Нестандартная задачка.

[Alex_dil]

Здравствуйте, уважаемые господа.
Прошу вас помочь  мне с подбором оборудования, которое, как мне представляется, вы используете в ваших наблюдениях. Речь идёт об обеспечении наблюдения с целью управления авиационной моделью самолёта на расстоянии 6 – 8 километров. Результат наблюдения нужно выводить на монитор ноутбука для пилота и судей рекордной попытки. Ранее для этих же целей, для модели вдвое большего размера и при дальности полёта  до 2-х километров использовалась половинка бинокля с увеличением 10. Наблюдение велось глазом через окуляр. Вторая половинка бинокля устанавливалась соосно с первой,  и в неё наблюдал за полётом помощник (наводчик).  Роль наводчика сводилась к тому, что он удерживал в поле зрения оптических приборов летящую модель, поворачивая спаренные оптические приборы по вертикальному углу и всю установку вместе с собой и пилотом по азимуту. Таким образом обеспечивал визуальный контроль для пилота. Судьи имели свои собственные оптические приборы (теодолиты), с помощью которых не только велось наблюдение, но также и измерялась высота полёта. 
Это было в начале 90-х годов. Сегодня результаты полёта будут регистрироваться миниатюрными навигационными самопишущими приборами, расположенными на борту, поэтому необходимость в теодолитах отпала. Расстояние выросло, как вы видите, в разы, а  потребность визуального контроля продиктована спортивными правилами.  Для наблюдения предполагается использовать также спаренную установку двух соосных  оптических приборов  на азимутальной монтировке с возможностью вывода изображения на экран монитора. Одна труба с небольшим увеличением (например, Вебер 18-36х50) предназначена  для  наблюдения на небольших расстояниях (до 3 километров). Предполагается оснастить её видеонасадкой Юкон АТС для вывода изображения на монитор.  Вот второй оптический прибор, который обеспечит наблюдение и распознавание положения в пространстве модели на большом расстоянии (до 8 километров), вызывает трудность. Навскидку это может быть телескоп с видеоокуляром.  Наверное, необходимо найти некоторый компромисс параметров телескопа. Понятно, что наведение будет осуществляться вручную наводчиком на азимутальной установке, поэтому хотелось бы иметь широкий угол зрения. С целью управления необходимо на экране монитора на расстоянии до 8 километров различать модель хотя бы как небольшой крестик (крыло и фюзеляж),  чтобы понимать в каком направлении она движется. При длине фюзеляжа в 1,2 метра и размахе 1,5 метра на расстоянии 7-8 километров модель будет иметь угловые размеры, если я не ошибаюсь, 20 – 40 секунд. Вся установка должна быть  автономная, в том числе и по электропитанию, т.к. будет использоваться в поле. Время полёта не более 1 часа.
Прошу вас, во-первых, покритикуйте такое решение задачи и, во-вторых, подскажите, что по вашему мнению из телескопов или другой оптики подойдёт в данном случае. Совершенно понятно, что сервоприводы для монтировки использовать невозможно. Бюджет этой работы конечно же не безграничный. Разумная величина кажется в пределах 15 – 25 тысяч рублей.
С уважением Александр.

[Бородатый Кабан]

Ввиду специфичности задачи позволю себе предложить альтернативный азимутальной монтировке вариант. Поскольку предполагается исключительно ручное ведение цели, представляется оптимальным использование тяжёлой видеоголовы (например, 516 Pro Video Head) с (возможно - самодельным) кронштейном для крепления и регулировки соосности двух и более оптических приборов, примастыренной на стальные ноги от, например, EQ-5. Видеоголова специально предназначена для плавного ручного ведения камеры.

[Дядя Лёша]

При длине фюзеляжа в 1,2 метра и размахе 1,5 метра на расстоянии 7-8 километров модель будет иметь угловые размеры, если я не ошибаюсь, 20 – 40 секунд.

  Мне кажется, угловой размер Вашего "лайнера" , на этом расстоянии, будет несколько больше.

