книги из ГПНТБ / Генике, А. А. Геодезические фазовые дальномеры

относится к грубым промахам и прп нормальной работе невозможна. Ошибку нзмереиня дробной части разности фаз Дф называют фазовой ошибкой п обозначают через пц,. Ошибку в значении масштабной частоты / называют частотной ошибкой и обозначают через т/. Постоянная поправка К также известна с некоторой ошибкой, за­ висящей от способа ее определения, а также и от ее стабильности во времени. Эту ошибку обозначают через пік.

Ошибки пц, rtif и mk в основном зависят от устройства дально­ мера и мало зависят от внешних условий, т. е. они относятся к ин­ струментальным ошибкам. Ошибка в скорости распространения, которую обозначают через тпѵ, зависит от степени учета влияния внешних условий на скорость распространения электромагнитных волн данной длины.

При радиодальномерных измерениях в отдельных случаях возни­ кает еще одна специфическая ошибка, обусловленная влиянием отражений от подстилающей поверхности. Величина этой ошибки зависит как от внешних зшловпй, так и от характеристик радиодальнодіера.

Для нахождения зависимости ошибки в длине линии от всех

Полученные частные производные возведем в квадрат, ум­ ножим на квадраты соответствующих средних квадратических оши­ бок, а затем сложим. Сумма этих произведений будет равна квадрату ошибки в длине линии D

зависимость от длины измеряемой линии. При одинаковом отношении сигнала к шуму даже при измерении линий различной длины фазо­ вая ошибка остается постоянной. Ее величина меняется в зависимости от отсчета по шкале фазодіетра, от влияния шудюв и некоторых дрз'- гих причин. Ошибка mk совседі не зависит от длины линии. Такиді образом, влияние этих ошибок не связано с длиной измеряемой ли­ нии. Две последние ошибки (в частоте и скорости распространения), наоборот, вносят ошибку в результаты, пропорциональную длине нздіеряедюй линии. Следовательно, на измерения длин коротких ли­ ний основное влияние оказывают фазовая ошибка и ошибка постоян­ ной поправки. При издіерении же значительных по длине линий су­ щественное влияние оказывают ошибки діасштабной частоты и ско­ рости распространения.

200

Как хорошо известно, влияние случайных ошибок можно значи­ тельно ослабить путем многократных измерений одной и той же ве­ личины. Влияние же систематических ошибок таким путем практи­ чески уменьшить нельзя. Для ослабления действия систематических ошибок необходимо применять специальные приемы измерений. Рассмотрим некоторые основные способы, применяемые в дальномерных измерениях для ослабления систематических ошибок.

Один из наиболее эффективных методов исключения отдельных видов систематических ошибок состоит в использовании такой мето­ дики измерений, при которой посредством соответствующих пере­ ключений в схеме дальномера изменяют знак интересующей нас си­ стематической ошибки при сохранении, ее абсолютной величины. Полусумма отсчетов, получаемых при таких переключениях, ока­ зывается в значительной степени свободной от влияния данной ошибки. Примером использования описанного метода является метод исключения влияния «фазовости» в светодальномере ЭОД-1, метод исключения погрешностей, вносимых фазовращателями, и т. д.

Другой метод, широко используемый в радиодальномерах, ана­ логичен предыдущему, но отличается от него тем, что при переклю­ чении изменяется знак измеряемой разности фаз, а систематическая - ошибка при этом сохраняет свой знак. В данном случае окончатель­ ный результат получают из полуразности двух отсчетов.

Третий метод исключения систематических ошибок, получивший распространение в светодальномерах, основан на том, что значение искомого расстояния получают из разности двух измерений, при одном из которых луч света проходит расстояние от приемо-передат- чика до удаленного отражателя и обратно, а при другом — сравни­ тельно короткий оптический путь, создаваемый или оптической линией, вмонтированной в прибор, или дополнительным отражателем, установленным вблизи дальномера.

