Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

В.С.ПЛОТНИКОВ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ

ПРИБОРЫ

Допущено Министерством высшего и среднего

специального образования СССР

в качестве учебника для студентов

оптических специальностей вузов

МОСКВА "НЕДРА" 1987

Плотников B.C. Геодезические приборы: Учебник для вузов. - М.: Недра,

1987. - 396 сил.

Даны основы теории, расчета и проектирования геодезических приборов. По-

казана общая методология системного подхода при проектировании приборов,

даны конкретные примеры расчета, обоснования и оптимизации параметров геоде-

зических приборов и их механизмов. Изложены ошибки осевых систем. Приведены

сведения о современных геодезических приборах и перспективах их развития.

Для студентов оптических специальностей вузов.

Табл.

11, ил. 172, список лит. - 43 назв.

Рецензенты: кафедра оптических приборов Новосибирского института инже-

неров геодезии, аэрофотосъемки и картографии и П.Д. Иванов, д-р техн. наук

(Ленинградский институт точной механики и оптики).

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решениях

XXVII

съезда КПСС записано, что ключевую роль в материа-

лизации новейших достижений иауки и техники партия отводит машино-

строению, причем приборостроение названо среди его приоритетных на-

правлений.

Среди многочисленных видов высокоточных оптических приборов

одними из самых широко применяемых являются геодезические, разра-

ботка которых требует подготовки высококвалифицированных спе-

циалистов.

Последнее издание учебника "Геодезические инструменты и при-

боры" [7] вышло в свет в 1973 г. За этот более чем десятилетний пери-

од,

естественно, появилось много нового в геодезическом приборостро-

ении. Разработаны новые геодезические приборы, появилась литература

с изложением последних достижений науки и техники в этой области.

Многие разработки и положения по геодезическим приборам нашли свое

отражение в государственных и отраслевых стандартах. Изменилась

и программа курса "Геодезические приборы". Ныне действующий

ГОСТ

21830—76

определяет геодезические инструменты как приборы,

поэтому название курса и соответственно учебника изменено на "Геоде-

зические приборы".

В учебнике в соответствии с программой уделено основное внима-

ние основам теории, методам расчета и проектирования геодезических

приборов и их основных частей. Описание отдельных приборов и конст-

рукций дано лишь в том объеме, в котором это необходимо для изложе-

ния вопросов расчета и обоснований параметров. Не освещены также

вопросы исследований отдельных частей и элементов, например опреде-

ление цены деления уровня, исследование ошибок делений лимбов, по-

верки приборов и т.п., подробно освещенные в курсах по "Геодезиче-

скому инструментоведению" и "Геодезии".

В учебник включены вопросы, имеющие прямое отношение к расче-

ту и обоснованию параметров геодезических приборов и не рассматри-

вавшиеся в предыдущих учебниках, например ошибки осевых систем,

причем этот вопрос рассмотрен с общих позиций, позволивших выявить

существенные особенности и характер проявления этих ошибок и уточ-

нить их классификацию. Вопросы проектирования и конструирования

освещены также с современных позиций, уделено большое внимание

методам оптимизации параметров на основе системного подхода.

Расширены вопросы, связанные с применением теории информации,

показаны методы определения информационных параметров геодезиче-

ских приборов с привлечением аппарата дискретной энтропии.

Большое внимание уделено невизуальным автоматическим отсчет-

ным системам и устройствам, системам с применением лазеров.

Значительно расширены сведения по проектированию кинотеодоли-

тов и оптических приборов спутниковой геодезии.

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. Геодезическое приборостроение и его предмет

Геодезия как наука является одной из самых древних наук. Столь же

древней является и материальная база геодезии

—

геодезическое прибо-

ростроение, хотя в современном виде оно оформилось в отдельную дис-

циплину сравнительно недавно.

Геодезическое инструментоведение, составляющее ранее раздел

геодезии, под влиянием точного приборостроения, оформилось в само-

стоятельный предмет для подготовки специалистов по разработке геоде-

зических приборов. Учебное пособие проф. С.В. Елисеева "Геодезиче-

ское инструментоведение" (1952 г.) было первой книгой, обобщающей

вопросы расчета и конструирования геодезических приборов. В даль-

нейшем по мере развития курса он стал называться для приборострои-

тельной специальности "Геодезические инструменты и приборы", а для

геодезических специальностей до настоящего времени читаются курсы

"Геодезическое инструментоведение" и "Геодезическое прибороведе-

ние".