Вся установка должна быть  автономная, в том числе и по электропитанию, т.к. будет использоваться в поле. Время полёта не более 1 часа.

  Порекомендую Вам вот эту модель https://astronom.ru/vcd-172-1-113/goodsinfo.html

[Mihail Sedyh]

При длине фюзеляжа в 1,2 метра и размахе 1,5 метра на расстоянии 7-8 километров модель будет иметь угловые размеры, если я не ошибаюсь, 20 – 40 секунд.

  Мне кажется, угловой размер Вашего "лайнера" , на этом расстоянии, будет несколько больше.

Более-менее верно. Я бы сказал 25-45"...
Если принять, скажем 30", то на 098 матрице (пиксель 5,6мкм) в метровом фокусе, изображение займет где-то 25 пикселей (если чего не попутал). В принципе, этого достаточно для определения положения объекта в пространстве, особенно при наличии специальной контрастной окраски.
Но дальше все начинает зависеть от средней скорости перемещения. Требуемая выдержка может оказаться слишком короткой и не будет хватать чувствительности, а поле зрения недостаточным для ручного ведения.
Так какова скорость? 

ЗЫ Может быть интересной вот эта тема https://astronomy.ru/forum/index.php/topic,20528.0.html - наиболее близкая астрономическая задача.

ЗЗЫ Кроме того такое расстояние в приземном слое может давать довольно низкий контраст, да и турбуленция может сильно сказываться. В первую очередь надо определяться с монтировкой системой ведения и камерой - конкретную трубу можно подбирать в последнюю очередь...

[Regel]

скорости у них от 60 до 450 км/ч

[Alex_dil]

Здравствуйте, господа.
Благодарю вас за оперативные и заинтересованные ответы. А также за интерес к моей задаче тех, кто только прочитал моё сообщение. Постараюсь прояснить ваши вопросы и задать возникшие мои. Начну от простого к сложному.

1. Уважаемый Regel, скорость той модели, о которой идёт речь, относительно воздуха составляет при наборе высоты 30 - 50 км/час  и вдвое больше при пикировании (снижении). Проекция её на горизонтальную плоскость, т.е. та скорость, которая будет важна для вычисления угловой скорости, от 40 до 0 км/час. Совершенно понятно, что с ростом высоты полёта, угловая скорость будет уменьшаться почти до нуля. Кроме того, до высоты полёта 500 метров контроль будет вестись невооружённым глазом, от 500м до 2000м с помощью достаточно широкоугольной трубы, а только после набора 2000 метров мы вынуждены будем использовать сильную оптику, для которой важна угловая скорость. При снижении смена декораций  в обратном порядке.

2. Уважаемый Бородатый Кабан, благодарю за информацию. В силу почти полного отсутствия подготовки в данной области, даже сам факт наличия в природе устройств, подобных 516 Pro Video Head был для меня почти что открытием.    Я обязательно буду использовать эту головку или какую-нибудь аналогичную, если вся остальная аппаратура оставит в бюджете для неё место.    Мне кажется, что на большом удалении, когда угловая скорость не слишком велика, необходимость в столь сложном аппарате выглядит сомнительной. В качестве штатива мы почти наверняка будем использовать имеющуюся треногу от старого теодолита АШ-К. Она массивная, жёсткая,  позволяет её ноги специальными наконечниками воткнуть в землю и на мой взгляд более устойчивая, чем те треноги, которые я видел в магазине любительских телескопов.
Конечно, некоторые конструктивные элементы, связывающие азимутальную монтировку или видеоголовку, треногу и два оптических прибора, придётся спроектировать и изготовить. Но я не вижу для нас в этом трудностей.
 
3. Уважаемый Алексей Прудников, насколько я понимаю, по Вашему мнению нас устроит 100 миллиметровый рефрактор с фокусным расстоянием объектива 600 мм. Сильно ли пострадает качество изображения, если, например, это будет Veber 900/90 Аз? С моей точки зрения у NexStar 102 есть дорогостоящее лишнее для меня оборудование - автоматическая монтировка с компьютерным управлением.