Наконец, для исключения ошибок, линейно изменяющихся с те- < чением времени, в светодальномерах применяют так называемую сим­ метричную программу измерений, при которой средние результаты' измерений по оптической линии и до удаленного отражателя-прихо­ дятся на один и тот же момент времени. С этой целью вначале вы­ полняют измерения по оптической линии, затем на удаленный отра­ жатель и после этого снова по оптической линии. Средний результат из двух измерений по оптической линии будет приходиться на тот момент времени, когда выполнялись измерения на удаленный отра­ жатель.

Рассмотрим возможный характер действия отдельных ошибок прп измерении длин линий фазовыми дальномерами.

Фазовая ошибка имеет обычно и случайную, и систематическуючасти. Ослабления влияния случайной ошибки добиваются увели­ чением числа приемов измерений. Систематическая часть умень­ шается выбором соответствующей методики измерений.

В дальномерах с фиксированными масштабными частотами ча­ стотная ошибка носит в основном систематический характер..

201:

Ослабить ее влияние можно только путем повышения стабильности кварцевого генератора или сокращением промежутка времени между эталонированиями частот. В дальномерах с переменными масштаб­ ными частотами эта ошибка имеет и случайную часть, которую можно ослабить многократными измерениями частоты. Ошибка в значении постоянной поправки, как правило, носит систематический характер.

Действие ошибок при определении фактической скорости распро­ странения света или радиоволн носит более сложный характер. Ошибка в значении скорости распространения в вакууме является систематической и ее при измерении длин линии ослабить невоз­ можно. Но величина этой ошибки не превышает0,3-ІО'6 от измеря­ емого расстояния. Ошибка, связанная с определением скорости в ре­ альной атмосфере, может быть и случайной, и систематической. Если все измерения выполнены примерно при одинаковых метеоро­ логических условиях, то ошибка в значении скорости распростра­ нения будет носить в основном систематический характер. Если же

.длпна линии измерялась в различных метеорологических условиях, то она приобретает характер случайной, и действие этой ошибки бу­ дет уменьшаться.

Для определения скорости распространения в реальных усло­ виях необходимо знать давление, температуру и влажность воздуха вдоль всего пути распространения электромагнитных волн. Прак­ тически же, как правило, эти метеорологические элементы можно измерить только в местах установки дальномера и отражателя, т. е. на концах линии. Следовательно, точность определения скорости распространения электромагнитных волн в реальных условиях за­ висит в значительной степени от разности метеорологических усло­ вий на концах измеряемой линии и вдоль пути распространения этих волн.

Рассмотрим, как влияют ошибки определения метеорологических элементов на величину скорости распространения света. Для этого воспользуемся формулой для вычисления показателя преломления (23). Взяв частные производные от п по t, р и е получим

-то при изменении температуры на 1°, показатель преломления пли, что практически одно и то же, скорость распространения изменится на 0,9-ІО-6, при изменении давления на 1 мм рт. ст. — на 0,4-ІО"6, :при изменении влажности на 1 мм рт. ст. — на 0,06-ІО“6. Анало­ гичные подсчеты сделаем и для показателя преломления радиоволн. При тех же предположениях о значениях давления, температуры и влажности из формулы (21) после дифференцирования получим, что при изменении температуры на 1° показатель изменится на I,-10“®, при изменении давления на 1 мм рт. ст. — на 0,4-ІО“6 и при изме­ нении влажности на 1 мм рт. ст. — на 6,6-ІО“6. Таким образом,

:2 0 2

влияние ошибок измерения температуры п давления воздуха одина­ ково как для определения скорости света, так и для определения ско­ рости распространения радиоволн сантиметрового диапазона. Но влияние ошибок измерения влажности на значение скорости радио­ волн в ЮОраз больше, чем на значение скорости света. Следовательно, если при измерении длин линии светодальномерами ошибка измере­ ния влажности пренебрегаемо мала, то при измерении радиодально­ мерами эта ошибка становится достаточно существенной.