Следует отметить, что геодезическое приборостроение во многом

обязано своим развитием геодезистам, а не только приборостроителям.

В теорию геодезических приборов внесли большой вклад Ф.Н. Красов-

ский, А.С. Чеботарев, В.В. Данилов и многие другие геодезисты. Боль-

шой шаг вперед в области создания новых отечественных светодально-

меров сделан группой специалистов и ученых под руководством проф.

В.Д. Большакова. Разработанные и доведенные до производственного

использования светодальномеры серии СТ оказали большое влияние на

создание других приборов этого направления. Обобщение теоретических

и практических результатов окажет существенное влияние на подготов-

ку специалистов, как геодезистов, так и приборостроителей. Следует

отметить работы проф. Х.К. Ямбаева, доц. П.Н. Кузнецова по созданию

лазерных геодезических приборов многоцелевого назначения, приборов

и приспособлений для створных измерений и др. Таких примеров можно

было бы привести много. Развитие геодезической науки, появление прин-

ципиально новых ее разделов, таких, как "Космическая геодезия", при-

водят к соответствующему развитию геодезического приборостроения.

Теперь уже геодезические приборы служат для измерения объектов

от нескольких метров до тысяч километров со все возрастающими тре-

бованиями к точности, степени автоматизации и уровню обслужи-

вания.

Современное геодезическое приборостроение характеризуется при-

влечением новейших средств оптики, квантовой электроники, радио-

электроники, информационно-измерительной, микропроцессорной и вы-

числительной техники, автоматики и систем управления. Создание совре-

менных геодезических приборов невозможно без использования новей-

ших достижений технологии, микроэлектроники, современной элемент-

ной базы.

За последнее десятилетие все большее внимание уделяется исполь-

зованию новых достижений и в области проектно-конструкторских

работ, на приборостроительных специальностях некоторых вузов начали

читаться курсы по системному проектированию и конструированию при-

боров. Значительное внимание уделяется изучению и внедрению элемен-

тов систем автоматизированного проектирования (САПР).

Основное содержание предмета "Геодезическое приборостроение"

включает основы теории, расчет, проектирование и конструирование

геодезических приборов, их частей и устройств на основе системного

подхода. Системный подход предусматривает проведение оптимизации

параметров прибора с одновременным технико-экономическим анали-

зом конструкторских, технологических и методических мер по обеспе-

чению заданной конечной точности прибора, государственных и отрасле-

вых стандартов.

Труды советских ученых по вопросам теории и точности геодезиче-

ских приборов и установления требований к ним, результаты творчес-

кой работы многих советских геодезистов и приборостроителей позво-

лили успешно создавать новые геодезические приборы.

Сведения об истории развития геодезического приборостроения

изложены в упомянутой книге СВ. Елисеева и в книге П.Н. Кузнецова,

И.Ю. Васютинского, Х.К. Ямбаева "Геодезическое инструментоведение"

(М.,

"Недра",

1984).

§ 2. Основные виды геодезических работ и общая классификация

геодезических приборов

Геодезические работы характеризуются значительным разнообрази-

ем измерений, вид и точность которых определяются поставленной за-

дачей.

Назначение и точность являются, как правило, основными признака-

ми при общей классификации геодезических приборов.

По назначению, в соответствии с основными видами геодезиче-

ских работ, геодезические приборы можно подразделить на следующие

группы:

Приборы для измерения длин линий.

В зависимости от цели измерения, и в первую очередь от его точно-

сти,

применяются различные приборы. Для простых измерений коротких

линий - рулетки, ленты, длиномеры, дальномеры геометрического типа;

для высокоточных базисных измерений и измерений значительных рас-

стояний — подвесные мерные приборы (инварные проволоки), свето-

дальномеры, радиодальномеры. Свето- и радиодальномеры имеют особое

значение для повышения производительности и точности измерений,

а также при измерении расстояний до недоступных и подвижных объ-

ектов (например

в морской и космической геодезии).

2. Приборы для измерения углов.

Здесь следует выделить простейшие приборы

—

транспортиры, экке-

ры,

эклиметры, буссоли; основные угломерные приборы — теодолиты

различного назначения и точности: высокоточные (прецизионные) (для

измерения углов при астрономо-геодезических измерениях, в триангу-

ляции и полигонометрии высших классов и т.п.), точные - для измере-

ния углов при сгущении опорных сетей и инженерных съемках, техни-

ческие

—

для измерений при невысокой точности. В зависимости от назна-

чения, точности и уровня производства принципиальное построение

теодолитов может быть различным: они могут быть механическими,

оптическими, кодовыми и др. Отдельно следует выделить группу прибо-

ров для измерения небольших углов и угловых отклонений от заданно-

го направления в пределах углового поля. Эти приборы характеризу-

ются небольшим диапазоном измерений (до нескольких градусов)

и высокой точностью (0,1 " и выше).

