Генике A.A., Афанасьев А.М. Геодезические свето-и радиодальномеры

Подождите немного. Документ загружается.

А.А.ГЕНИКЕ А.М.АФАНАСЬЕВ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ

СВЕЮ-И РАДИО

ДАЛЬНОМЕРЫ

Допущено

Главным управлением геодезии и картографии

при Совете Министров СССР

в качестве учебника i

для учащихся топографических техникумов

853399

Чержг'гаська державна

^ облэсна уш-версальна

нзукоза

‘ БШЛЮТЕКА

1м. В. Г. К»р»лсЩ>

МОСКВА "НЕДРА" 1988

ББК 26

Г 34

УДК 528.517+528.516(075)

Рецензенты: М. Ф. Казаринов, Ю. Е. Смирнова

1902020000— 169

-----------------

6—88 — св. план для сред. спец. уч. завед.

043(01)—88

JSBN 5—247— 00267—9 © Издательство «Недра», 1988

ПРЕДИСЛОВИЕ

В современном топографо-геодезическом производстве особая

роль отводится созданию высокоавтоматизированных техниче

ских средств, позволяющих в полевых условиях выполнять гео

дезические измерения быстро, надежно и с малыми затратами

сил и средств. Примером может служить дальномерная техника,

которая за последние 10— 15 лет совершенствовалась быстрыми

темпами. Внедрение современной полупроводниковой элемент

ной базы, а также целого ряда новых технических решений по

зволили существенно повысить дальность действия, точность из

мерений, уровень автоматизации процесса измерений при одно

временном улучшении таких показателей, как весовые, габарит

ные и энергетические Характеристики дальномеров. Существен

но расширилась при этом и область применения современной

дальномерной техники. Значительно возрос удельный вес линей

ных измерений, выполняемых с движущихся объектов. С каж

дым годом дальномеры все шире используются для решения раз

нообразных задач прикладной геодезии.

Перечисленные выше факты нашли свое отражение при

написании настоящего учебника.

При рассмотрении теоретических основ геодезических свето-

и радиодальномеров наряду с фазовыми методами уделено вни

мание развивающемуся импульсно-фазовому методу, принципам

автоматизации процесса разрешения неоднозначности, а также

другим современным проблемам, оказавшим заметное влияние

на формирование общих теоретических основ геодезической

дальномерной техники.

Рассматривая современные принципы построения обобщен

ных функциональных схем дальномеров и их основных компо

нент, авторы отказались от описания принципов действия таких

широко распространенных узлов электронных схем, как генера

торы, усилители, преобразователи электрических сигналов и др.,

с которыми учащиеся знакомы из других курсов. Основное вни

мание уделено описанию современных*„составных узлов, специ

фичных для дальномерной техники (излучатели, приемники, ка

нализирующие системы, фазоизмерительные устройства и др.).

При изложении основополагающих принципов классифика

ции дальномерной техники проанализировано построение функ

циональных схем дальномеров различных классификационных

групп и описаны особенности работы тех дальномеров, которые

получили наибольшее распространение в отечественном топогра

фо-геодезическом производстве.

В процессе изучения основных источников ошибок дально-

мерных измерений рассмотрены способы уменьшения влияния

возникающих ошибок измерений, особенности работы с дально

мерами в полевых условиях, а также основные методы об

работки результатов дальномерных измерений.

В заключение изложены основные направления и перспекти

вы дальнейшего развития дальномерной техники.

Все главы настоящего учебника написаны А. А. Генике,

а вопросы и упражнения составлены А. М. Афанасьевым.

ВВЕД ЕН И Е

Дальномерная техника, базирующаяся на определении времени

распространения электромагнитных волн, начала интенсивна

развиваться и широко внедряться в топографо-геодезическое

производство около тридцати лет тому назад. Однако основопо

лагающие теоретические и экспериментальные предпосылки раз

рабатывались в течение длительного времени. Так, величина

скорости распространения электромагнитных волн, необходимая

при определении расстояний дальномерами рассматриваемого

типа, определялась и уточнялась различными физическими ме

тодами на протяжении нескольких столетий. К тридцатым годам

нашего столетия появилась возможность измерять эту скорость

сравнительно несложными техническими приемами с погреш

ностью около 1-10~4, что предопределило начало развития све-

то- и радиодальномеров.

Ведущая роль в создании первых в мире свето- и радиодаль

номеров принадлежит советским ученым. В 1936 г. в Государ

ственном оптическом институте под руководством акад. А. А. Ле

бедева был разработан и изготовлен первый в мире действую

щий светодальномер, которым можно было измерять линии дли

ной до 3,5 км с погрешностью 2—3 м. В 30-х годах в Советском

Союзе под руководством академиков Л. И. Мандельштама и

Н. Д. Папалекси был проведен комплекс исследовательских ра

бот, завершившийся созданием радиодальномерной системы,

позволявшей измерять расстояния до 100 км с погрешностью

5— 10 м.