Для уменьшения влияния ошибок при определении скорости распространения электромагнитных волн в атмосфере необходимо уметь правильно выбирать те условия погоды, при которых метео­ данные, определенные по концам измеряемой линии, хорошо пред­ ставляют метеоусловия вдоль всей линии.

Исходя из .этого, к благоприятным условиям погоды при свето- и радиодальномерных измерениях относят облачную погоду с умерен­ ным ветром, при которой происходит хорошее выравнивание метео­ факторов вдоль трассы.

При работе с радиодальномерами в районах с сырым климатом предпочитают производить измерения в прохладную погоду, когда абсолютная влажность воздуха невелика. Следует избегать измере­ ний в безветренную жаркую безоблачную погоду, во время дождя или при неустойчивой погоде, когда температура и влажность воз­ духа могут сильно изменяться от точки к точке.

Остановимся кратко на порядке измерения длин линий фазовыми дальномерами.

Перед началом работы светодальномер и отражатель, илп ведущая и ведомая станции радиодальномера, устанавливаются на концах измеряемой литіи, и в случае измерений с сигналов определяются элементы приведения. Затем, если это предусмотрено инструкцией, аппаратура прогревается, причем обычно в первую очередь включают термостаты кварцевых генераторов масштабных частот. Во время прогрева выполняются все регулировки, предусмотренные для дан­ ной конструкции дальномера, и сами дальномеры выставляют в за­ данном направлении.

Перед началом измерений неавтоматизированными светодально- , мерами с переменной масштабной частотой составляется программа измерений, поскольку она зависит от длины измеряемой линии.

Измерения длин линий начинаются с измерения метеоэлементов на концах линии. Затем измеряют дробную часть разности фаз или фиксируют ее определенную величину и измеряют масштабную ча­ стоту, если измерения ведутся дальномером с переменной масштабной частотой, после чего в необходимых случаях повторно определяют величины метеоэлементов.

В заключение этого параграфа остановимся на определении од­ ного приема измерений. Под одним приемом измерения обычно по­ нимают такую совокупность действий, по результатам которых можно вычислить только одно значение длины измеряемой линии. Резуль­ таты, полученные из различных приемов, должны быть независимыми

2 0 »

II по возможности свободными от систематических ошибок. К со­ жалению, в руководствах к различным типам дальномеров порой

- ■измерении различными дальномерами мы каждый раз будем гово­ рить, что подразумевается под одним приемом измерений.

Необходимо отметить также, что измерять длины линий с той точностью, которая записана в паспорте того пли иного дальномера, с ошибками, нормальными для данного прибора, можно только при условии, что дальномер полностью отъюстирован и правильно под­ готовлен к работе. Если эти условия не соблюдены, то полученные результаты измерений могут быть искажены совершенно недопу­ стимыми ошибками. Внутренняя сходимость отдельных измерений может дать некоторое представление о фактической точности только тогда, когда дальномер отъюстирован и при измерениях соблюдались все допуски, установленные для работы с дальномером данной кон­ струкции.

§ 31. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИН ЛИНИЙ СВЕТОДАЛЬНОМЕРОМ «КВАРЦ»

Рассмотрим основные источники ошибок, возникающих при из­ мерениях длин линий светодальномером «Кварц».

Поскольку дальномер предназначен для измерения больших длин, то существенное значение могут иметь ошибка в скорости распро­ странения света и частотная ошибка. Влияние ошибки определения скорости света в реальной атмосфере было рассмотрено в предыдущем параграфе, поэтому на ней останавливаться не будем.

Частотная ошибка зависит от стабильности кварцевых генерато­ ров. Все четыре масштабные частоты у светодальномера «Кварц» имеют достаточно высокую стабильность: уход этих частот за поле­ вой период не должен превышать 1-10-6. Кроме того, влияние ее ослабляется тем, что измерения ведутся на четырех масштабных ча­ стотах. Вследствие этого в среднем результате влияние этой ошибки будет мало. Таким образом, частотная ошибка не определяет общую точность измерений.

