DE4129631A1 - Hoehenwinkelmessgeraet - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Höhenwinkelmeßgerät mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmalen.

Bei der traditionellen Astronavigation bestimmt ein Navigator seine Position auf der Erdoberfläche gewöhnlich durch Messung der Winkel mindestens zweier Himmelskörper, typischerweise Sterne, Planeten, der Sonne oder des Mondes, über dem realen Horizont (Kimm) mittels eines Marine- Sextanten. Alternativ kann auch ein Libellen-Sextant verwendet werden, bei dem die Winkel bezüglich eines künstlich erzeugten Horizonts gemessen werden. Die gemessenen Winkel werden jeweils zusammen mit dem Zeitpunkt der Messung unter Verwendung von vorberechneten Tabellen, eines Rechengerätes oder eines in den Sextanten eingebauten Computers zur Bestimmung einer Positionslinie verwendet. Die Messung des Winkels zwischen dem Himmelskörper und dem Horizont sowie die Errechnung der Position wurden bisher hauptsächlich manuell und erst in jüngerer Zeit elektronisch durchgeführt.

Bei Vermessungs- und Bauarbeiten ist es bekannt, den Winkel zwischen einem künstlichen Horizont und einem anvisierten Punkt, wie der Spitze eines Gebäudes oder einem Vermessungs­ punkt zu messen und hieraus die Höhe des anvisierten Punktes zu bestimmen.

Der vorliegenden Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, solche Messungen einfacher, schneller und kosten­ günstiger durchführen zu können als bisher.

Gemäß einem ersten Aspekt bestimmt die Erfindung ein Höhen­ winkelmeßgerät, welches eine Beobachtungs-, Ziel- oder Peil­ vorrichtung mit einer optischen Achse zum Anvisieren eines Objekts enthält und ferner einen elektronischen Höhenwinkel­ sensor, der mit der Peilvorrichtung verbunden ist und eine elektrische Charakteristik aufweist, welche den Höhenwinkel bezüglich der optischen Achse angibt und eine Reproduzier­ barkeit von mindestens 6 Bogenminuten im Winkelmeßbereich des Sensors aufweist.

Bevorzugte Ausführungsformen enthalten mindestens eines der folgenden Merkmale: Der elektronische Höhenwinkelsensor ist ein elektrolytischer Neigungssensor mit einer Reproduzier­ barkeit von mindestens einer Bogenminute innerhalb seines Winkelbereiches; der Winkelbereich beträgt ±30°, vorzugs­ weise ±60° bezüglich einer Achse des elektronischen Höhen­ winkelsensors. Bei gewissen Ausführungsformen ist die Peil­ vorrichtung ein Fernrohr, bei anderen ein Infrarotdetektor.

Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung generell einen Sextanten mit einer Visier- oder Peilvorrichtung, welche eine optische Achse hat und zum Anvisieren eines Objektes dient, sowie einen elektrolytischen Neigungssensor, der an der Peilvorrichtung angebracht ist und einen Meß­ winkelbereich von mindestens ±30° von einer Achse des elektrolytischen Neigungssensors sowie eine Reproduzierbar­ keit von mindestens 6 Bogenminuten innerhalb des Meßwinkel­ bereiches aufweist.

Bevorzugte Ausführungsformen weisen die folgenden Merkmale auf: Der elektrolytische Neigungssensor hat einen Meßwinkel­ bereich von mindestens ±60° bezüglich der Achse des elektro­ lytischen Neigungssensors und eine Reproduzierbarkeit von mindestens 1 Bogenminute im Meßwinkelbereich.

Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung generell ein Höhenwinkelmeßsystem mit einem Höhenwinkelmeßinstrument, welches eine Visier- oder Peilvorrichtung mit einer opti­ schen Achse zum Anvisieren eines Objekts und einen elek­ tronischen Höhenwinkelsensor enthält, welch letzterer an der Visiervorrichtung angebracht ist und eine elektrische Charakteristik aufweist, welche den Höhenwinkel bezüglich einer Achse des elektronischen Höhenwinkelsensors anzeigt und der ferner eine Reproduzierbarkeit von mindestens 6 Bogenminuten im Meßwinkelbereich des elektronischen Höhen­ winkelsensors hat und weiterhin einen Prozessor zur Ge­ winnung eines Höhenwinkels aus der elektrischen Charakteri­ stik.