4. Уважаемый Mihail Sedyh, я постарался внимательно изучить тему "Изображение МКС". Сознаюсь честно, больше часа я не смог себе позволить.  Однако, насколько я себе представил, кроме примерно совпадающих угловых размеров объектов наблюдения, более ничего общего я не нашёл. Основная задача наблюдателей МКС сводится к проблеме получения качественного снимка, т.е. одного документа из множества почти совпадающих кадров, очень близких по времени.  И связанная с этим вопросом проблема последующей фильтрации и обработки цифровой фотографии, выделение полезного сигнала из серии зашумлённых в разной степени и шумом разных спектров снимков. Для нас такой задачи просто нет. У нас он-лайн управление. Мы не будем ничего обрабатывать после полёта. Нам важно на мониторе разглядеть контуры аппарата и представить себе его положение в пространстве. В данном случае роль цифрового фильтра, выделяющего из всего потока содержательную информацию, играет мозг пилота.  .  Мне сложно представить, чем будет отличаться зрительное восприятие картинки в случае, если мы смотрим глазом в окуляр телескопа от картинки, передаваемой видеоокуляром на экран монитора. Очень хотелось бы надеяться, что ничем. 
К моему сожалению и в силу моей серости я не знаю, что такое "098 матрица", а также не могу представить себе предмет на экране размером в 25 пикселей. Контрастная окраска, конечно имеет место. Это красный цвет модели на фоне голубого неба. Поскольку угловые размеры таковы, что цвет увидеть не удастся, да и не нужно с целью управления, то вполне можно применить чёрно-белую камеру. Если я не ошибаюсь, то чёрно-белые имеют лучшие светотехнические характеристики, чем цветные. Идеальным для меня было бы назвать тип видеоокуляра, в большей степени удовлетворяющий требованиям нашей задачи. 
Я понимаю, что ручное ведение будет для нас проблемой. Однако даже в случае случайной потери модели из поля зрения, у нас будет шанс вернуть её обратно, если в широкоугольную трубу мы будем видеть хотя бы точку. Перерыв в наблюдении в несколько секунд, необходимых для поиска, не создаст особых проблем для управления. Поэтому я полагаю, что на большом удалении, когда угловая скорость будет маленькой,  можно будет осуществлять ведение с помощью штатных винтов азимутальной установки. 
Да, приземный слой и турбуленция испортят картинку, но с этим придётся мириться, ведь мы будем совершать полёт днём. Ну, может быть вечером.  Однако в силу того, что этот полёт вверх с целью достижения максимальной высоты, смотреть мы будем практически в зенит. 
Удивило меня то, что трубу надо выбирать в последний момент. Мне казалось, наоборот. 

Я постарался уточнить детали задачи, которые возникли в текущем обсуждении. Надеюсь, что эти детали дали большее представление о том, что в данном случае является существенным, а что нет. То есть, надеюсь, что задача упростилась. Жду ваших дальнейших комментариев и вопросов. А также предложений по оборудованию.

Александр. 

[Mihail Sedyh]

....я постарался внимательно изучить тему "Изображение МКС". Сознаюсь честно, больше часа я не смог себе позволить.  Однако, насколько я себе представил, кроме примерно совпадающих угловых размеров объектов наблюдения, более ничего общего я не нашёл....

Общее - наблюдение маленького (требующего большого увеличения = маленькое поле зрения) объекта, который быстро (в сравнении с полем зрения) перемещается. Это является основными сложностями, а не обработка.

... я не знаю, что такое "098 матрица", а также не могу представить себе предмет на экране размером в 25 пикселей.

SONY ICX098al - одна из наиболее распространенных и дешевых ПЗС матриц с прогрессивной разверткой, 640х480 пикселей, 5,6х5,6мкм/пиксель. Примерный размер модели см. ниже(в идеальном качестве).

Контрастная окраска, конечно имеет место. Это красный цвет модели на фоне голубого неба.

