Мацко П.В., Голубев А.Г. Введение в геотронику

Подождите немного. Документ загружается.

П.В. Мацко, А. Г. Голубев

Введение в геотроніку

Geographic

Географические

Информационные

Системы (ГІС)

в аграрных

университетах

Украины (ГІСАУ)

Information

Systems (GIS)

in Agrarian

Universities

in Ukraine (GISAU)

European Commission

Directorate-General Education and

Culture

Tempus Project CD_JEP-25215-2004

П.В. Мацко, А. Г. Голубев

Введение в “Геотронику”

Х е р с о н - 2 0 0 6

П.В. Мацко, А. Г. Голубев

Ведение в “Геотроніку”

Учебное пособие

Tempus Project CD_JEP – 25215 – 2004, GISAU

Геоінформаційні системы и технологии в аграрных университетах

Партнеры:

1. Херсонский государственный аграрный университет, ( UKR)

2. Glasgow Caledonian University, ( United Kingdom )

3. University of Gavle, ( Sweden )

4. Херсонский государственный университет ,( UKR)

Gavle – Glasgow - Херсон

УДК 528.063:528.232.23:(0.75)

ББК 26.12

Допущено Ученым Советом Херсонского ДАУ, как учебное пособие для подготовки

магистров и студентов за специальностью «Гидромелиорация», специализации «Геоінформаційні

системы и технологии в управлении водными и земельными ресурсами» согласно Проекту CD _

JEP – 25215 – 2004, GISAU (Протокол №10 от 30 июня 2006 г.)

Авторы:

Мацко Петр Владимирович – кандидат сельскохозяйственных наук,

доцент кафедры землеустройства и архитектурного

проектирования ХДАУ

Голубев Анатолий Николаевич – доктор технических наук, профессор

кафедры высшей геодезії Міігаік Рецензенты:

Пєсков І.В. – директор Херсонского научно-исследовательского и проектного института

землеустройства

Тягур В.К. – директор Государственного предприятие геодезії, картографии и кадастра

«Херсонгеоінформ»

ISBN

Мацко П.В., Голубев А.М.

Введение в геотроніку: Учебное пособие. - Херсон, ХДУ,

2006.-100с.

В учебном пособии рассмотренные физические и геометрические основы электронных

методов измерения в геодезії, приведенные примеры применения разных видов віддалемірів и

тахеометров для определения расстояний, углов и превышений, а также спутниковых

навигационно-геодезических систем для нахождения координате наземных объектов.

Для студентов, магистров и работников аграрных и землеустроительных организаций.

Координаторы проекта: профессор В.В. Морозов, Украина

профессор Едвін Грей, Объединенное Королевство Великобритании

ISBN Мацко П.В., 2006

Голубев А.М., 2006

P. Matsko, A. Golubev

Introduction to Geotronics

Textbook

Tempus -Tacis Project CD_JEP-25215-2004

Geographic Information Systems (GIS) in Agrarian Universities

in Ukraine (GISAU)

Partners:

1. Kherson State Agrarian University, (UKR)

2. Glasgow Caledonian University, (United Kingdom)

3. University of Gavle, (Sweden)

4. Kherson State University, (UKR)

Kherson-2006

УДК528.063:528.232.23:(0.75)

ББК 26.12

The textbook is approved by Scientific Council of Kherson State Agrarian University for students and

masters on major “Geoinformation Systems and Technologies in Water and Land Resources Management”

according to Project CD-JEP -25215-2004-GISAU.(Protocol №10, dates 30.06.06)

P.V. Matsko, A. M. Golubev.

Introduction to Geotronics: Textbook, Kherson, KSU, 2006. -100 pages.

Reviewers:

Peskov I.V. - director of Kherson Research and Design Institute for Land- Use

Tyagur V.K. -director of State Enterprise of Geodesy, Cartography and Cadastre “Khersongeoinform”

Physical and geometric fundamentals of electronic method of measurements in geodesy are

examined in the textbook, there are given the examples of use of different types of range-finders and

tachometers for calculation of distances, angles and exceeding between the points, as well as the use of

satellite navigation geodesy systems for defining the object's coordinates.

It is approved for masters and specialists of agrarian and land-surveying organizations.