Фазовая ошибка зависит от целого ряда причин, главными же являются ошибки индикации и ошибки фазовращателя. Ошибка ин­ дикации является чисто случайной, и ее влияние оказывается не­ большим при большом числе отсчетов. Ошибки фазовращателя мо­ гут быть разного происхождения. Одна из них возникает вследствие того, что вид•градуировочной кривой фазовращателя зависит от частоты сигнала. Если промежуточная частота (15 кГц) будет не­ достаточно стабильной, возникнут большие фазовые ошибки. По­ этому для стабилизации промежуточной частоты приняты меры: кварцевые резонаторы вспомогательного генератора имеют хорошие параметры и термостатированы.

Выполнение измерений на четырех масштабных частотах также уменьшает фазовую ошибку, так как отсчеты по шкале фазовраща­ теля при этом берутся на различных участках ее.

204

Помимо этого для уменьшения фазовой ошибки измерения про­ водятся дважды на двух разных участках фазовращателя, соответ­ ствующих сдвигу фазы сигнала на 180°. И, наконец, дальнейшее уменьшение фазовой ошибки достигается введением в опорный сиг­ нал искусственного фазового сдвига на 90°.

Таким образом, на каждой масштабной частоте будет сделано четыре отсчета по фазовращателю, а именно: без введения 90°-го сдвига на одной половине шкалы, то же — на второй половине шкалы (когда вводится сдвиг на 180°), с 90° сдвигом на одной половине шка­ лы и, наконец, с 90° сдвигом на второй половине шкалы.

Фазовая ошибка в значительной мере случайна, и систематиче­ ская ее часть определяется главным образом погрешностями калиб­ ровки шкалы фазовращателя. Однако вышеописанными методами влияние последней значительно ослабляется. В общей сложности фазовая ошибка в светодальномере «Кварц» для средних расстояний составляет около 1 см для одного приема.

Ошибка постоянной поправки, являющаяся систематической, также может достигать 1 см.

Таким образом, для получения качественных результатов изме­ рений необходимо возможно более тщательно определять метео­ элементы, быть уверенным в том, что масштабные частоты имеют номинальные значения, и со всей тщательностью выполнять собст­ венно измерения фазовых домеров.

При измерении длин линий приемо-передатчик и отражатель устанавливают как обычно, на концах линии, «зажигают» лазер, и приемо-передатчик и отражатель взаимно наводятся. В это же время прибор прогревается и по ОКЗ производится проверка его работоспособности на всех четырех частотах. Нормально линии можно измерять в течение одного дня двумя программами, разде­ ленными достаточным промежутком времени (например, утром и ве­ чером). Каждая программа состоит из 4—8 приемов, в зависимости от нужной точности измерения линии.

Процесс измерений заключается в следующем. Включается пер­ вая масштабная частота, переключатель фазового сдвига «0—90» ставится в положение «0», и серым клином устанавливается такая величина светового потока, чтобы при вращении ручки фазовраща­ теля отклонения стрелки индикатора фазы были не менее 50 делений.

Вращением ручки фазовращателя стрелка индикатора устана­ вливается на нуль. При этом ручка фазовращателя и стрелка должны двигаться в одну и ту же сторону. По шкале фазовращателя берется отсчет и записывается в я^урнал (1) (см. образец -записи). Отсчет (2) получают при движении ручки фазовращателя и стрелки пнднкаЪора в разные стороны (при этом будет иметь место дополнительный сдвиг фазы сигнала на 180°). Оба отсчета должны отличаться примерно на 200. Второй отсчет увеличивается или уменьшается на 200 и бе­ рется среднее из двух отсчетов. Это среднее записывается в журнал. После этого, перекрыв серым клином свет, переключают прибор на работу по ОКЗ и устанавливают такой же световой поток, какой

205

206

был при измерениях с отражателем: Затем в том же порядке берут' два отсчета по шкале фазовращателя и вычисляют среднее. Находят разность между средними значениями и записывают ее. При этом если уменьшаемое меньше вычитаемого, к нему прибавляют 400.

