugsazimuth-Signale der erkannten Gestirne.

11- Sextant-System nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch

- ein Betätigungsorgan (52)

- zum Auslösen einer Ablesung des Viinkelsxgnals entsprechend jedem erkannten Gestirn, und

- eine Auswerte-Schaltung (Fig- 3A, 3B),

- ausgelegt zum Ableiten einer Positions-Linie aus dem abgelesenen Wxnkelsignal.