Coordinators of the Project: Prof.: V. V. Morozov,

Prof.: Edwin Grey

ISBN

Matsko P.V., 2006

Golubev A. M., 2006

ВВЕДЕНИЕ

Для подготовки специалистов высшей квалификации необходимо обеспечить

соответствующий уровень знаний в разных сферах, в которых им необходимо будет работать. В

частности, при работе с наземными и спутниковыми радиоэлектронными методами

геодезических измерений специалисты повині усвоить теоретические основы и практические

навыки таких процессов. Данное учебное пособие предназначено для магистров, аспирантов и

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ .

Раздел 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС В РАЗВИТИЕ ГЕОТРОНІКИ.

Раздел 2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕОТРОНІКИ.

2.1. Электромагнитные колебания и волны. Основные понятия и

определение..............................................

2.2. Преобразование гармонических колебаний..

2.3. Лазеры. Эффект Допплера.

Раздел 3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ.

3.1. Общие принципы электронной віддалеметрії.

3.2. Світловіддалеміри........

Раздел 4. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ...

4.1. Электронные теодолиты....

4.2 Электронные тахеометры.....

4.3. Направления развития электронной тахеометрии..

Раздел 5. ІНТЕРФЕРОМЕТРИЧНІ МЕТОДЫ.....

5.1. Основные принципы інтерферометрії.....

5.2. Лазерные интерферометры перемещений..

5.3. Радіоінтерферометрія со сверхдлинной базой

(РНДБ).

Раздел 6. СПУТНИКОВОЕ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЕ...

6.1. Общие принципы....

6.2. Беззапитний метод. Шкалы времени и стандарты частоты

Раздел 7. ГЛОБАЛЬНЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ

7.1. Структура систем и режимы работы

7.2. Спутниковый сигнал...

Раздел 8. МЕТОДЫ СПУТНИКОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

8.1. Кодовые измерения

8.2 Фазовые измерения. Интегральный допплерівський

счет

8.3. Факторы, которые влияют на точность. Аппаратура

пользователя и образа наблюдений………………….

Раздел 9. УЧЕТ ВЛИЯНИЯ

АТМОСФЕРЫ........................................

9.1.Общие сведения..........................................................

9.2. Учет влияния атмосферы в наземной

віддалеметрії...

9.3. Учет влияния атмосферы при спутниковых

измерениях………………………………………………

СПИСОК

ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................

студентов, которые изучают геоінформаційні системы и технологии, связанные с получением,

накоплением и обработкой геодезической, экологической и другой информации.

Современная полевая геодезическая аппаратура представляет собой объединение

электронного или оптико-электронного оборудования и процессора. Обработку измерений

выполняют на компьютерах в режиме реального времени или почти одновременно с них

выполнением. Практический опыт показывает, что на крупных объектах 60-70% работы

выполняется с использованием спутниковых методов, а все другое наземными методами, в

основном электронными тахеометрами [2].

Конечным результатом выполнения геодезических и кадастровых работ на данный регион

или объект есть геоінформаційні системы. Они включают каталог пунктов геодезической

опорной сети, данные кадастровых и землеустроительных работ, а также позволяют вносить и

учитывать разного рода информацию. Все этапы создания такой системы, начиная с

построения, обновление, усовершенствование опорной геодезической сети и заканчивая

обработкам и архивированием результатов кадастровой съемки, нуждаются в высокой

квалификации [3,4].

Основным параметром, который определяется при геодезических или топографических

роботах, есть координаты пунктов или объектов. С этой целью измерятся линейные и угловые

величины с помощью электронных методов в том числе и с использованием навигационно-

спутниковых систем. В учебном пособии сделанная попытка даты по возможности простое,

короткое и наглядное изложения основных аспектов геотроніки. В отдельных местах для более

ясного восприятия основных идей и принципов современной геотроніки опущенные не очень

существенные детали. Вопросы, которые детально рассматриваются в общедоступных

источниках информации, описанные коротко. Промежуточные математические выкладки не

приводятся. Количество структурных схем оборудование сведено к минимуму за счет обобщения

схем.

Для более совершенного усвоения дисциплины необходимая практическая работа с

современными навигационно-геодезическими спутниковыми системами и электронными

тахеометрами в производственных условиях.