Установив переключатель фазы в положение 90°, берут ещедва отсчета по шкале фазовращателя. Отсчеты берутся таким же образом, т. е. первый при движении ручки фазовращателя и стрелки индика­ тора в одну сторону и второй — в разные. Из полученных отсчетоввычисляют среднее.

Переведя прибор на работу с отражателем, берут аналогичные отсчеты и вычисляют среднее из них. Иа этом заканчивается выпол­ нение одного приема. Из значений, полученных при положении фа­ зового переключателя «0» и «90», находят среднее значение и к по­ следнему прибавляют поправку за калибровку фазовращателя. Эта поправка находится из паспорта дальномера по значению пер­ вого отсчета по шкале фазовращателя, при работе с отражателем. Исправленное значение умножают на дену деления фазовращателя для данной частоты, также даваемую в паспорте, и получают величи­ ну домера в линейной мере для первого приема. Если измерения ве­ дутся 8-ю приемами, то второй прием выполняется на этой же чавтоте, в том же порядке. Соответственно третий и четвертый приемы сыполняются на второй частоте, пятый и шестой — на третьей,, седьмой и восьмой — на четвертой масштабной частоте. В резуль­ тате измерений будет получено восемь замеров, по два для каждой, частоты. В процессе измерений следят за уровнем светового потока и регулярно подстраивают выходной контур.

»

§ 32. ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИН ЛИНИЙ СВЕТОДАЛЬНОМЕРАМИ ЭОД-1, СВВ-1 И НЕКОТОРЫМИ ДРУГИМИ

Разберем основные источники ошибок, возникающих при изме­ рении. длин линий дальномером ЭОД-1. Как уже говорилось, при измерении больших длин на точность измерений существенно вли­ яют ошибка в скорости распространения света и частотная ошибка. Все, что было сказано относительно ошибки в скорости света ранее,, полностью применимо й здесь.

Частотная ошибка в светодальномере ЭОД-1 зависит от стабиль­ ности кварцевых генераторов: основного с частотой в 2,5 МГц и вспомогательного с частотой в 100 кГц, а также от работы пересчетного устройства.

При вычислении масштабной частоты для светодальномера ЭОД-1.

причем знак плюс соответствует измерениям на первом частотном, диапазоне, а знак минус — на втором. '

Кварцевый генератор в 2,5 МГц имеет высокую стабильность.. Обычно его частота за время полевого сезона не уходит от номинала.

2 0 ?

больше 1—2 Гц, и ошибка из-за его нестабильности' не превышает

1• і о - 6.

Кварцевый генератор в 100 кГц также обладает хорошей стабиль­ ностью. Кроме, того, ошибка за отличие частоты этого генератора от номинала значительно ослабляется во время измерений длин

.линий, так как отличие от номинала при измерении на первом ча­ стотном диапазоне войдет со знаком плюс, а на втором — со знаком минус, п среднее будет свободно от этой ошибки. Ошибка, вносимая пересчетным устройством, может достигать ± 3 Гц, что даст 12 Гц в масштабной частоте. Прн неоднократных измерениях эта ошибка -заметно уменьшается, и в конечном итоге ее влияние оказывается мало.

Таким образом, для светодальномера ЭОД-1 частотная ошибка невелика и не является главной.

Фазовая ошибка дальномера в основном определяется «фазовостыо», о которой уже говорилось в § 24, ошибками фазовращателя п ошибкой нулевой индикации. В зависимости от метеорологических условий величина светового потока, приходящего от отражателя, может быть различной. Прн очень малых световых потоках, когда стрелка индикатора фазы при переходе от одной индикации к смеж­ ной отклоняется меньше определенной величины (порядка 20 дело ний), фазовая ошибка может стать недопустимой.