3. Приборы для измерения высот и превышений.

К ним относятся: нивелиры различной точности - с уровнем, с само-

устанавливающейся линией визирования, с наклонным лучом визирова-

ния; микробаронивелиры; гидронивелиры; профилографы.

4. Приборы для створных измерений и контроля установки обору-

дования в проектное положение.

5. Комбинированные и специальные приборы.

К комбинированным приборам, т.е. к приборам, позволяющим

получить измерения нескольких видов (например, угол и расстояние),

относятся: кипрегели, тахеометры.

Промежуточное положение между комбинированными и специаль-

ными занимают топопривязчики и инерциальные системы. К специаль-

ным можно отнести оптические системы для измерения траектории

в космической геодезии и полигонных измерениях (астрометрические

приборы типа АФУ-75, ВАУ; кинотеодолиты; оптические локаторы;

радиометры-пеленгаторы и др.).

По точности измерений не по всем группам геодезических прибо-

ров имеется установившаяся классификация. Есть определенные указа-

ния лишь в стандартах на теодолиты, нивелиры и дальномеры. Теодоли-

ты и нивелиры подразделяются на: высокоточные - средняя квадратиче-

ская ошибка измерения угла не более 1" и превышения - не более

0,5 мм на 1 км хода; точные

—

не более 10" - по углу и 4 мм на 1 км

хода - по превышению; технические - более 10" - по углу и более

5 мм на 1 км хода - по превышению. Подробная классификация основ-

ных геодезических приборов (теодолитов, нивелиров и др.) будет дана

в соответствующих главах.

По степени автоматизации кроме указанных выше кодовых

теодолитов полезно выделить лазерные геодезические приборы (ниве-

лиры, визиры и др.) и многие из комбинированных и специальных при-

боров, обладающих высокой степенью автоматизации (например, топо-

привязчики, инерциальные системы, оптические системы для измерения

траектории).

§ 3. Особенности геодезических приборов н основные требования,

предъявляемые к ним

Геодезические приборы используются как в лабораторных так и в поле-

вых условиях.

Большинство геодезических приборов предназначено для полевых

работ в самых различных физико-географических условиях, в любое

время года. Это предъявляет особые требования к их конструкции, ко-

торая должна обеспечивать неизменность параметров во времени и при

воздействии внешней среды.

Высокоточные геодезические приборы должны надежно функциони-

ровать и обеспечивать заданные параметры при температуре от -30

до +50 °С, при относительной влажности до 95 % при температуре 20 °С.

Для менее точных геодезических приборов диапазон отрицательных

температур увеличен до -40 °С.

Технологические условия проведения геодезических работ требуют

частой переноски и перевозки приборов. Это определяет соответствую-

щие требования к геодезическим приборам. Они должны допускать

транспортировку любым видом транспорта на значительные расстояния

и переноску в укладочных футлярах в походном положении. Отсюда

вытекает и очевидное требование минимальной массы и небольших габа-

ритов геодезических приборов и их блоков питания. Допустимая масса

многих приборов установлена ГОСТами, например, для всех типов

теодолитов и нивелиров. Так, ГОСТ

10529-79

для теодолитов типа Т2

устанавливает массу не более 5 кг, а с принадлежностями в упаковке

—

не более 9 кг.

Полевые и экспедиционные условия работы определяют также тре-

бования по минимальному энергопотреблению, удобству чистки, регу-

лировки и юстировки узлов и элементов приборов, удобству проведе-

ния поверок. При этом внутренние полости приборов должны быть на-

дежно защищены от пыли, особенно их оптические системы и элементы,

а число необходимых регулировок и юстировок должно быть мини-

мальным. Выполнение комплекса указанных требований с учетом поле-

вых и всесезонных условий работы геодезических приборов, которые

в целом относятся к классу точных и высокоточных приборов, состав-

ляет достаточно сложную научно-техническую задачу.

Как было указано в § 2, точность угловых измерений характеризу-

ется ошибками 1" и менее; определения превышений - 0,5 мм на 1 км

хода; определение расстояний - относительной ошибкой^до 1/1 000 000;

астрономические определения - ошибкой 0,3 " и менее.