Bevorzugte Ausführungsformen weisen mindestens eines der folgenden Merkmale auf: Das System enthält weiterhin einen Prozessor, um aus der elektrischen Charakteristik bei manchen Ausführungsformen mittels einer elektronischen Tabelle z. B. eines PROM, den wahren Elevationswinkel und bei anderen Ausführungsformen die astronomische Höhe eines Himmelskörpers oder Gestirns zu ermitteln. Das System enthält ferner eine Uhr, die mit dem Prozessor zur Gewinnung des Höhenwinkels verbunden ist und ein die Zeit angebendes elektrisches Ausgangssignal liefert. Der Prozessor enthält bei gewissen Ausführungsformen eine Anordnung zur Ermittlung einer Positions- oder Standlinie und in anderen Ausführungs­ formen eine Anordnung zur Ermittlung einer Position auf der Erdoberfläche aus der elektrischen Charakteristik und dem elektrischen Ausgangssignal. Der elektronische Höhenwinkel­ sensor ist ein elektrolytischer Neigungssensor mit einer Reproduzierbarkeit von mindestens 1 Bogenminute im Meß­ winkelbereich, und er hat einen Meßwinkelbereich von mindestens ±30°, vorzugsweise ±60° bezüglich einer Achse des elektronischen Höhenwinkelsensors. Die Visiervorrichtung enthält bei gewissen Ausführungsformen ein Teleskop und bei anderen Ausführungsformen einen Infrarotbildwandler. Das System enthält ferner eine mit dem Prozessor verbundene Anzeige für den Höhenwinkel.

Gemäß einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der astronomischen Höhe oder des Höhenwinkels eines Gestirns mit den Verfahrensschritten, eine Peillinie zu dem Gestirn herzustellen, den Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung eines elektronischen Höhenwinkelsensors zu ermitteln und die astronomische Höhe auf der Basis des gemessenen Höhenwinkels zu errechnen.

Gemäß wieder einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der astronomischen Höhe eines Himmelskörpers mit den Verfahrensschritten, eine insbesonde­ re elektronische Tabelle aufzustellen, die eine Mehrzahl von Höhenwinkeln, wie sie durch einen elektronischen Höhenwinkel­ sensor gemessen werden, mit wahren Höhenwinkeln korreliert, eine Visier- oder Peillinie zu einem Himmelskörper herzu­ stellen, den Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung des elektronischen Höhenwinkelsensors zu ermitteln, den Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung der Tabelle in einen wahren Höhen­ winkel umzusetzen und eine astronomische Höhe auf der Basis des wahren Höhenwinkels zu errechnen.

Gemäß wieder einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung generell ein Verfahren zum Gewinnen einer Positions- oder Standlinie mit den Verfahrensschritten, eine Peillinie zu einem Gestirn herzustellen, den Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung eines elektronischen Höhenwinkelsensors zu ermitteln, den Zeitpunkt der Messung des Höhenwinkels festzustellen und eine Positions- oder Standlinie unter Verwendung des Höhenwinkels und der Zeit zu gewinnen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft die Erfindung generell ein Verfahren zum Gewinnen einer Positions­ oder Standlinie, bei welchem eine Tabelle aufgestellt wird, welche eine Mehrzahl von Höhenwinkeln, wie sie durch einen elektronischen Höhenwinkelsensor gemessen werden, mit wahren Höhenwinkeln in Beziehung setzt, eine Visierlinie zu einem Himmelskörper hergestellt wird, der Höhenwinkel zwischen der Visierlinie und dem Zenit unter Verwendung des elektroni­ schen Höhenwinkelsensors bestimmt wird, die Zeit der Bestimmung des Höhenwinkels festgestellt wird, der Höhen­ winkel zwischen der Visierlinie und dem Zenit unter Ver­ wendung der Tabelle in einen wahren Höhenwinkel umgesetzt wird und eine Standlinie unter Verwendung des wahren Höhen­ winkels und der Zeit ermittelt wird.

Gemäß wieder einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Astronavigation, bei welchem eine Visier- oder Peillinie zu einem Himmelskörper hergestellt wird, der Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung eines elektronischen Höhenwinkelsensors ermittelt wird, die Zeit der Ermittlung des Höhenwinkels festgestellt wird und die Position auf der Erdoberfläche unter Verwendung des Höhenwinkels und der Zeit festgestellt wird.

Gemäß wieder einem anderen Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Astronavigation, bei welchem eine Tabelle auf­ gestellt wird, welche eine Mehrzahl von Höhenwinkeln, wie sie durch einen elektronischen Höhenwinkelsensor gemessen werden, mit wahren Höhenwinkeln korreliert, ein Gestirn oder Himmelskörper längs einer Visierlinie angepeilt wird, der Höhenwinkel zwischen der Visierlinie und dem Zenit unter Verwendung des elektronischen Höhenwinkelsensors bestimmt wird, die Zeit der Bestimmung des Höhenwinkels festgestellt wird, der Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung der Nachschlagetabelle in einen wahren Höhenwinkel umgewandelt wird und eine Position auf der Erdoberfläche unter Verwendung des wahren Höhenwinkels und der Zeit ermittelt wird.

Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß viele Arbeiten vereinfacht oder überhaupt erst ermöglicht werden und daß erhebliche Kosteneinsparungen erzielt werden können. Die Erfindung nutzt die vorteilhaften Eigenschaften von elektronischen Neigungssensoren aus, insbesondere deren hohe relative Genauigkeit und damit die sehr gute Reprodu­ zierbarkeit der Meßergebnisse in einem großen Winkelbereich.

Ein elektronischer Höhenwinkelsensor, wie er bei der vorliegenden Erfindung Anwendung findet, gibt den Winkel zwischen einem Objekt und dem Zenit in dem Zeitpunkt an, in der das Objekt beobachtet bzw. angepeilt wird und der Sensor aktiviert oder eingeschaltet ist. Um eine genaue Messung des Winkels zwischen dem Objekt und dem Zenit durchzuführen, braucht das Objekt daher nur so lange angepeilt zu werden, wie für die Aktivierung des Sensors und die Gewinnung eines Ausgangssignals vom Sensor nötig ist, das Ausgangssignal kann dann in einen absolut genauen Winkelwert umgewandelt werden.

Bei der Erfindung ist es also nicht wie bei der Astro­ navigation mit einem Marine-Sextanten erforderlich sowohl ein Gestirn (z. B. einen Stern oder einen Planeten oder die Sonne) und den Horizont gleichzeitig anzupeilen. Die Er­ findung ermöglicht eine Navigation auch dann, wenn der Horizont nicht sichtbar ist, z. B. wenn Regen, Dunst, Wolken oder Geländeformationen den Horizont verdecken und auch an Land, wo der Horizont selten sichtbar ist. Für die Anwendung der Erfindung ist es lediglich erforderlich, daß ein Himmels­ körper angepeilt werden kann. Dies ist besonders bei der Astronavigation unter Verwendung von Sternen und Planeten von Vorteil, da diese im allgemeinen nur während der kurzen Zeitspannen der Abend- und Morgendämmerung gleichzeitig mit dem Horizont sichtbar sind.

Die Erfindung ermöglicht die Messung des Winkels zwischen einem Gestirn und dem Zenit durch ganz kurzes Anpeilen, da der Himmelskörper nur so lange sichtbar zu sein braucht, wie für ein Anpeilen mit der Ziel- oder Peilvorrichtung und die Erzeugung eines diesen Winkel angebenden Ausgangssignals des elektronischen Höhenwinkelsensors erforderlich ist. Die Erfindung ermöglicht eine Navigation auch unter schnell wechselnden Bedingungen, z. B. wenn die Wolkendecke nur kurzzeitig aufreißt.

Für die Erfindung sind auch keine besonders ruhigen Verhältnisse notwendig, da das vorliegende Höhenwinkelmeß­ gerät bei der Peilung nicht in horizontaler Position gehalten zu werden braucht. Die Erfindung kann daher bei vielen Verhältnissen Anwendung finden, bei denen eine Navigation und Vermessung bisher schwierig oder sogar unmöglich waren. Insbesondere gestattet die Erfindung eine Navigation bei rhythmisch instabilen Verhältnissen durchzuführen, bei denen eine Navigation mit Sextanten, die einen künstlichen Horizont enthalten oder mit Libellensextanten unmöglich wäre; bei diesen bekannten Geräten ist es zwar nicht erforderlich, die Kimm anzupeilen, sie werden jedoch leicht durch eine Resonanz mit den Bewegungen des Fahrzeugs gestört und erfordern daher ziemlich ruhige Verhältnisse.

Wenn das vorliegende Höhenwinkelmeßgerät außerdem mit einem Infrarot-Bildwandler ausgerüstet ist, kann die Sonne durch eine geschlossene Wolkendecke oder durch Nebel hindurch angepeilt werden, solange die Dicke der Wolkendecke oder des Nebels nicht so groß ist, daß die Sonne durch den Infrarot­ detektor nicht mehr wahrgenommen werden kann. Bei ge­ schlossener Wolkendecke oder Nebel war bisher eine Astro­ navigation mit den bekannten Verfahren praktisch immer unmöglich.