Суммарная фазовая ошибка для светодальномера ЭОД значи­ тельно превышает частотную ошибку. Поэтому при измерении длин линий на исключение этой ошибки надо обращать особое внимание, т. е. уменьшать «фазовость», тщательно калибровать фазовращатель по оптической линии и возможно более точно производить нндпкацшо нуля. Наконец, остановимся на ошибке, связанной с постоянной по­ правкой К.

Если при измерении линии известной длины D измерять длину калибровочной линии I + К, то полученная длина D и длина I + К будут искажены практически одинаковыми ошибками. Поскольку измеряется известная длина, а длина калибровочной линии всегда известна, то можно получить величину поправки К.

Так как при измерении калибровочной линии оказывает влияние «фазовость», а также играет роль ошибка индикации, то постоянная

Теперь остановимся на программе наблюдений. Для разрешения неоднозначности нужно определить целые числа N , n n p безошибочно, а для этого необходимо определить приближенные масштабные частоты, на которых следует измерять длину линип. Программа составляется следующим образом. Дальномер наводят на отража­ тель и при наименьшем показании шкалы плавного генератора по­ лучают нулевую индикацию. Отсчет по шкале генератора или по пересчетному устройству записывается. Затем, постепенно изменяя масштабную частоту, получают все последующие нулевые индика-

208

дни в пределах первого частотного диапазона. Полученным индика­ циям приписывают порядковые номера, начиная с первого. То же самое нужно повторить, используя второй частотный диапазон. Одну половину приемов делают на первом частотном диапазоне, а вторую — на втором, причем в обоих случаях измерения ведут на первой (по номеру) и последней индикациях. Разность номеров индикаций в каждом диапазоне будет равна числу р. Напомним, что чем больше число р, тем надежнее вычисляются числа N u n .

Прежде чем приступать к измерениям, необходимо определить фазовость и если она велика, то уменьшить ее. Для этого нужно навести дальномер на отражатель, установить фазовращатель на отсчет, соответствующий середине отсчетной шкалы, и вращением рукоятки плавного генератора получить нулевую индикацию при первом фазовом положении. В этот момент измерить частоту. Затем проделать то же самое при других фазовых положениях. Из получен­ ных результатов найти среднее значение частоты и установить плав ный генератор на эту частоту. Тогда при первом фазовом положении стрелка индикатора фазы сойдет с нуля. Для ее возврата на нуль нужно перемещать дальномер по азимуту. Если'при всех фазовых положениях отклонение стрелки индикатора фазы не превышает 2—3 делений, то можно считать, что фазовость устранена достаточно, и полученное среднее значение масштабной частоты соответствует данному номеру нулевой индикации.

Переходим к изложению операций, из которых складывается один прием измерений.

Прежде всего необходимо подстроить выходной контур, затем выводить переменный фильтр («серый клин») до тех пор, пока.стрелка прибора-«Световой поток» не будет установлена на отсчет, указанный в паспорте прибора. Далее установить переключатель фазы в первое положение, фазовращатель на отсчет примерно 25 делений и рукоят­ кой плавного генератора установить отсчет, соответствующий соста-

. вленной программе наблюдений. Затем измерить частоту пересчетным устройством и поддерживать ее неизменной в течение всего ■приема. Поворачивая рукоятку фазовращателя, установить стрелку индикатора фазы на нуль и взять отсчет-по шкале фазовращателя. При этом отмечают направление движения стрелки индикатора фазы: если это направление совпадает с направлением вращения рукоятки фазовращателя, то нулевая индикация четная (число N четное) и ей приписывают знак плюс; если же направления не совпадают, то N — число нечетное и ставят знак минус. Такие действия следует повто­ рить нри всех положениях фазового переключателя. На этом за­ канчивается первый полуприем измерений на отражатель. Измерения по калибровочной линии делаются в том же порядке. Для этого нужно включить калибровочную линию и установить на ней отсчет, равный целому числу делений. После этого поворотом рукоятки фазовращателя установить стрелку индикатора фазы на нуль и взять отсчет по шкале фазовращателя. Этігдействия нужно повторить и при

всех других фазовых положениях.