Шавуров Геннадий Анатольевич Мельников Сергей Рафаэяьевшч геотроника. Наземные и спутниковые средства и методы выполнения геодезических работ учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание Геотроника. наземные и спутниковые средства и методы выполнения геодезических работ 6. Геодезическая интерферометрия 6.1. Интерференция как мера когерентности электромагнитных сигналов 6.2. Оптические интерферометры 2 — дистанционный. Опорный пучок отражается зерка­лом М[ и, пройдя пластинку П Геодезическая интерферометрия Список литературы 6.3. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой Соврем! юграфической съемки 8.4. Обработка полевых данных и рисовка плана 8.3. Технология топографической съёмки 8.2. Электронный тахеометр 6.3.2. Связь определяемых и измеряемых величин 8.1. Спутниковое оборудование для топографической съёмки 8. Современная технология топографической съемки 82: Глобальные системы позиционирования 7. Глобальные системы позиционирования Глобальные системы позиционирования 7.7. Этапы создания геодезической сети 7.1. Режимы измерения, измеряемые величины ... Полное содержание

Подобный материал:

• Сергей Мельников: Точность распознавания речи доходит до 90%, 86.38kb.
• Рекомендовано к изданию решением секции организации строительного производства цнииомтп, 1660.36kb.
• Реферат отчет 213 с., 12 ч., 63 рис., 18 табл., 223 источников, прил, 258.47kb.
• Наименование программы Виды работ* Курсы по строительству бс-01, 118.49kb.
• Учебное пособие Челябинск Издательство юургу 1999, 543.67kb.
• Глинка Николай Леонидович. Общая химия: учебное пособие, 501.78kb.
• Регламентирующие методы управления, 75.96kb.
• Г. Р. Державина академия управления и сервиса кафедра менеджмента и маркетинга учебное, 1147.35kb.
• Правила выполнения и оформления экзаменационной работы по дисциплине Используемая литература, 10.3kb.
• Курс считается освоенным при условии успешного прохождения итогового теста., 378.91kb.

Геодезическая интерферометрия

7.3. Спутники 96

1. Структура сигнала спутника 97
   
2. Навигационное сообщение, эфемериды 98
   
3. Вычисление орбитальных координат
   

спутника по его эфемеридам 100

7.3.4. Коды 101

7.4. Обработка спутниковых фазовых измерений 103

1. Постобработка 104
   
2. Многозначность, разности фазовых измерений 105
   
3. Разрешение многозначности 109
   

5. Источники ошибок и точность измерений 111
   
6. Режимы наблюдений 116
   

1. Статика 117
   
2. Кинематика, другие режимы 118
   

7.7. Этапы создания геодезической сети 121

8. Современная технология топографической съемки 125

8.1. Спутниковое оборудование для топографической

съёмки 127

2. Электронный тахеометр 128
   
3. Технология топографической съёмки 129
   
4. Обработка полевых данных и рисовка плана 131
   

Список литературы 132

Учебное издание

Шавуров Геннадий Анатольевич Мельников Сергей Рафаэяьевшч

ГЕОТРОНИКА. НАЗЕМНЫЕ И СПУТНИКОВЫЕ СРЕДСТВА И МЕТОДЫ ВЫПОЛНЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ

Учебное пособие

Оригинал-макет подготовлен в УТШ «Репрография» МИИГАиК Кузнецовым В.В., Мельниковой Е.В., МельниковымС.Н.

Подписано в печать 24.12.2001. Гарниткра Школьная. Формат 60x90/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная. Печ.л. 8,5