Die Erfindung ermöglicht ferner eine erhebliche Einsparung von Kosten. Bei der Erfindung wird die Präzision, d. h. die Meßwert-Reproduzierbarkeit und nicht die absolute Genauigkeit eines Höhenwinkelsensors bei Arbeiten, wie Navigation und Vermessung, ausgenutzt, wo an sich eine hohe absolute Genauigkeit der Messungen erforderlich ist. Handelsübliche Sensoren mit der erforderlichen Präzision und dem erforder­ lichen Winkelbereich für die vorliegenden Zwecke sind ver­ hältnismäßig preiswert, anscheinend weil sie keine extreme absolute Genauigkeit aufweisen müssen. Außerdem können diese Sensoren mit handelsüblichen und verhältnismäßig preiswerten Zielvorrichtungen, wie Visieren und astronomischen Peil­ teleskopen, und mit Prozessoren, die leicht programmierbar und verhältnismäßig billig sind, zu Höhenwinkelmeßgeräten und Systemen kombiniert werden. Solche Geräte und Systeme sind typischerweise billiger als andere Geräte, wie sehr genaue Sextanten, und Vermessungsgeräte und Systeme, die sie enthalten. Bei dem vorliegenden Gerät werden auch die Not­ wendigkeit und die Kosten vermieden, für verschiedene Bedingungen sowohl einen Marine-Sextanten als auch einen Sextanten mit künstlichem Horizont oder einen Libellen­ sextanten zur Verfügung zu haben.

Die bei der vorliegenden Erfindung verwendeten elektroni­ schen Höhenwinkelsensoren und Zielvorrichtungen sind dauer­ hafter als die traditionellen Sextanten und Vermessungs­ instrumente, die viele empfindliche Komponenten enthalten, und sie sind von Natur aus weniger anfällig gegen Korrosion und Beschädigung bei Verwendung auf See als andere Navigationssysteme. Bei den erfindungsgemäßen Instrumenten und Systemen ist die Gefahr daher geringer, daß sie auf See oder auf dem Bau durch grobe Behandlung beschädigt werden und die Wahrscheinlichkeit brauchbarer Resultate ist ent­ sprechend größer.

Die erfindungsgemäßen Geräte sind auch einfacher zu bedienen als die traditionellen alternativen. Bei Verwendung der Erfindung zur Navigation braucht der Benutzer, nachdem er vorher gewisse Informationen und Befehle eingegeben hat, nur das Gestirn anzupeilen und einen Kommandoknopf zu drücken. Es ist nicht nötig, den Bogen zu schlagen oder das Gestirn herunter auf die Kimm zu bringen, wie bei einem Sextanten. Die Resultate der Messung sind sehr leicht zu verwenden, da der Prozessor dann die Höhe des Gestirns, eine Standlinie des Instruments oder dessen Position auf der Erdoberfläche errechnen und anzeigen kann. Bei Vermessungsarbeiten peilt der Benutzer in entsprechender Weise das betreffende Objekt an und drückt den Kommandoknopf und er erhält darauf den Winkel zwischen dem Objekt und dem Zenit. Bei beiden Ver­ wendungsarten kann außerdem, nachdem das Instrument oder System einmal geeicht worden ist, um eine Nachschlagetabelle oder Justiertabelle aufzustellen, kann diese Tabelle später immer wieder verwendet werden.

Die Erfindung bietet entsprechende Vorteile für Bau- und Vermessungsarbeiten. Durch Verwendung elektronischer Höhen­ winkelsensoren, wie elektrolytischer Neigungssensoren, die sich durch eine hohe Reproduzierbarkeit ihrer Anzeige aus­ zeichnen, kann die Erfindung dazu verwendet werden, Winkel­ messungen mit für Vermessungszwecke ausreichender Genauigkeit durchzuführen, jedoch mit geringeren Kosten als mit anderen, absolut genaueren Geräten. Die oben bereits erwähnte Möglichkeit, mit den vorliegenden Geräten "Schnellschuß"- Messungen durchzuführen, ermöglicht es außerdem, Vermessungs­ arbeiten schneller auszuführen als mit Geräten, die mit einem Null-Indikator arbeiten.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, dabei werden noch weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zur Sprache kommen. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungs­ beispieles eines Höhenwinkelmeßgerätes;

Fig. 2 und 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines elektrolytischen Neigungssensors, der an einem im Schnitt dargestellten Teleskop angebracht ist, wobei das Teleskop mit unterschiedlichen Orientierungen dargestellt ist;

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Relation des gemessenen Höhenwinkels zum wahren Höhenwinkel zeigt;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Astronavigations­ systems; und

Fig. 6 ein Flußdiagramm der Arbeitsweise eines in dem System gemäß Fig. 5 enthaltenen Prozessors.

In Fig. 1 ist schematisch ein für die Astronavigation geeignetes Höhenwinkelmeßgerät 10 dargestellt, welches ein Teleskop 12 mit einer optischen Achse 7 enthält, das durch einen Benutzer 22 längs einer Peillinie 18 auf ein Gestirn 20 gerichtet werden kann. Das Teleskop 12 ist eine Art Zielfernrohr oder ein astronomisches Peilteleskop wie es im Handel, z. B. von den Firmen Edmund Scientific, Bausch & Lomb oder Celestron erhältlich ist. Das Gestirn 20 kann ein Fixstern, ein Planet, die Sonne oder der Mond sein.