Раздел I

ОСНОВЫ ТЕОРИИ, ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАСЧЕТА

И ОБОСНОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ

ПРИБОРОВ

Глава 1

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ДЛИН И УГЛОВ. ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ СХЕМЫ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

§ 4. Основные метрологические характеристики

геодезических приборов

Метрологические характеристики геодезических приборов выбирают

[28] с учетом следующих особенностей последних:

1) геодезические приборы являются многозначными средствами

измерений, как правило, с большим диапазоном измерений и равномер-

ной шкалой системы отсчета;

2) геодезические приборы предназначены в большинстве случаев

для использования по отдельности (вне системы или комплекса), если

они сами принципиально не составляют измерительный комплекс или

систему. Например, измерительный комплекс траекторных измерении,

инерциальная автоматическая измерительная система и т.п.;

3) случайные ошибки измерений существенно влияют на суммарную

ошибку геодезических приборов;

4) сложные геодезические системы и измерительные комплексы

содержат приборы и системы вспомогательного назначения, метрологи-

ческие характеристики которых являются общими для измерительных

приборов [16] и учитываются при проектировании всего комплекса.

С учетом этих особенностей и рекомендаций ГОСТ

8.009-72

можно

отметить следующие основные метрологические характеристики геоде-

зических приборов.

Диапазон измерений Y

= x

max

где x

max

верхний и нижний пределы измерения соответственно.

2. jjf - цена деления шкалы, разность значений измеряемой вели-

чины, соответствующей двум соседним отметкам шкалы.

3. Характеристики ошибки средств измерений.

3.1.

А - суммарная ошибка средств измерений, нормируется обычно

пределом Д

допускаемого значения суммарной ошибки средств изме-

рения данного типа: Д

= Д

сд

+ Кт

(Д°), где К - коэффициент, зави-

сящий от принятой доверительной вероятности P

К = f(P) определяется

из исследований разработчиком и вносится в конструкторскую и экс-

плуатационную документацию;

сц

предел допускаемого значения

систематической составляющей ошибки средств измерения данного типа.

3.2. Д

систематическая составляющая ошибки средств измерений.

3.3. Д° -

случайная составляющая погрешности средств измерений.

Характеристики выбираются

зависимости

от:

а) /я

(Д°)

предела допускаемого значения среднего квадратиче-

ского отклонения случайной составляющей ошибки;

б)

А (Д°) -

стандартной аппроксимации функции распределения

случайной составляющей ошибки средств измерений.

Характеристики

Д, Д

и Д° -

ошибки средств измерений

могут

быть выражены

как

характеристики абсолютных, относительных

или

приведенных ошибок

виде числа

или

функции информативного пара-

метра. Например, ошибка измерения светодальномерами выражается

за-

висимостью

Д = ± (а +

Ь*10~

D),

мм, где D -

измеряемая дистанция.

При диапазоне измерений

от 0,5 до 40 км, а - 10, b = 2,

дистанции

= 10 км

абсолютная ошибка будет

= ± (10 + 2-10~

10-10

) =

±30

мм.

Относительная ошибка

для

линии

D- 10 км:

Дю

30 1

610

~~ D ~

Ю-

333 000 "

Относительная ошибка

не

является постоянной, даже

случае, если абсо-

лютная ошибка

для

любой точки диапазона одинакова,

так как

относит-

ся

данной точке диапазона измерений.

Приведенная ошибка характеризуется отношением абсолютной ошиб-

ки

ко

всему диапазону измерений, т.е.

для

данного случая

А40

*max - *min (40- 0,5)

ЧО

440 000

Как видно, приведенная погрешность является постоянной величиной

для данного прибора,

и в

зависимости

от ее

величины измерительные

приборы разделяются

на

классы точности.

Это

особенно характерно

для

электро-

радиоизмерительных приборов.

— вариация показаний прибора

—

средняя разность отсчетов

по

измерительному прибору

данной точке диапазона измерений, соответ-

ствующих одинаковым входным сигналам, устанавливаемым независи-

мо.

Для

геодезических приборов примерами вариаций показаний могут

быть изменения отсчетов

при

наведении трубы

на

цель вращением

мик-

рометренного винта алидады

по

ходу

против хода часовой стрелки;

изменение отсчетов

по

рейке дальномера двойного изображения

при

совмещении штрихов движением установочного винта

на

ввинчивание

вывинчивание

и т.п.

Динамические характеристики прибора:

5.1.

время установления показаний, время успокоения. Вре-

менем успокоения характеризуются подвесные системы компенсаторов