Тираж 1000 экз. Заказ 315

УПП «Репрография» МИИГАиК 103064, Москва, Гороховский пер., 4

136

\ I

Р

6. ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ

Интерференционный метод измерений состоит в регистра­ции результата интерференции немодулированных электромаг­нитных волн, возникающей при их взаимодействии. Под тер­мином взаимодействие понимают сложение (аддитивная обра­ботка) или перемножение (корреляционная обработка) колеба­ний с последующим осреднением результата во времени. Уст­ройства, реализующие этот метод, называют интерферометра­ми. Существуют оптические интерферометры и радиоинтерфе­рометры. Применяют их как для измерения угловых величин, так и для линейных измерений. Звездный интерферометр Май-кельсона и интерферометр интенсивности Брауна и Твисса [13] предназначены для измерения угловых диаметров звезд е ис­пользованием соответственно аддитивной и корреляционной обработки сигнала, то есть света звезд. В обоих случаях оцени­вали степень когерентности сигналов. Интерферометры, пред­назначенные для измерения линейных величин — расстояний, разностей расстояний, перемещений — широко используют в измерительной технике вообще и в геодезических измерениях в частности. Оптические интерферометры используют для из­мерения расстояний в десятки и сотни метров с ошибкой не бо­лее 0,01 мм. Радиоинтерферометры в совокупности со спутни­ковыми лазерными дальномерами используют для создания и поддержания глобальной геодезической сети.

6.1. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ КАК МЕРА КОГЕРЕНТНОСТИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ СИГНАЛОВ

При сложении двух когерентных или частично когерентных волн одинаковой поляризации происходит их интерференция, то есть взаимное усиление в одних точках экрана, на который они Задают, и ослабление в других точках в зависимости от разности

69

Геотроника

их фаз ф. Интенсивность / в точке экрана определяется соотно­шением интенсивностей 1_Х и 1_г интерферирующих волн, и, кро­ме того, степенью (коэффициентом) их когерентности у:

= 1_х+1₂

В разделе 1.3 дано представление о степени когерентности в виде произведения коэффициентов пространственной и временной когерентности. В частности, время когерентности — величи­на, обратная ширине спектра сигнала или ширине полосы час­тот Д/, в которой этот сигнал регистрируют и обрабатывают:

т =

Сигналы, порожденные одним и тем же источником, приходят в точку взаимодействия разными путями. По наблюдению ин­терференционной картины требуется определить разность длин этих путей. При использовании источника, генерирующего сигнал широкого спектра с малой диной когерентности в один из каналов вводят задержку, плавно изменяют ее до появления интерференционной картины, а затем измеряют величину за­держки. Измерения тем точнее, чем шире спектр сигнала.

6.2. ОПТИЧЕСКИЕ ИНТЕРФЕРОМЕТРЫ

В оптических интерферометрах используют источники све­та двух типов: источники квазимонохроматического света — лазеры — с узким спектром и с большой длиной когерентнос­ти, а также источники белого света с длиной когерентности в 2-3 микрометра. Колебания подвергают аддитивной обработ­ке, направив световые пучки на один и тот же участок экрана. Мерой степени когерентности является контраст К (видность) интерференционных полос:

(6.3)

где /_с и /т — соответственно интенсивность света в середине свет­лой и в середине темной полосы. Рассмотрим оптический ин­терферометр Майкелъсона(Щспе1зоп), предназначенный для из­мерения линейных величин. Схема его приведена на рисунке 6.1.

70

<■■ I

3.1. Измерение дальности при двукратном

прохождении сигнала вдоль дистанции 40

3.2. Измерение дальности при однократном

прохождении сигнала вдоль дистанции 42

3.3. Методы измерения линейных величин 44

1. Временной метод 44
   
2. Частотный метод, допплеровский метод 45
   
3. Фазовый метод 46
   
4. Импульсно-когерентный метод 48
   

4. Наземные фазовые дальномеры 48
   
5. Многозначность фазовых измерений;
   