Am Teleskop 12 ist ein elektrolytischer Neigungssensor 14 (Modell L-211U der Firma Spectron Glass and Electronics Inc., 595 Old Willets Path, Hauppauge, New York) mittels eines Halters 16 (Spectron Modell 557A) angebracht. Der Halter 16 ist mit seiner Grundplatte 21 mittels eines Epoxy­ klebers am Gehäuse 23 befestigt. Der Sensor 14, der mit Wechselstrom gespeist wird, hat eine im wesentlichen scheibenartige Form und weist eine Achse 24 auf, welche der Neigungsanzeige null entspricht. Der Sensor enthält eine Mittelelektrode 28 und Umfangselektroden 30, 32, die durch Leitungen 11, 13, 15 mit einer Signalaufbereitungseinrichtung (Spectron Modell MUPI-2) verbunden sind. Der Sensor ist im Halter so gehaltert, daß die Achse 24 einen Winkel von ungefähr 45° bezüglich einer Basisfläche 9 des Halters 16 bildet.

Wenn, wie Fig. 3 zeigt, das Teleskop in einer Position gehalten wird, bei der sich der Neigungs- oder Höhenwinkel von dem der in Fig. 2 dargestellten Position unterscheidet und bei dem die Achse 24 nicht auf den Zenit gerichtet ist, nimmt die Grenzfläche 29 zwischen dem festen Volumen der elektrolytisch aktiven Flüssigkeit 26 und dem Gas 27 im Sensor 14 eine durch die Schwerkraft bestimmte neue Lage an. Die neue Lage hat zur Folge, daß sich die Wechselspannungen zwischen der Mittelelektrode 28 und den jeweiligen Umfangs­ elektroden 30, 32 wegen der unterschiedlichen Widerstände des elektrolytisch aktiven Fluids 26 und des Gases 27 verschieben und die resultierende Verschiebung oder Änderung der Wechselspannungen an der Mittelelektrode 28 (vom Wert bei der Neigung null, der 50% der an den Sensor angelegten Erregungsspannung beträgt) ist proportional zur Änderung des Höhen- oder Neigungswinkels.

Der elektrolytische Neigungssensor hat bei diesem Ausführungs­ beispiel einen Neigungs- oder Höhenwinkelbereich von 60° auf beiden Seiten der Achse 24 (ein Bereich von mindestens 30° beidseits der Achse ist für Navigationszwecke erforderlich), mit einer Genauigkeit von nicht mehr als etwa ±2° für einen beliebigen Höhenwinkel in diesem Bereich. Die Reproduzier­ barkeit der Meßergebnisse des Sensors 14 beträgt für jeden Höhenwinkel dagegen ±0,008 Grad, so daß wenn der gemessene Höhenwinkel, wie er durch das Wechselspannungsausgangssignal des Sensors 14 dargestellt wird, einmal bezüglich des wahren Höhenwinkels für verschiedene Höhenwinkel geeicht worden ist, alle später gemessenen Höhenwinkel mit einer Genauig­ keit von ±0,48 Bogenminuten (eine Genauigkeit von mindestens 1 Bogenminute wird bei der Navigation gefordert), in den entsprechenden wahren Höhenwinkel umgewandelt werden können.

In Fig. 4 entspricht die Gerade 17 dem Fall, daß kein Meß­ fehler vorliegt und daher der gemessene Höhenwinkel bei allen Winkeln mit dem wahren Höhenwinkel übereinstimmt. In der Praxis weicht jedoch bei vielen Höhenwinkeln der ge­ messene Wert vom wahren Wert ab. Die Kurve 19 zeigt ein Beispiel der Abhängigkeit und damit der Unterschiede zwischen dem gemessenen Höhenwinkel und dem wahren Höhen­ winkel für einen hypothetischen Sensor mit einem Meßfehler von höchstens ±2° im gesamten Höhenwinkelbereich von ±60° des Höhenwinkelmeßgeräts 10 in einem Bereich zwischen der Vertikalen und der Horizontalen.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Einrichtung ist das Höhen­ winkelmeßgerät 10 zum Zwecke der Steuerung, Eichung und Messung über die Signalaufbereitungseinrichtung 35 und eine dreiadrige Leitung 36 mit einem Rechner (Hewlett-Packard Modell HP-41CX mit NAV-Programm der Firma Kuau Technology, Ltd., 307 South Alu Road, Wailuku, Hawaii) verbunden. Der Rechner 34 enthält eine Tastatur 38, eine Anzeigevorrichtung 40 sowie eine koordinierte universelle Uhreinheit und einen Prozessor, die nicht dargestellt sind. Die Signalauf­ bereitungseinrichtung 35 liefert eine konstante Erregungs­ spannung an den Sensor 14 und dient auf Kommando als Leitungstreiber und Vorverstärker für die Ausgangsspannung des Sensors. Ein Steuer- oder Kommandoknopf 42 ist über eine Leitung 44 mit dem Rechner 34 verbunden.