Я имел в виду в основном определение по окраске положения модели в пространстве, а не детектирование на фоне неба. В смысле различать брюхо-спину, нос-хвост, крыло-фюзеляж и т.д.

Если принять в ТЗ скорость 40км\ч, то модель будет за секунду пролетать примерно 10 собственных размеров. Приняв для 098 матрицы в 1000мм фокусе допустимое размытие от скорости 2,5пикселя получим выдержку порядка 1\100с и пролет поля зрения неподвижной трубы за 2-3с. Не сказать, чтоб требования были запредельные, но они довольно высоки, да и "наводчику" скучать не придется...
По камере я бы порекомендовал что-то на упомянутом выше типоразмере матриц Basler Ace, DMK/DBK21, Fire-i, NexImage, вебки типа Phillips 900 и т.д.  Также можно присмотреться к КМОП-матрицам большего размера (поле будет больше) - они обычно дешевле, но надо бы проверить чувствительность... Например, есть проверенный вариант EVS-135...
Насчет ч\б камер. Чувствительность и разрешение у них выше, но собственная чувсвительность матриц сдвинута в ИК-область. В результате небо будет выглядеть существенно темнее, а красные объекты светлее, чем визуально - при опреленных обстоятельствах модель может слиться с фоном... Кроме того рефракторы (телескопы с линзами, а не зеркалами) обычно не исправлены в ИК- диапазоне и изображение может быть несколько менее качественным. Поэтому надо применять ИК-блок фильтр.
Еще момент. Все телескопы дают перевернутое изображение. Наврятли пилот сможет в реальном времени в мозгу делать обратное преобразование, скорее у него будет нервный срыв... Поэтому будет нужна оборачивающая призма, которая потребует увеличенного выноса фокуса за пределы трубы. Это надо учитывать при выборе модели.
По трубе. Я бы однозначно рекомендовал рефрактор. Диаметр порядка 80-100мм, фокусное 600-1000.
Ну и по монтировке. Позе зрение будет существенно меньше 30' (р-р Луны или Солнца). Механическое ведение будет приводить к заметному дрожанию\прыганию изображения. На мой взгляд удобнее вести моторами с пульта.

[vsi]

В Вашем случае это - день, света много, так что берите Вебку (любую) выковыривайте объектив, ставьте вместо него достаточно длиннофокусный фото-объектив, половинку бинокля, трубу или что-нибудь в этом роде, и пробуйте.

Надо учитывать, что наблюдать вдоль горизонта - еще то занятие, турбуленция и дымка около земли на порядки сильнее, чем если смотреть вверх.

Это - цифрозеркалка и весьма острый объектив 135мм.  В случае веб-камеры масштаб и поле зрения будут схожими. Имхо, нет никакого смысла увеличивать фокусное расстояние более 300мм. Ничего не увидите, атмосфера всё замылит.

[Mihail Sedyh]

Сетап и параметры снимка можно?

[vsi]

350-ка, Ю-37, чуть прикрытый, кроп угла кадра 100%, дальности вымерены ГугльЁрзом.

[vsi]

Имею некоторый производственный опыт наблюдений вдоль горизонта, а также некий опыт съемок "гигапиксельных" панорам. Резюме: всё весьма плохо и на астрономию не похоже. Дымка и турбуленция. Увеличения более 60-70 крат (скорее - 30-40 крат) не востребованы: сильно мылит атмосфера.
А вот если вы "пилота" снабдите картинкой на экране нотебука вместо глядения в окумяр - это быдет ему подспорьем. Но не забывайте про задержку в четверь....полсекунды, обычную у веб-камер.

попробуйте вначале вебка (1000р) + советский объектив 200-300мм (2000р) или ЗРТ-457 или подобное (3000р) или какая иная труба. Если копать астрономскую тематику, то Вам подойдет гид от астрофотосетапа. Типовая труба - например 80/420, или та же ЗРТ 70/457 + та же вебка. Астрономы оценивают вебку по чувствительности, а Вам это не нужно (у Вас день), так что берите любую.

