Журнал Радио 10 номер 2002 год. НАУКА И ТЕХНИКА

Журнал Радио 10 номер 2002 год. НАУКА И ТЕХНИКА ГЕОТРОНИКА: ЭЛЕКТРОНИКА В ГЕОДЕЗИИ Наземные методы А. Н. ГОЛУБЕВ,
док. техн. наук,
проф. Московского государственного
университета геодезии и картографии  

Трудно назвать область человеческой деятельности, в которую не проникли бы достижения современной радиоэлектроники. Не осталась в стороне и одна из самых древних наук — геодезия, наука об «измерении Земли».

Геодезические измерения на земной поверхности решают множество задач. Прежде всего, это создание карт различных масштабов. Но не только: геодезия совместно с астрономией, гравиметрией (наукой об измерении ускорения силы тяжести), геофизикой и другими науками о Земле позволяет определять геометрические и геофизические параметры планеты, исследовать вариации скорости ее вращения, учитывать движение полюсов, изучать деформации земной коры, осуществлять прецизионный контроль инженерных сооружений. В отдельные направления выделились морская геодезия, прикладная геодезия, космическая (спутниковая) геодезия и др. Но во всех случаях собственно геодезические измерения сводятся к определению всего трех геометрических величин: расстояний, углов и превышений (разностей высот точек). Эти величины могут быть полезными и сами по себе, особенно в прикладной геодезии (на стройплощадках, при разметке местности), но, главное, они позволяют вычислить координаты определяемых точек. Координаты интересуют не только геодезистов — они нужны и морякам, и авиаторам, и военным, и участникам различных экспедиций, и еще многим.

Если мы вернемся на полвека назад, то обнаружим следующую картину. Расстояния измеряют стальными 20-метровыми лентами, последовательно укладывая их на местности вдоль измеряемой линии, а при точных измерениях — подвесными 24-метровыми инварными проволоками. (Это была исключительно трудоемкая работа!) Для быстрых измерений применяют оптические дальномеры, основанные на использовании чисто геометрического принципа — решения сильно вытянутого ("параллактического") треугольника с небольшим основанием (базой), но точность таких дальномеров не превышает одной тысячной доли от длины измеряемой линии, а дальность действия — нескольких сотен метров.

Для угловых измерений используют теодолиты — оптико-механические угломерные приборы, содержащие зрительную трубу, горизонтальный и вертикальный угломерные круги и отсчетные приспособления для измерения углов.

Наконец, для определения превышений служат нивелиры, представляющие собой комбинацию зрительной трубы с точным пузырьковым уровнем, позволяющим приводить визирную ось трубы в строго горизонтальное положение. После приведения наблюдатель берет отсчеты по двум рейкам с делениями, вертикально установленным на точках, разность высот которых надо определить; разность отсчетов и дает искомое превышение.

Таким образом, все геодезические инструменты того времени были исключительно оптико-механическими приборами. Ситуация сохранялась примерно до середины 50-х годов прошлого столетия. А потом наступил период, который можно смело назвать революцией в геодезическом приборостроении: в геодезию пришла электроника.

Она начала свое триумфальное шествие с линейных измерений, затем проникла в угловые измерения, а в последнее время и в наиболее консервативную область — нивелирование. Огромную роль сыграло появление в 1960 году лазеров, развитие микроэлектроники, а впоследствии — компьютерной техники и спутниковых технологий. Слияние геодезии и электроники привело к образованию нового понятия — геотроники. Что же представляет собой геотроника в настоящее время?

Прежде всего, для измерения расстояний вместо мерных лент и проволок используются электромагнитные волны, что сократило время собственно измерений (т. е. не считая времени на установку приборов) буквально до нескольких секунд (вместо дней и недель!), причем независимо от длины измеряемой линии. Здесь есть два основных подхода. Первый заключается в том, что расстояние между, скажем, пунктами А и В получают, измерив время распространения электромагнитных волн от А до В и умножив его на скорость распространения v. (Последняя может быть найдена как с/n, где с — скорость света в вакууме, известная очень точно, a n — показатель преломления воздуха, вычисляемый по измерениям температуры, давления и влажности). Этот путь особенно удобен при использовании электромагнитного излучения (в частности, светового) в виде коротких импульсов. Время распространения τ измеряется следующим образом: излучаемый из пункта А импульс запускает электронный счетчик времени. Пройдя расстояние до пункта В и обратно (в пункте В располагается отражатель), импульс останавливает счетчик. Таким образом, измеряется двойное время распространения. Метод называется временным или импульсным и, по сути, мало отличается от импульсной радиолокации, хотя используется, как правило, в оптическом диапазоне.