Der Rechner setzt einen gemessenen Höhenwinkel 50 unter Verwendung einer elektronischen Tabelle 54 in einen wahren Höhenwinkel 52 um, wie das in Fig. 6 dargestellte Fluß­ diagranm zeigt. Die Tabelle wird auf der Basis von Eich­ information aufgestellt, die von Anfangsdaten gewonnen wird, welche die gemessenen Ausgangswechselspannungen des Sensors mit dem wahren Höhenwinkel korrelieren, und mit Interpolations- und Fehlerverringerungsverfahren, wie das Kubische-Spline-Verfahren-Interpolationsprogramm, das Teil des MathCAD Programm der Firma MathSoft, Inc., 2 Kendall Square, Cambridge, Massachusetts, US ist. Der Rechner setzt dann den wahren Höhenwinkel in die astronomische Höhe des Gestirns 20 um, wobei er den vorher gemessenen Winkel zwischen der Achse 24 und der optischen Achse 18 verwendet, und errechnet dann eine Standlinie auf der Basis der ge­ wonnenen Höhe und der Zeit der Messung, z. B. unter Verwendung des von der Firma Hewlett-Packard erhältlichen Programms NAVPAC unter Steuerung durch die NAV-Software. Zusätzliche Standlinien können durch Anpeilung anderer Gestirne gewonnen werden. Die Position kann dann durch einen Navigations­ algorithmus (z. B. dem Programm "NAVPAC for Yachtsmen", das von Hewlett-Packard und Louis Valier, Honolulu, Hawaii, erhältlich ist) ermittelt werden.

Bei Verwendung des vorliegenden Geräts gibt der Benutzer in den Rechner 34 über die Tastatur 38 die ungefähre derzeitige Position und Information über die vorgesehenen Peilungen einschließlich des anzupeilenden Gestirns ein, ferner ob die Position auf der Basis einer einzigen Peilung oder mehrerer Peilungen zu bestimmen ist und ob die Position anzuzeigen oder zu speichern ist. Der Benutzer peilt dann ein Gestirn 20 mit der optischen Achse 18 des Teleskops 12 an und drückt den Kommandoknopf 42, was bewirkt, daß (a) die koordinierte Universalzeiteinheit die Zeit der Peilung an den Prozessor liefert und (b) die Signalaufbereitungseinrichtung 35 die Ausgangsspannung des Sensors 14 abfragt. Die Ausgangs­ spannung des Sensors wird dann durch die Signalaufbereitungs­ einrichtung in ein für die Schaltung des digitalen Prozessors geeignetes Signal umgesetzt und an diesen geliefert.

Wie in Fig. 6 dargestellt ist, setzt die Schaltung des digitalen Rechners 34 erstens den gemessenen Höhenwinkel 50, wie er durch das digitalisierte Signal von der Signalauf­ bereitungseinrichtung dargestellt wird, unter Verwendung der früher aufgestellten Tabelle 54 und des vorher gemessenen Winkels zwischen der Achse 24 und der optischen Achse 18 in den wahren Höhenwinkel 52 in einem Format (astronomische Höhe) um, wie es von Algorithmen 62, 64 benötigt wird und errechnet dann zweitens eine Standlinie 58 aus der astrono­ mischen Höhe und der Zeit der Peilung 60 unter Verwendung des Positionsalgorithmus (62) und drittens kombiniert sie eine Standlinie 58 mit anderen Standlinien oder geschätzten Positionen, um unter Verwendung des Navigationsalgorithmus 64 die geographische Breite und Länge festzustellen. Die geographische Breite und Länge werden auf der Anzeige 40 angezeigt und/oder gespeichert.

Das beschriebene Ausführungsbeispiel läßt sich in der ver­ schiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Beispielsweise kann das Teleskop 12 in Fig. 1 mit einem entfernbaren Sonnenfilter 66 versehen sein, um Verletzungen des Auges bei Sonnenpeilungen zu vermeiden, und mit einem Okular 68, das ein Fadenkreuz enthält, um genaue Peilungen zu ermöglichen, oder es kann durch einen Infrarot-Bildwandler ersetzt werden, um Sonnenpeilungen durch eine geschlossene Wolkendecke hindurch vornehmen zu können.