[Mihail Sedyh]

Я бы сказал, что судя по снимку, для уверенного определения положения в пространстве объекта размером 1,2х1,5м с 7-8км  надо увеличивать фокусное расстояние минимум в 5-6 раз....

[vsi]

Ну... у них фон будет контрастный (небо)...

[Бородатый Кабан]

Вообще, конечно, напрашивается установка камеры на модель с передачей картинки пилоту в реалтайме (а заодно и всей навигационной информации и телеметрии от бортовых датчиков), но это выйдет далеко за рамки означенного бюджета.

[Дмитрий Маколкин]

Вы не хотите рассмотреть вариант с выносными наблюдательными пунктами по трассе полёта, или это не реализуемо организационно?

[Бородатый Кабан]

Вы не хотите рассмотреть вариант с выносными наблюдательными пунктами по трассе полёта, или это не реализуемо организационно?

Врядли пилот во время управления моделью и жюри захотят бегать от одного пункта до другого...

[Mihail Sedyh]

Вы не хотите рассмотреть вариант с выносными наблюдательными пунктами по трассе полёта, или это не реализуемо организационно?

Я так понял, что основная дистанция будет по вертикали....

Астрономы оценивают вебку по чувствительности, а Вам это не нужно (у Вас день), так что берите любую.

Низкая светосила из-за требуемого масштаба изображения и короткие выдержки из-за высокой скорости движения все же предъявляют определенные требования к чувствительности даже при дневной съемке...

[AlAn]

Тут намедни кино показывали, такой моделью управляемой подрывали плохих парней. А если хороших, пособие по терроризму какое-то получается.

[Step]

Вопрос при таких полетах- в  безопасности и допустимой  мощность передатчика на 10км с уверенным пиемом + система автопилота на случай потери связи .
http://rc-aviation.ru/fpv/298-fpv-apparatura

[Alex_dil]

Здравствуйте, господа.
Благодарю вас за активность и различные варианты решения задачи, которые были предложены. Начну опять с простого.

1. Видимо я не слишком внятно объяснил. Полёт вертикально вверх над местом старта с целью достижения максимальной высоты. И обратно к месту взлёта.

2. Уважаемые господа Step и Бородатый Кабан, нам конечно известно о существовании систем FPV OSD. Более того, телеметрию, передающую с борта параметры полёта, Seagull от Eagle Tree с радиоканалом на землю, мы используем для отладочных полётов до высоты 1 - 1,5 км.  В остальных случаях телеметрия будет работать только в режиме бортового самописца. Что касается систем, передающих видеоизображение с борта, автопилотов и прочих автоматических устройств, то они запрещены к использованию Кодексом ФАИ - главными спортивными правилами авиационных видов спорта.  После того, как в 2004 году модель, которую построил очень уважаемый в мире авиамодельный авторитет и держатель многих мировых рекордов Майнард Хилл, в автоматическом режиме перелетела Атлантический океан, находясь в полёте почти двое суток, и приземлилась в заданной точке побережья Ирландии, международная федерация в 2008 году внесла изменения в правила. Теперь по требованиям правил для радиоуправляемой модели обязателен непрерывный контроль пилотом посредством передатчика, а также необходимо, чтобы модель находилась в поле зрения пилота и судей. Хочу уточнить, что OSD устройства не запрещены законодательно. Их, как там написано, позволено использовать в реакреационных (то есть для удовольствия) целях, но спортивные результаты и рекорды фиксироваться не будут. Эти модели с автоматическими системами теперь по классификации ФАИ отнесены к беспилотным летательным аппаратам вместе с такими же аппаратами военного и промышленного назначения.  Кроме того, есть технические проблемы, которые ограничивают применение передатчика на борту. Видеопередатчики имеют довольно широкую полосу излучаемого сигнала и, даже если несущие частоты управления и телеметрии очень сильно разнесены, всё равно создают помеху радиоприёму. Чем дальше мы хотим улететь от пилота, тем мощнее должен быть бортовой передатчик и тем слабее становится сигнал в приёмнике управления на борту. Каким бы хорошим не был приёмник, в какой-то точке полёта отношение сигнал/шум станет критическим. 
Да, действительно, существует проблема дальности стандартной аппаратуры, которая в лучших случаях обеспечивает в воздухе (не вдоль земли) 3 - 4 километра уверенного приёма. В нашем случае будет нестандартный передатчик, работающий в разрешённом диапазоне в пределах разрешённых 10 ватт. Этого более чем достаточно.
Итак, вернёмся к нашей задаче наблюдения через оптические приборы с целью управления на расстоянии 7 - 8 километров.