способы разрешения многозначности в наземных

фазовых дальномерах 49

1. Способ плавного изменения частоты 50
   
2. Способ кратных частот 51
   
3. Способ комбинационных частот 53
   

4. Наземные радионавигационные

и радиогеодезические системы 55

4.1 Измеряемые величины, изолинии 55

4.2. Способы разрешения многозначности

в наземных системах 57

5. Атмосфера и ее влияние на радиогеодезические

измерения 60

1. Стратификация атмосферы 62
   
2. Учет влияния тропосферы и стратосферы 63
   
3. Учет влияния ионосферы 65
   
4. Дисперсионный метод 67
   

6. Геодезическая интерферометрия 69

1. Интерференция как мера когерентности
   электромагнитных сигналов 69
   
2. Оптические интерферометры 70
   
3. Радиоинтерферометрия со сверхдлинной базой 73
   

6.3.1. Геометрия наблюдений, определяемые

и измеряемые величины 76

2. Связь определяемых и измеряемых величин 78
   
3. Применение в геодезии и астрономии 81
   

7. Глобальные системы позиционирования 83

7.1. Режимы измерения, измеряемые величины 85

1. Кодовые псевдодальности 87
   
2. Фазовые измерения 88
   
3. Интегральный допплер « 89
   
4. Изоповерхности, геометрический фактор 90
   

7.2. Структура системы 91

1. Спутниковый сегмент 92
   
2. Сегмент управления и контроля 93
   
3. Сегмент пользователя 94
   

135

Геодезическая интерферометрия

Излучение источника 5 разделяется полупрозрачной плас­тинкой (полупрозрачным зеркалом) П на два пучка 1 — опор-

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 3

1. Физические основы геотроники 6

1. Электромагнитные колебания и волны ...6
   
2. Операции, производимые над электромагнитными
   

и электрическими колебаниями 10

1. Модуляция и кодирование 11
   
2. Демодуляция (детектирование) и
   

декодирование 12

3. Квадратирование 13
   
4. Гетеродинирование 13
   
5. Фазовое детектирование 16
   
6. Корреляционная обработка сигналов 17
   

1.3. Когерентность электромагнитных колебаний 20

1. Пространственная когерентность 21
   
2. Временная когерентность 21
   

2. Системы координат и системы времени 24

2.1. Орбитальная система координат, эфемериды

спутника 26

2.2. Земная система координат, связанная

с положением оси вращения Земли на эпоху

наблюдений 29

2.3. Земная система координат, фиксированная на

исходную фундаментальную эпоху 31

2.4. Прямоугольная и эллипсоидальная системы

координат 32

2.5. Референцная система координат (локальная

и региональная) 33

6. Трансформирование координат 34
   
7. Динамическое время 36
   
8. Атомное время 36
   
9. Астрономическое время, его связь с атомным
   

временем ... 37

2.10 Время, реализуемое спутниковой системой 38

3. Электронная дальнометрия 39

1	1
1
	х/ч
О П		ш
		я
		, э

Рис. 6.1. Оптическая схема интерферометра Майкельсона

ный и 2 — дистанционный. Опорный пучок отражается зерка­лом М[ и, пройдя пластинку П, попадает на экран Э. Дистанци­онный пучок направляется на зеркало М_г. Оно имеет возмож­ность перемещения. Положение зеркалаМ₂, при котором пути опорного и рабочего сигналов равны, показано плоскостью В, называемой референцной плоскостью. После отражения от зер­кала М₂ и полупрозрачной пластинки П дистанционный пу­чок 2 совмещается с опорным пучком /. Вместе они попадают на один участок экрана. На экране образуется интерференци­онная картина, результат регистрируется. Теперь необходимо уточнить смысл, вкладываемый в понятие регистрация.

В лазерных интерферометрах длина когерентности светово­го излучения велика. Если бы не нарушающее когерентность влияние атмосферных флуктуации, то длина когерентности превышала бы любой мыслимый диапазон измеряемых даль­ностей. В реальности дальность действия находится в пределах километра. Итак, на расстояниях в десятки и, при благоприят­ных метеоусловиях, в сотни метров интерференционная кар­тина будет иметь место независимо от разности хода опорного и рабочего пучков. При перемещении зеркала М_г интерферен­ционная картина также будет смещаться. Если считать число интерференционных полос N, прошедших мимо отсчетного

71

Геотроника

индекса, то пройденное зеркалом М₂ расстояние можно опре­делить по формуле 2)=ЛН/2, где 1 — длина волны света. Из-за малости длины волны, порядка одного микрометра, число N велико. При смещении на 1 метр оно имеет порядок миллиона. Визуально просчитать такое число невозможно. Применяют фотоэлектрический метод: вместо экрана устанавливают при­емник света и подключенный к нему счетчик. Таким образом, регистрация сводится к счету интерференционных полос при перемещении зеркала М₂ на всю длину измеряемой дистанции. Такой интерферометр получил название интерферометр пере­мещений.