Раздел 1. ИСТОРИЧЕСКИЙ ЭКСКУРС В РАЗВИТИЕ ГЕОТРОНІКИ

Что такое геотроніка? В истории развития методов и средств геодезических

измерений за последние полстолетия состоялись две революции. Первая с них осуществилась в

сороковых – пятидесятых годах ХХ век, и состояла она в том, что в геодезію пришлая

электроника. До этого все геодезические приборы были исключительно оптико-механичными

устройствами. Электроника начала свой триумфальный ход в геодезії из линейных измерений,

потом проникла в угловые измерения, а со временем и в найконсервативнішу область –

нивелирование. Интенсивная разработка светловіддалемірів, радіовіддалемірів, электронных

тахеометров, радіогеодезичних систем для определения координат подвижных объектов

означала наступление новой эры в геодезії. Огромную роль сыграло появление в 1960 году

лазеров, бурное развитие микроэлектроники и вычислительной техники, которая обеспечила

создание современных компьютерных технологий. К выше перечисленным электронным

средствам геодезических измерений добавились лазерные интерферометры и баллистические

(лазерные) гравиметры.

Вторая революция, начало которой относится к семидесятым лет, - это создания

глобальных спутниковых навигационно-геодезических систем. Хотя разработка и использования

спутниковых систем типа «Транзит» (США) и «Цикада» ( СССР) для цели навигации началась еще

в 60-х годах, переворот в геодезії совершили именно глобальные системы: GPS (США) и ГЛОНАСС

(Россия). Эти системы называются глобальными потому, что они обеспечивают получение

координат в любой точке Земли в любой произвольный момент времени. В них реализованные

принципиально новые методы измерений, и эти системы позволяют осуществить абсолютно

новые подходы к выполнению геодезических работ.

Роль глобальных спутниковых систем тяжело переоценить. Определение координат

точек на земной поверхности с помощью этих систем получило широкое применение в самых

разных областях людской деятельности. Координаты нужны не только геодезистам – они нужны

и морякам, и авиаторам, и военным, и участникам разных экспедиций, и многим другим

потребителям. Раньше, чтобы получить координаты, приходилось выполнять трудоемкие

геодезические работы на местности, измеряя геометрические величины – расстояния, углы и

превышения между точками на земной поверхности. Для передачи координат надо было строить

сети разных конфигураций, закрепленные на местности специальными центрами, которые

спорят в верхнем пласте земной поверхности. Над центрами сводились геодезические знаки

( пирамиды, сигналы) – деревянные или металлические «надзорные башни», часто значительной

высоты ( до 30м), для обеспечения взаимной видимости между пунктами. Появление спутниковых

систем сделало, в принципе, ненужными все эти работы. Имея спутниковый приемник, мы имеем

возможность сразу же определить координаты места его установки с точностью порядка

десятков метров, которые достаточно для многих навигационных задач, а при наличии двух

приемников получить «геодезическую точность» определение их взаимного положения – к

сантиметрам и даже миллиметрам. Это позволяет создавать опорные сети, выполнять

съемочные и прив'язочні работы намного более эффективно в сравнении с традиционными

методами.

Исторически появлению глобальных спутниковых систем предшествовала разработка

метода радіоінтерферометрії со сверхдлинной базой (РНДБ) и создание лазерных спутниковых

віддалемірів для измерения расстояний к искусственным спутникам Земли (ШСЗ). Именно этими

средствами построенная глобальная геодезическая сеть, которая постоянно

совершенствуется, и есть опорной для сетей, создаваемых всеми другими методами.

В результате указанных революций и эволюции измерительной техники, которая

происходила между ними, современная геодезія является областью, в которой измерение

выполняются преимущественно электронными средствами. Слияние геодезії и электроники

привело к образованию нового раздела геодезической науки – геотроніки, а также к возникновению

учебного курса с той же названием.

Геотроніка как наука. Научное содержание геотроніки представляет применение ее

достижений для разработки новых образов решения разных задач геодезії. Здесь можно выделить

два направления. Первый с них – использование достижений геотроніки для решения

фундаментальных научных задач геодезії. К ним относятся усовершенствования земной системы

координат, определение параметров обращения Земли, создание глобальных геодезических

сетей, изучение геодинамических явлений, постановка планетарных исследований и так далее.

Основными методами и средствами здесь есть РНДБ, лазерная спутниковая віддалеметрія,

лазерная локация Луны и глобальные спутниковые системы. Второй направление – это

использования методов и средств геотроніки для решения практических задач геодезії. В

современном понимании большинство таких задач сводится к обеспечению создания

геоінформаційної системы на территорию страны в целом и на каждый ее регион и объект в

частности.