Великая Отечественная война затормозила развитие дально

мерной техники. В этот период в различных странах мира стали

уделять повышенное внимание разработке радиодальномерных

систем, используемых в военных целях. Было создано несколько

радиодальномерных систем, позволяющих с достаточно высокой

степенью точности определять местоположение судов в откры

том море и самолетов в воздушном пространстве.

Пятидесятые годы явились началом развития свето- и радио

дальномеров повышенной точности, что существенно расширило

область их применения в топографо-геодезическом производстве.

Проведенные к этому периоду исследовательские работы по оп

ределению скорости распространения электромагнитных волн

открыли возможность измерения расстояний с относительной

погрешностью (1—5) • 10~6. Созданные в 50-х годах в Советском

Союзе и за рубежом свето- и радиодальномеры позволили изме

рять расстояния в несколько десятков километров с погрешно

стью 5— 10 см.

В 60-е годы основные усилия создателей дальномерной тех

ники были направлены на совершенствование дальномеров. По

явившиеся к тому времени лазерные источники позволили про

водить измерения как в ночных, так и в дневных условиях,

а портативные полупроводниковые излучатели в сочетании

с транзистированием электронных схем позволили существенно

уменьшить габариты и массу создаваемых приборов. В области

геодезической радиодальномерной техники разработаны прибо

ры с выносными приемопередатчиками, приспособленными для

установки на раздвижные переносные мачты, что позволило про

водить линейные измерения без постройки геодезических наруж

ных знаков. На основе наземных радиодальномеров, предназна

ченных для измерения линий фиксированной длины, создаются

ультракоротковолновые радиодальномерные системы, используе

мые для определения плановых координат движущихся объек

тов. Их отличительная особенность — портативность и повышен

ная точность измерений.

Характерная особенность периода 70-х годов состояла

в решении проблемы автоматизации всего процесса измерений и

последующих вычислений. Широко внедряются электронные циф

ровые фазометры в сочетании с отдельными составными узлами

вычислительной техники, что позволило не только снимать

с табло окончательное значение измеренной длины линии, но

и автоматически регистрировать значение получаемой погрешно

сти измерений.

Достигнутые в области дальномерной техники успехи по ав

томатизации измерений стимулировали создание автоматизи

рованных угломерных устройств и появление электронных

тахеометров, позволяющих в автоматическом режиме выполнять

как линейные, так и угловые измерения. Использование встро

енных портативных запоминающих устройств позволило во мно

гих случаях отказаться от ведения полевого журнала.

В 80-х годах процесс совершенствования дальномерной тех

ники продолжается. При этом значительное внимание уделяет

ся вопросам повышения точности дальномерных измерений,

улучшению эксплуатационных характеристик приборов, разра

ботке автоматизированных дальномерных систем, позволяющих

измерять длины линий в динамике. Параллельное развитие

дальномеров, работающих в различных участках шкалы элек

тромагнитных волн, вполне оправдано, так как в зависимости

от решения конкретных производственных топографо-геодезиче-

ских задач каждая группа приборов открывает дополнительные

возможности.

Глава I

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ СВЕТО-

И РАДИОДАЛЬНОМЕРОВ

§ 1. П РЯМ Ы Е И К О С ВЕН Н Ы Е МЕТОДЫ И ЗМ ЕРЕН И Й

В повседневной практической деятельности человек очень часто

сталкивается с различного рода измерениями. При этом про

стейшим видом измерений являются прямые методы, при реали

зации которых результат получается непосредственно из сопо

ставления 'однородных физических величин, причем числовое

значение одной из них известно, а другое требуется определить.

На практике использовать прямые методы не всегда пред

ставляется возможным, а иногда и экономически нецелесообраз

но. Поэтому зачастую прибегают к косвенным методам, харак

терная особенность которых состоит в том, что искомую величи

ну находят путем измерения другой физической величины, одно

значно связанной с первой известным математическим соотно

шением.

Принципы действия современных геодезических свето- и ра

диодальномеров базируются на использовании косвенных мето

дов. В связи с этим рассмотрим следующий простой пример,

поясняющий сущность косвенных методов измерений.

Пусть нам необходимо измерить расстояние между двумя от

метками на рельсах прямолинейного участка железнодорожной

линии. Поместим около данных отметок наблюдателей с точны

ми синхронно идущими часами. При движении по отмеченному

участку поезда наблюдатели последовательно фиксируют мо

менты соприкосновения переднего колеса поезда с указанными

отметками. Если скорость поезда v на данном участке была по

стоянна и известна, то по разности зафиксированных наблюда

телями отсчетов времени At нетрудно вычислить интересующее

нас расстояние D между отметками:

D = vAt. (1)

В приведенном примере обращает на себя внимание тот

факт, что искомой величиной было расстояние, а фактически из

мерялось время, т. е. рассмотренный метод измерения расстоя

ний является косвенным.