В методе оптического умножения длины регистрация со­стоит в констатации факта наличия или отсутствия интерфе­ренционной картины. При этом стремятся добиться именно наличия интерференционной картины. Интерферометр, реали­зующий метод оптического умножения длины, содержит источ­ник белого света, то есть источник широкополосного излуче­ния, с длиной когерентности 2-3 мкм — лампу накаливания. Интерференционная картина наблюдается в том и только в том случае, когда оптические длины опорного и дистанционного каналов равны. Длину опорного канала фиксируют эталоном -жезлом из плавленого кварца. Зеркало М₂ предварительно ус­танавливают в нужное положение. Затем, перемещая его мик-рометренным винтом, добиваются появления интерференцион­ной картины. Тем самым откладывают длину эталона в дистан­ционном канале. На подобном принципе работает интерферо­метр Вяйсяля. В этом интерферометре опорный сигнал испы­тывает несколько отражений, проходя тем самым опорный ка­нал многократно. Таким образом, если длина опорного канала равна I, а опорный сигнал прошел его п раз, то длина дистанци­онного канала станет равной 1-п. Полученные такого рода ин­терферометрами прецизионные базисы используют для иссле­дования и эталонирования высокоточных светодальномеров. Значительно меньше усилий требует создание интерференци­онных компараторов длиной 24 метра. Именно такова длина инварных проволок, используемых в высокоточных и точных линейных измерениях и исследуемых на компараторах на пред­мет определения длины (уравнения) проволок. Правда, такие проволоки используют гораздо реже, чем ранее. Компараторы не только короче базисов. Их создают в спокойных лаборатор-

зии». Под редакцией Хенриксена С, Манчини А., Човица Б. Перевод с англий­ского. 1975, с. 348-356.

21. Краус Д. Джон. Радиоастрономия. Перевод с английского. Москва.
    Советское радио. 1973.456 с.
    
22. Прилепнн М.Т., Шануров Г. А. Метод длиннобазисной интерферомет­
    рии и его геодезические приложения. Итоги науки и техники. ВИНИТИ.
    Геодезия и аэросъемка. 1983. том 21. с. 66-105.
    
23. Томпсон Р., Моран Дж., Свенсон Дж. Интерферометрия и синтез в
    радиоастрономии. Москва. Мир. 1989. 568 с.
    
24. Христиансен У., Хегбом И. Радиотелескопы. Москва. Мир. 1972.238с.
    
25. Серашгаас Б.Б. Основы спутникового позиционирования. Издательство
    Московского университета. Москва. 1998.82 с.
    
26. Салищев В.А. Космическая навигация. Учебное пособие по специ­
    альности МИИГАиК «космическая геодезия». Москва. 1995.148 с.
    
27. Маркузе Ю.И., Бойко Е.Г., Голубев В.В. Геодезия. Вычисление и урав­
    нивание геодезических построений. Москва. Картгеоцентр и Геодеаиздат. 1994.
    
28. Харисов В.Н. н др. Глобальная спутниковая радионавигационная
    система ГЛОНАСС. Москва. ИПРЖР.1999.
    
29. Голубев А.Н. Приборы и методы электронной дальнометрии и тахе­
    ометрии. Справочное пособие «Геодезия». Геодезические и фотограмметри­
    ческие приборы. Под редакцией Савиных В.П., Ященко В.Р. Москва. Не­
    дра. 1991.189-249 с.
    

Геодезическая интерферометрия

ренционные базисы и компараторы используют для метроло­гического обеспечения линейных измерений. Они являются зве­ном в метрологической цепочке при передаче длины эталона метра на рабочие эталоны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Москва. Наука. 1973, 720 с.
   
2. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П. Радиогео­
   дезические и электрооптические измерения. Москва. Недра. 1985. 303 с.
   
3. Камсн X. Электронные способы измерений в геодезии. Перевод с не­
   мецкого. Москва. Недра. 1982. 256 с.
   
4. Шерклифф У. Поляризованный свет. Москва. Мир. 1965.120 с.
   
5. Справочник по радиолокации. Перевод с английского. Редактор Скол-
   ник М. Москва. Советское радио. 1976. Тома 1,2,3.
   