Второй подход к измерению расстояний очень напоминает ситуацию с мерными лентами: в качестве своеобразной мерной ленты выступает длина волны электромагнитного колебания (при непрерывном излучении), которую "укладывают" в двойном измеряемом расстоянии и определяют количество уложений. Расстояние получается как половина произведения длины волны на число уложений. Это число в общем случае (как и при измерении лентой) не будет целым — оно равно N + ΔN, где N — целое число, a ΔN — дробь, меньшая единицы. Длину волны можно определить, зная заранее или измерив частоту колебаний. Дробную часть ΔN получить легко, для этого нужно измерить разность фаз излучаемых и принимаемых (прошедших двойное расстояние) колебаний. А вот определение целого числа N является основной проблемой. Ее можно решить, если измерить разность фаз на нескольких различных длинах волн. Поскольку измеряются разности фаз, данный метод называется фазовым.

В наземных фазовых свето- и радиодальномерах для измерений используют не длину волны излучения, а длину волны модуляции, которая значительно больше. Дело в том, что частота самого излучения слишком высока для определения фазы. Обобщенная схема построения фазового дальномера показана на рис. 1. Источник света или радиоволн излучает несущие гармонические колебания вида Asin(ωt + φo). Но перед излучением один из этих параметров (в светодальномерах обычно амплитуда А, определяющая интенсивность света, а в радиодальномерах — частота f =ω/2π) модулируется по синусоидальному закону с некоторой частотой F, намного меньшей несущей частоты f. Этой частоте соответствуют более длинные «волны модуляции», которые и играют роль мерной ленты, укладываемой в измеряемом расстоянии. При этом дробная часть уложений ΔN = Δφ/2π, где разность фаз Δф, лежащая в пределах от 0 до 2π, измеряется фазометрическим устройством.

Наземные фазовые дальномеры измеряют расстояния до нескольких десятков километров с погрешностью от нескольких сантиметров до нескольких миллиметров. Импульсный же метод используется в геодезии, как правило, в оптическом диапазоне волн с мощными лазерными источниками излучения, генерирующими оптические импульсы в видимой или, чаще, ближней инфракрасной области спектра. Однако из-за трудности формирования коротких импульсов с крутым фронтом точность этого метода ниже, чем фазового — в лучшем случае дециметры. Поэтому импульсные лазерные даль-номерные системы применяются для измерения очень больших расстояний на космических трассах (до искусственных спутников Земли и даже до Луны), где из-за большой длины трассы относительная погрешность получается весьма малой.

Для коротких расстояний (десятки и сотни метров) наиболее точным является оптический интерференционный метод, позволяющий измерять эти расстояния с точностью, недостижимой никакими другими методами — до тысячных долей миллиметра (микрометров). Он реализуется с помощью лазерных интерферометров с маломощным гелий-неоновым (He-Ne) лазером, излучающим в красной области спектра на длине волны λ = 0,63 мкм. Интерферометр строится по известной в оптике схеме Майкельсона: излучение лазера разделяется на два пучка, один из которых с помощью "опорного" отражателя направляется сразу на фотоприемник, а другой поступает на тот же фотоприемник после прохождения расстояния до "дистанционного" отражателя и обратно. На фотоприемнике образуется интерференционная картина в виде системы темных и светлых полос, из которых с помощью диафрагмы можно выделить только одну полосу. Метод требует перемещения дистанционного отражателя вдоль всей измеряемой линии. При перемещении отражателя на половину длины волны света интерференционная картина смещается на одну полосу, и, выполнив счет полос при перемещении отражателя от начальной до конечной точки измеряемого расстояния, получают это расстояние, как и в фазовых дальномерах, умножением числа подсчитанных полос (числа N) на λ /2.