Геоінформаційна система содержит данные о результатах выполненных на той или

другому участку топографо-геодезических и кадастровых работ. Она позволяет оперативно

вносить изменения в банк данных: результаты новых измерений, сведения о выявлены грубые

ошибки в выполненных раньше роботах, результаты сравнения, данные о снова созданных и

утраченных опорных пунктах и т.д. В некоторых регионах с использованием спутниковых систем

совершенствуется геодезическая сеть, созданная когда-то наземными методами. Получение

более точных координат требует внесения исправлений в топографические и кадастровые

материалы. Эта процедура легко выполняется при наличии геоінформаційної системы на

конкретный регион или объект.

Наиболее эффективным средством создания геоінформаційної системы, которая

объединяет результаты геодезических, топографических и кадастровых работ, есть

объединения спутниковых методов и электронной тахеометрии, причем на частицу спутниковых

измерений приходится от 50 до 90 % объема работ.

И спутниковая аппаратура, и электронные тахеометры за последние 10-15 лет

совершенствовались чрезвычайно быстрыми темпами. За эти годы электронный тахеометр

прошел путь от прибора, что является оптическим теодолитом со світловіддалемірною

насадкой и отдельным вычислительным устройством, к «роботизованої станции», что имеет

возможность дистанционного управления. Она оснащена сервоприводами, микрокомпьютером с

многофункциональным пакетом программ. Есть возможность автоматического наведения на

цель и ее відстежування, предусмотренная передача информации по телеметрическому каналу

связи. Разработанная модульная геодезическая система, которая объединяет спутниковый

приемник, электронный тахеометр и мощный полевой компьютер.

Существует еще одно направление в области геотроніки, что имеет большое значение

для прикладной геодезії. Это создания пространственно-координатных систем (ПКС) для

прецизионного ( с ошибкой 10-50 мкм) определение координат контрольных точек сложных

поверхностей ( таких, как крыло самолета или элементы антенны радиотелескопу). Такие

системы называют 3 D-Системами – от английского 3-dimension (трехмерные,

трьохкоординатні). Существующие системы используют или электронные стежачі теодолиты,

которые выполняют прямую угловую засечку, или стежачі лазерные интерферометры, которые

осуществляют линейную засечку. Работа управляется компьютером и выполняется в

пространстве объемом до нескольких кубических метров.

Что касается измерений с помощью глобальных спутниковых систем, то эта технология

беспрерывно и стремительно совершенствуется. К числу последних достижений входят такие,

как разработка двохсистемних приемников GPS/ГЛОНАСС, возможность получения

дифференциальных поправок из геостационарного спутника связи и радиомаяков, возможность

работы в режиме кинематики в реальном времени, которая не требует постобробки,

объединение спутникового приемника с электронным тахеометром. Появление спутниковых

систем сделало ненужным применение радіовіддалемірів, которые широко использовались раньше,

поставивши точку у них производстве, и сильно повлияла на роль світловіддалемірів. Полезно

отметить, что к недавнему времени была общепринятой классификация світловіддалемірів,

согласно которой они делились на три группы:



Світловіддалеміри группы Г (геодезические), что имеют дальность действия до 15-

50 км и точность порядка



(5-10)мм + (1-2)мм/км



, предназначенные для измерения сторон в

государственных геодезических сетях и базисов триангуляций высших классов.



Світловіддалеміри группы Т (топографические), с дальностью действия до

нескольких километров и точностью 5 мм + 5 мм/км (типичное значение), предназначенные для

измерения расстояний в геодезических сетях сгущения и для топографических съемок.



Світловіддалеміри группы П (употребляемые в прикладной геодезії), с дальностью

действия до 0,3 – 3 км ( в отдельных случаях и больше), что характеризуются повышенной и

наивысшей точностью измерений (ошибка близко 2 мм и менее). Их часто называют также

прецизионными віддалемірами.

Приведенную классификацию в данное время можно считать устаревшей. С появлением

глобальных спутниковых систем геодезические світловіддалеміри практически вытесненные со

сцены, а топографические світловіддалеміри, как правило, используются не как отдельные

приборы, а в составе электронных тахеометров. Фактически сохранили свое значение лишь

прецизионные віддалеміри с них высокой точностью, которые используются для решения

специальных задач прикладной геодезії ( при монтажи и эксплуатации ускорителей заряженных

частичек, антенн радиотелескопов и других уникальных сооружений).