6. В.НоГталп-ЗДеНепЬоГГ, Н.1лсЫепее#ег, «Г.СоШпа. С1оЬа1 РозШопте
   8ув4ет. ТЬеогу апй РгасМсе. 8есопс1 еёйШоп. вргтег-УеНав. \У1еп. Ке\у
   Уогк. р. 326.
   
7. Жеребцов И.П. Введение в технику дециметровых и сантиметровых
   волн. Москва. Ленинград. Энергия. 1964. 146 с.
   
8. Лобачев В.М. Радиоэлектронная геодезия. Москва. Недра. 1980;
   
9. Шавуров Г.А. Радиогеодезические и электрооптическме измерения.
   Основы геодезической дальнометрии. Текст лекций. Москва. МИИГАиК.
   1990.48 с.
   

10. Шакуров Г.А. Радиогеодезические и электрооптические измерения.
    Светодальномеры. Текст лекций. Москва. МИИГАиК. 1991.46 с.
    
11. Свешников А.А. Прикладные методы теории случайных функций.
    Ленинград. Судпромгиз. 1961. 252 с.
    
12. Вентцель А.Д. Курс теории случайных процессов. Москва. Наука.
    1975.320 с.
    
13. Вго\уп Н.Н.ДЧИвз А.В. ТЬе 1п1епв1*у 1п*егт'еготе1ег. Ьопйоп. 1974.
    р. 383.
    
14. Пеллинен Л.П. Высшая геодезия. Теоретическая геодезия. Москва.
    Недра. 1978.263 с.
    
15. Урмаев М.С. Орбитальные методы космической геодезии. Москва.
    Недра. 1981.256 с.
    
16. Баранов В.Н., Бойко Е.Г. и др. Космическая геодезия. Москва. Не­
    дра. 1986.
    
17. Практикум по высшей геодезии. Под редакцией проф. Яковлева Н.В.
    Москва. Недра. 368 с.
    
18. Глумов В.П. Основы морской геодезии. Москва. Недра. 1983.184 с.
    
19. Бнн Б.Р., Даттон Е. Дж. Радиометеорология. Перевод с английского.
    Москва. Гидрометеоиздат. 1971.
    
20. Саастамойнеи Ю. Тропосферная и стратосферная поправки радиосле­
    жения ИСЗ. В сборнике: «Использование искусственных спутников для геоде-
    

132

6.3. РАДИОИНТЕРФЕРОМЕТРИЯ СО СВЕРХДЛИННОЙ БАЗОЙ

Как было сказано, радиоинтерферометрию со сверхдлинной базой (РСДБ) совместно с лазерной локацией искусственных спутников Земли используют для создания и поддержания гло­бальной геодезической сети. При расстояниях между пункта­ми в тысячи километров координаты этих пунктов определя­ют с ошибкой порядка сантиметра. Глобальная сеть служит основой для сетей, создаваемых другими методами — спутни­ковыми и наземными. В частности, координаты станций сле­жения за спутниками ОР8 определены методом РСДБ.

Несколько радиотелескопов, по крайней мере два, наблю­дают квазары, входящие в заранее созданный каталог. Каждый квазар одновременно наблюдают все радиотелескопы. Перехо­дят к наблюдению следующего по заранее разработанной про­грамме квазара они также одновременно.

Измеряемой величиной является временная задержка X при­хода радиосигнала от квазара на один радиотелескоп относи­тельно другого. Это эквивалентно измерению разности рассто­яний от двух радиотелескопов до квазара. В этом смысле РСДБ — разностный метод. Попутно получают величину, ко­торую называют частотой интерференции или частотой ин­терференционных полос. Она возникает из-за суточного враще­ния Земли и пропорциональна скорости изменения временной задержки:


(6.4)

где V — эффективная частота радиосигнала квазара. Прежде чем продолжать изложение, необходимо пояснить, что такое радиотелескоп и что такое квазар.

Радиотелескоп состоит из антенны и приемно-регистриру-ющей части. В РСДБ используют зеркальные параболические полноповоротные антенны диаметром до 70 метров. Антенны,

73

Соврем!

юграфической съемки