3. Уважаемый Mihail Sedyh, благодарю Вас за столь тщательный анализ и ваши расчёты. А также огромное количество полезной информации, которое я от Вас получил. Если на экране я увижу примерно то, что Вы изобразили, этого вполне достаточно.
Уважаемый vsi, мне очень интересен Ваш практический опыт и показанная фотография. А также подкупает простотой предложенное Вами решение.
 Я полагаю, что вести всё равно придётся вручную. Чересчур уж непредсказуемо для наводчика может измениться курс полёта модели. С моторами он запутается. Перевёрнутое изображение тоже не проблема, на экран монитора мы можем его получить в любом виде, поворачивая относительно трубы матрицу.
Из всех перечисленных Вами видеокамер я нашёл подробную информацию только по камерам компании ЭВС. Нашёл там и камеру 135. Однако на их сайте представлена более интересная для меня, как мне показалось, модель VSC-751, которая может смотреть через туман, предназначена для наблюдений на расстояниях 10 километров и более. Там даже приведён снимок части градирни и части опоры ЛЭП  с расстояния 7,7 км. По его виду могу сказать, что такое качество меня скорее всего устроило бы. Утверждается, что он сделан через объектив с фокусным расстоянием 600 мм. В перечне объективов, которыми эта камера комплектуется, самый длиннофокусный CS имеет f=12 мм. Есть М12 с f=50 мм, который даёт угол 5,5 градусов. Я совершенно не понимаю, как должен выглядеть объектив с f=600 мм и как его закрепить на этой камере.  Обращаясь в этом форуме к вам, я представлял себе, что воспользуюсь стандартным решением. Какой-то телескоп с каким-нибудь видеоокуляром, который вставляется на место штатного окуляра.  Мне не совсем понятно, как быть, если у оптики есть неснимаемый окуляр и камера должна смотреть сквозь него. Мне не совсем понятно, как я могу приделать старый советский объектив (у меня в своё время был Индустар-50) к такому миниатюрному изделию, как веб-камера. Я даже вчера истерзал продавца в "Компьютерном мире" и требовал от него веб-камеру со съёмным объективом.  И, извините за серость, я не знаю что такое "гид от астрофотосетапа".
Что касается пыли в приземном слое воздуха, то мы будем в относительно хороших условиях. Ближайший город от нас будет на расстоянии 40 км. С ужасными условиями мегаполиса никакого сравнения. Может быть тогда можно использовать более сильную оптику? Куда я должен буду установить вебкамеру и с каким объективом, если, например, буду использовать рефрактор с фокусным 400-600 мм и со сменным объективом? Вместо объектива телескопа? Чувствительность избыточная может повредить или для меня просто лишняя? Я в Питере, поэтому нет проблемы подъехать в офис ЭВС и купить например, 
1.3МPix, 800твл, 0.5лк (F1.2), 15-30-60Гц, цветная VEC-135-USB 4 300р.
или эту чёрно-белую
1.3МPix, 900твл, 0.1лк (F1.2), 15-30-60Гц                 VAC-135-USB 4 300р.
Или чёрно-белую противотуманную
USB2.0, два выхода, 1/3", 570твл , 0,02лк (20 мс),  0,000008 лк (2 мин), C/CS, ручное и автоматическое контрастирование, линейный режим  VBC-751-USB 7 700р.
может быть эту
5МPix, 1700твл, 0.5лк (F1.2), 4-15-30-70Гц, RGB24 цветная VEC-545-USB  8 900р.

Александр.