Принцип действия современных свето- и радиодальномеров

также основан на аналогичной зависимости. Длины линий на

местности определяются такими приборами путем измерения

времени прохождения тем или иным носителем информации

искомого расстояния. В связи с вышеизложенным проанализи

руем особенности данного метода измерения расстояний более

детально.

§ 2. ВЫ БО Р НО СИТЕЛЯ ИНФО РМ АЦ ИИ

Носителем информации об измеряемой длине линии в рассмот

ренном выше примере был движущийся материальный объект

(в частности, поезд). При этом для выполнения точных измере

ний длин линий на местности к данному объекту предъявляются

следующие основные требования:

движение объекта должно осуществляться по известной

траектории, соединяющей конечные точки измеряемой линии и

по возможности не связанной с формой рельефа местности меж

ду этими точками;

скорость движения объекта должна быть постоянна и извест

на с относительной погрешностью не ниже погрешности выпол

няемых линейных измерений.

При характерной для геодезии высокой точности измерений

носители информации в виде тех или иных движущихся объек

тов, как правило, не удовлетворяют перечисленным выше требо

ваниям (за исключением искусственных спутников Земли).

Значительно целесообразнее для решения рассматриваемых

задач использовать свободно распространяющиеся в окружаю

щем нас пространстве волны. При этом к выбираемым для дан

ных целей волнам помимо перечисленных выше требований в от

ношении определенности траектории и постоянства скорости их

распространения предъявляется целый ряд дополнительных тре

бований, основные из которых следующие:

волны должны распространяться вдоль измеряемой линии

без значительного затухания, причем желательно при любых

условиях погоды (в том числе в тумане, запыленной атмосфере

и т. п.);

волны должны обеспечивать нормальную работу дальномер

ных систем в любое время суток и в любое время года.

Из всего разнообразия существующих в природе волн при

решении вопроса о выборе носителя информации заслуживают

внимания звуковые и электромагнитные волны.

Сопоставление особенностей распространения этих двух раз

новидностей волн свидетельствует о том, что внешние усло

вия (неоднородный состав и состояние атмосферы, рельеф мест

ности и т. п.) оказывают повышенное влияние на скорость и

траекторию распространения звуковых волн. В результате этого

не удается обеспечить высокую точность линейных измерений

при использовании указанных волн. К тому же эти волны прин

ципиально не пригодны для измерения расстояний до объектов,

находящихся за пределами земной атмосферы. В то же время

в развивающихся за последние годы методах морской геодезии

Таблица 1

Участок

спектра

Наименование волн

Длина волны

нижняя

граница

верхняя

граница

Оптический

диапазон

Ультрафиолетовые

Видимый свет

Инфракрасные

0,1 мкм

0,4 мкм

0,75 мкм

0,4 мкм

0,74 мкм

1 мм

Радиоволны

✓

СЗ

fccr

Миллиметровые

Сантиметровые

Дециметровый

Метровые

1 мм

1 см

10 см

1 м

1 см

10 см

1 м

10 м

Короткие

Средние

Длинные

Сверхдлинные

10 м

100 м

1 км

10 км

100 м

1 км

10 км

100 км

звуковые волны с успехом используются для измерения расстоя

ний в водной среде.

Что касается электромагнитных волн (интересующий нас

участок спектра приведен в табл. 1), то они значительно полнее

отвечают перечисленным выше требованиям. Так, например,

скорость распространения этих волн в вакууме является фунда

ментальной физической константой, а при распространении

таких волн в приземных слоях атмосферы максимальные укло

нения от скорости в вакууме не превышают 0,04%. В однород

ной среде электромагнитные волны распространяются прямоли

нейно. В реальной неоднородной атмосфере искривления траек

тории световых лучей невелики, и в большинстве случаев высо

коточных линейных измерений отмеченными искривлениями

пренебрегают.

Однако свету свойствен такой существенный недостаток, как

значительное затухание при распространении в тумане и дымке,

что препятствует созданию «всепогодных» дальномеров. Работа

с узконаправленными лучами, которые характерны для оптиче

ского диапазона электромагнитных волн, порождает также труд

ности измерения расстояний до движущихся объектов.

Отмеченных недостатков в значительной мере лишены радио

волны. Но, к сожалению, скорость и траектория распростране

ния последних сильнее подвержены влиянию внешних условий.

Приведенные выше факты свидетельствуют о том, что для

использования в качестве носителей информации при точном