Не следует, однако, считать, что спутниковые системы есть некоторой «панацеей»,

которая может быть использована во всех случаях. В реальных условиях измерений часто

встречаются ситуации, когда работа спутниковых систем затруднена, а иногда и просто

невозможная из-за неблагоприятных условий наблюдений, когда местные препятствия

экранируют прямое прохождение радиосигналов от спутников или создают многочисленные

отражения радиоволн от зданий, металлических конструкций и т.п., возбуждаясь стойкую работу

спутниковых приемников (особенно характерно это при работе в городских условиях).

Невозможно использовать спутниковые системы при маркшейдерских роботах. Все это

учитывается при планировании спутниковых измерений, и в ряде случаев приходится

использовать и «традиционные методы» світловіддалеметрії и электронной тахеометрии.

Еще одна важная область применения геотроніки – метрологическое обеспечение

геодезических измерений. Сюда входит построение высокоточных метрологических базисов для

калибрования віддалемірів и электронных тахеометров. Здесь существенная роль принадлежит

оптической інтерферометрії, как самому точному методу линейных измерений. На основе нового

определения метра и создания единого эталона времени- частоты- длины передача размера

единицы длины на базис осуществляется с помощью лазерного интерферометра с гелий-

неоновым (Не-Ne) лазером, откалиброванным за оптическим стандартом частоты. Следует

отметить также, что лазерный интерферометр является основой абсолютного

баллистического гравиметра. Баллистические гравиметры используют для метрологического

обеспечения гравиметрической сети страны.

Все перечисленные направления геотроніки образовывают могутній арсенал

измерительной техники в современной геодезії и достаточной мерой отображенные в курсе

«Геотроніка».

Геотроніка как учебная дисциплина. Курс «Геотроніка» сформировался на основе курса,

который носил раньше название «Радіогеодезія». Позднее появилось более длинное название

«Радіогеодезичні и электрооптические измерения». В 90-х годах курс включил спутниковые

измерения, и его название стало настолько длинным, что стало вызвать неудобства. Отметим,

что название «Радіогеодезія», при всей своей сжатости, имеет существенный недостаток.

Существует много областей геодезії: высшая геодезія, космическая геодезія, морская геодезія,

прикладная геодезія. Все эти названия отображают разные области применения геодезії.

Радіогеодезія же, будучи по звучанию похожая на эти названия, выпадает из этого ряда, поскольку

«обслуживает» все указанные области. Термин«геотроніка» – объединение слов «геодезія» и

«электроника» - лучше отображает сущность дела, поскольку обозначает не область

применения геодезії, а совокупность электронных методов и средств геодезических измерений,

которые могут использоваться в любой области геодезії.

В основе спутниковых методов лежат принципы, которые относятся к электронным

методам линейных измерений, то есть до одного из разделов геотроніки. Поэтому введение

новых « спутниковых дисциплин» не исключает сохранения в курсе геотроніки материала по

основным принципам спутниковых измерений.

Предлагаемый для дистанционного компьютерного обучения курс «Геотроніка» является

какой-то мерой «универсальным» и может использоваться студентами любой специальности,

которые изучают данный предмет на протяжении одного семестра. В основе лежит идея

создания базового курса, который отображает реальность – повсеместное применение

электронных методов в геодезії. При отборе материала и изложении отдельных разделов главное

внимание предоставлено поэтому, чтобы обеспечить усвоение студентами ключевых,

основоположных принципов геотроніки, дать студентам, так сказать, «электронно-

геодезическую подготовку», которая стала бы базой для изучения в дальнейшем методов,

приборов и систем, которые рассматриваются в других дисциплинах.

Особенностью курса «Геотроніка» есть его «синтетичность». В нем используются

разные области знания: радиоэлектроника, физическая оптика, лазерная техника, высшая

геодезія, спутниковая геодезія, математический анализ. Имея на внимании вышеизложенное, в

данном курсе сделанная попытка даты по возможности простой, короткий и наглядный, но

вместе с тем достаточно строгое изложение всех основных аспектов современной геотроніки.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

1. Когда началось проникновение электроники в геодезію?

2. Когда появился первый лазер?

3. Какая спутниковая система не является глобальной?

4. Что определяется по помощи спутниковых систем?

5. Что является предметом изучения в геотроніці?

6. Какие приборы и устройства используются для создания геоінформаційної

системы?

7. Какие координаты определяют пространственно-координатные

системы?

8. Которые світловіддалеміри имеют максимальную точность?

9. В которых условиях могут работать спутниковые приемники?

10.Что играет главную роль при метрологическом обеспечении линейных

измерений?