Для подвижного отражателя приходится строить тщательно отъюстированные рельсовые направляющие, жестко закрепленные на прочных бетонных опорах. Поэтому сфера применения лазерных интерференционных измерений — создание стационарных многосекционных базисов метрологического назначения для калибровки электронных геодезических дальномеров.

Достижения радиоастрономии позволили создать радиоинтерферометр со сверхдлинной базой (РСДБ). Он состоит из двух разнесенных на очень большое расстояние (до тысяч километров) радиотелескопов 1 и 2 (рис. 2), принимающих шумовое излучение от одного и того же квазара — внегалактического радиоисточника. На радиотелескопах независимо записывают (на видеомагнитофонах) этот шумовой сигнал. Обе записи идентичны, но сдвинуты по времени на величину из-за различия расстояний от квазара до радиотелескопов. Записи сводятся в корреляторе, позволяющем получить корреляционную функцию шумовых сигналов. Если один из них записать кaк s1(t), а другой как s2(t + τ), то корреляционная функция K12 = , где угловые скобки означают усреднение за время, значительно большее периода самой низкочастотной составляющей сигналов s1 и s2. Корреляционная функция имеет максимум при τ = 0. Следовательно, сдвигая одну из записей до получения максимального выходного сигнала на выходе коррелятора, можно измерить величину временной задержки. Так как из-за вращения Земли разность ΔS расстояний до квазара, а следовательно, и задержка т = ΔS/v периодически изменяется, возникает "частота интерференции" F, которая тоже может быть измерена. По измеренным величинам τ и F определяется длина базы (расстояние между радиотелескопами) и направление на квазар с очень высокой точностью (2...3 см и 0,001" соответственно).

Электроника позволила автоматизировать и угловые измерения. Электронный теодолит представляет собой устройство, преобразующее в электрические сигналы угловые величины, записанные в виде системы непрозрачных штрихов или кодовых дорожек на стеклянном диске. Диск просвечивается световым лучом, и при повороте теодолита на фотоприемнике создается сигнал в двоичном коде, который после расшифровки обеспечивает индикацию угловой величины в цифровом виде на дисплее.

Объединение электронного теодолита, малогабаритного фазового све-тодальномера и микрокомпьютера в единую неразъемную или модульную конструкцию позволило создать электронный тахеометр — прибор, позволяющий выполнять как угловые, так и линейные измерения с возможностью совместной их обработки в полевых условиях. Точность подобных приборов составляет для угловых измерений от нескольких угловых секунд до 0,5", для линейных измерений — от (5мм + 5мм/км) до (2мм + 2мм/км), а дальность действия — до 2...5 км.

Наконец, упомянем кратко о прогрессе в нивелирных работах. Внедрение лазерной техники в геодезию привело, в частности, к разработке метода нивелирования "лазерной плоскостью" (системы Laserplane). Ярко-красный луч вертикально расположенного He-Ne лазера падает на вращающуюся призму, создающую развертку луча в горизонтальной плоскости. Это позволяет брать отсчет по световому пятну на рейке, поставленной в любом направлении от лазера. Фотоэлектрическая индикация обеспечивает точность отсчета порядка 1 мм. Способ отличается быстротой и не ограничивает число реек, что удобно для многих работ по высотной съемке.

Для точного нивелирования в настоящее время сконструирован цифровой нивелир, работающий по кодированной рейке. Код несет информацию о высоте любого места рейки относительно ее "нуля". Изображение преобразуется в электрический сигнал, и при работе по двум рейкам автоматически определяется превышение между точками их установки.

Упомянем также о широком применении He-Ne лазера в прикладной геодезии, связанном с тем, что лазерный луч представляет собой физически реализованную и почти идеально прямую опорную линию в пространстве, относительно которой производят измерения при точном монтаже оборудования, строительстве и пр.

За последние 20 лет в геотронике произошел новый качественный скачок, который называют второй революцией в геодезических измерениях. Это создание глобальных спутниковых навигационно-геодезических систем. В них реализованы принципиально новые методы измерений, о которых мы поговорим во второй части нашей статьи.

(Окончание следует)

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 10 номер 2002 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.