Das Höhenwinkelmeßgerät 10 kann auch bei Bau- und Vermessungs­ arbeiten verwendet werden, um beispielsweise die Höhe eines Punktes, wie die Spitze eines Gebäudes oder eines Vermessungs­ punktes, zu bestimmen. Der wahre Höhenwinkel 52 eines Punktes, dessen Höhe zu bestimmen ist, wird dadurch er­ mittelt, daß man die optische Achse 18 des Teleskops 12 auf den betreffenden Punkt richtet und den durch den Sensor 14 gemessenen Höhenwinkel unter Verwendung einer Tabelle und dem vorher gemessenen Winkel zwischen der Achse 24 und der optischen Achse 18 in den wahren Höhenwinkel umrechnet. Der wahre Höhenwinkel wird dann mit anderer Information, z. B. mit dem Abstand des Höhenwinkelmeßgerätes zum angemessenen Punkt und der Höhe des Instruments, kombiniert, um die Höhe des angemessenen Punktes zu bestimmen. Bei Vermessungs­ arbeiten wird eine Genauigkeit von mindestens 0,1° gefordert, so daß ein elektrolytischer Neigungssensor mit einer Reproduzierbarkeit von 0,1° und eine Eich- oder Umrechnungs- Tabelle mit einer Genauigkeit von 0,1° genügen.

Claims (31)

1. Höhenwinkelmeßgerät mit einer Peilvorrichtung (12), die eine optische Achse (18) zum Anpeilen eines Objektes auf­ weist, gekennzeichnet durch einen elektronischen Höhenwinkel­ sensor (14), der an der Peilvorrichtung (12) angebracht ist und eine elektrische Eigenschaft aufweist, welche einen Höhenwinkel bezogen auf die optische Achse (18) anzeigt und eine Reproduzierbarkeit von mindestens 6 Bogenminuten im Winkelmeßbereich des elektronischen Höhenwinkelsensors aufweist.

2. Höhenwinkelmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Höhenwinkelsensor eine Reproduzierbarkeit von mindestens 1 Bogenminute im Winkelmeßbereich hat.

3. Höhenwinkelmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelmeßbereich mindestens ±30° bezüglich einer Achse des elektronischen Höhenwinkelsensors beträgt.

4. Höhenwinkelmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Winkelmeßbereich mindestens ±60° bezüglich einer Achse des elektronischen Höhenwinkelsensors ist.

5. Höhenwinkelmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilvorrichtung ein Fernrohr enthält.

6. Höhenwinkelmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilvorrichtung einen Infrarot-Bildwandler enthält.

7. Höhenwinkelmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Höhenwinkelsensor einen elektrolytischen Neigungswinkel­ sensor (14) enthält.

8. Sextant mit einer eine optische Achse (18) aufweisenden Peilvorrichtung (12) zum Anvisieren eines Objekts, gekennzeichnet durch einen elektrolytischen Neigungswinkel­ sensor (14), der an der Peilvorrichtung angebracht ist und einen Winkelmeßbereich von mindestens ±30° bezüglich einer Achse des elektronischen Neigungssensors sowie eine Meßwert- Reproduzierbarkeit von mindestens 6 Bogenminuten in dem genannten Winkelbereich aufweist.

9. Sextant nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrolytische Neigungssensor einen Winkelmeßbereich von mindestens ±60° bezüglich der genannten Achse des elek­ tronischen Neigungssensors sowie eine Reproduzierbarkeit von mindestens einer Bogenminute in dem genannten Winkelmeß­ bereich aufweist.

10. Höhenwinkelmeßsystem mit einem Höhenwinkelmeßgerät, das eine Peilvorrichtung mit einer optischen Achse zum Anvisieren eines Objekts enthält, gekennzeichnet durch einen elektronischen Neigungswinkelsensor, der an der Peilvor­ richtung angebracht ist, eine elektrische Eigenschaft aufweist, die einen Neigungswinkel bezüglich einer Achse des elek­ tronischen Neigungswinkelsensors angibt, und eine Wieder­ holungsgenauigkeit oder Reproduzierbarkeit von mindestens 6 Bogenminuten über einen Winkelbereich des elektronischen Neigungswinkelsensors hat und einen Prozessor zur Gewinnung eines Höhenwinkels aus der elektrischen Eigenschaft.

11. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor eine Einrichtung zum Gewinnen eines wahren Höhenwinkels aus der elektrischen Eigenschaft aufweist.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine elektronische Tabelle enthält.

13. System nach Anspruch 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor eine Einrichtung zum Gewinnen einer astronomischen Höhe eines Himmelskörpers aus der elektrischen Eigenschaft enthält.

14. System nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Prozessor eine Uhr verbunden ist, welche ein die Zeit angebendes elektrisches Ausgangs­ signal liefert.

15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor eine Einrichtung zur Gewinnung einer Positions- oder Standlinie aus der elektrischen Eigenschaft und dem elektrischen Ausgangssignal enthält.

16. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Prozessor eine Einrichtung zum Gewinnen einer Position auf der Erdoberfläche aus der elektrischen Eigenschaft und dem elektrischen Ausgangssignal enthält.

17. System nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Höhenwinkelsensor eine Reproduzierbarkeit von mindestens einer Bogenminute im Winkelmeßbereich hat.

18. System nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Höhenwinkelsensor einen Winkelmeß­ bereich von mindestens ±30° bezüglich einer Achse des elektronischen Höhenwinkelsensors aufweist.

19. System nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Höhenwinkelsensor einen Winkelmeßbereich von mindestens ±60° bezüglich der genannten Achse hat.

20. System nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilvorrichtung ein Teleskop enthält.

21. System nach einem der Ansprüche 10 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der elektronische Höhenwinkelsensor einen elektrolytischen Neigungssensor enthält.

22. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilvorrichtung ein Fernrohr enthält.

23. System nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilvorrichtung einen Infrarot-Bildwandler enthält.

24. System nach einem der Ansprüche 10 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Prozessor eine Anzeige­ vorrichtung (40) verbunden ist.

25. System nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Peilvorrichtung einen Infrarot-Bildwandler enthält.

26. Verfahren zum Bestimmen der astronomischen Höhe eines Himmelskörpers, bei welchem eine Peillinie zum Himmelskörper hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung eines elektronischen Höhenwinkelsensors bestimmt wird und daß die astrononische Höhe auf der Basis des Höhenwinkels errechnet wird.

27. Verfahren zum Bestimmen der Höhe eines Gestirns, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte
Aufstellung einer Konkordanztabelle zur Korrelation einer Mehrzahl von mittels eines elektronischen Höhenwinkel­ sensors gemessener Höhenwinkel mit wahren Höhenwinkeln;
Anpeilen eines Gestirns längs einer Peillinie,
Ermitteln des Höhenwinkels zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung des elektronischen Höhenwinkel­ sensors,
Umsetzen des Höhenwinkels zwischen der Peillinie und dem Zenit in den wahren Höhenwinkel unter Verwendung der Tabelle und
Errechnen der Höhe des Gestirns auf der Basis des wahren Höhenwinkels.

28. Verfahren zum Gewinnen einer Positions- oder Standlinie, bei welchem ein Gestirn längs einer Peillinie anvisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung eines Höhenwinkelsensors ermittelt wird; die Zeit der Ermittlung des Höhenwinkels festgestellt wird und die Positions- oder Standlinie unter Verwendung des Höhenwinkels und der Zeit ermittelt wird.

29. Verfahren zum Gewinnen einer Positions- oder Standlinie, gekennzeichnet durch
Aufstellung einer Nachschlage- oder Korrelationstabelle zur Korrelation einer Mehrzahl von mittels eines elektro­ nischen Höhenwinkelsensors gemessener Höhenwinkel mit wahren Höhenwinkeln,
Anpeilen eines Gestirns längs einer Peillinie,
Ermitteln eines Höhenwinkels zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung des elektronischen Höhenwinkel­ sensors;
Ermittlung der Zeit der Bestimmung des Höhenwinkels,
Umsetzen des Höhenwinkels zwischen der Peillinie und dem Zenit in den wahren Höhenwinkel unter Verwendung der Tabelle und
Gewinnung einer Positions- oder Standlinie unter Verwendung des wahren Höhenwinkels und der Zeit.

30. Verfahren zur Astronavigation, bei welchem ein Himmels­ körper längs einer Peillinie anvisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß
der Höhenwinkel zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung eines elektronischen Höhenwinkelsensors ermittelt wird,
die Zeit der Ermittlung des Höhenwinkels festgestellt wird und
die Position auf der Erdoberfläche unter Verwendung des Höhenwinkels und der Zeit ermittelt wird.

31. Verfahren zur Astronavigation, gekennzeichnet durch
Aufstellen einer insbesondere elektronischen Tabelle, in der eine Mehrzahl von durch einen elektronischen Höhenwinkelsensor gemessenen Höhenwinkeln mit den entsprechenden wahren Höhenwinkeln in Beziehung gesetzt sind,
Anvisieren eines Gestirns längs einer Peillinie,
Ermittlung eines Höhenwinkels zwischen der Peillinie und dem Zenit unter Verwendung des elektronischen Höhen­ winkelsensors,
Bestimmen der Zeit der Ermittlung des Höhenwinkels,
Umwandlung des Höhenwinkels zwischen der Peillinie und dem Zenit in den wahren Höhenwinkel unter Verwendung der genannten Tabelle und
Gewinnung der Position auf der Erdoberfläche unter Verwendung des wahren Höhenwinkels und der Zeit.