книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие
.pdfК. Л. ПРОБОРОВ, Ф. П. НОСКОВ
РА Д И О Г Е О Д Е З И Я
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ
Допущено Министерством |
высшего |
|
|||
и среднего |
специального |
образования |
СССР |
||
в |
качестве учебного |
пособия |
|
|
|
для студентов |
геодезических |
специальностей |
вузов |
ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А»
М о с к в а , |
1973 |
УД К 528,021.617.(075.8)
ГО С . П У Б Л И Ч Н А Я
НА У Ч Н О - Т Е Х Н И Ч Е С К А Я
Б И Б Л И О Т Е К А С С С Р
Проворов К. Л . , Носков Ф. П. Радиогеодезия. Изд. 2, испр. и доп. М., «Недра», 1973, 352 с.
В книге излагаются основы теории и применения радиоэлектронных методов измерения расстояний в геодезии. Большое внимание уделяется рассмотрению типичных конструкций радиогеодезических средств. В со ответствующих местах приводятся необходимые сведения по радиотехнике, электронике, физической оптике и метеорологии.
Рассматриваются вопросы |
распространения электромагнитных волн |
|
в атмосфере, измерения фазы и частоты колебаний, |
приведено описание |
|
устройства светодальномеров. |
Описываются основные |
методы вычислений |
и оценки точности радиогеодезических измерений на плоскости, сфере и эл липсоиде. Даны необходимые сведения по теории и методам построения ли ний положения. Рассматриваются физические основы радиоэлектронных методов измерения расстояний.
Учебное пособие предназначено для студентов геодезических вузов, а также может быть использовано и инженерно-техническими работниками геодезического производства при выполнении ими радиогеодезических измерений.
Таблиц 17, иллюстраций 187, список литературы — 40 названий.
0271-435 |
(С) и з д а т е л ь с т в о |
„ Н Е Д Р А . |
1 9 7 3 |
||
1 1 043 (01) - 73 і т 1 6 |
|
|
|
|
|
К о н с т а н т и н Л е о н т ь е в и ч |
П р о в о р о в |
|
|||
Ф е д о р П а в л о в и ч |
Н о с к о в |
|
|||
|
РАДИОГЕОДЕЗИЯ |
|
|
||
Р е д а к т о р А. В . |
К о н д р а ш к о в |
|
|||
Редактор |
издательства Н. |
В. |
П р о т о п о п о в а |
И о н к и н а |
|
Технический редактор В. В. |
С о к о л о в а . |
|
|
Корректор В. И. |
Сдано в набор 6 / Ш 1973 г. Подписано в печать 7/ѴІ 1973 г. Т-09907. Формат 60 х 901 /,.. Бумага № 2. Печ. л. 22,0. Уч.-изд. л. 22,78. Тираж 6300 экз. Заказ № 129/3511—15.
Цена 1 р . 04 к.
Издательство «Недра», 103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19. Ленинградская типография № 6 «Союзполиграфпрома» при Государственном комитете Совета Министров СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 196006, г. Ленинград, Московский пр., 91.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П Р Е Д И С Л О В ИЕ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Раздел |
геодезии, |
|
посвященный |
теории |
и практике |
радиоэлектрон |
||||||||||||||||
ных |
методов |
определения |
расстояний, |
включая |
теорию |
соответ |
|||||||||||||||||
ствующих |
устройств, |
называют радиогеодезией. |
К |
|
настоящему |
||||||||||||||||||
времени |
накоплен |
|
большой |
опыт |
выполнения |
|
радиогеодезических |
||||||||||||||||
работ, |
|
проведены |
обширные |
научные |
исследования |
и |
|
опубликовано |
|||||||||||||||
много |
статей |
и монографий |
по радиогеодезии. |
Между |
тем |
учебная |
|||||||||||||||||
литература |
|
по атой |
теме |
недостаточна. |
|
В |
предлагаемом |
внима |
|||||||||||||||
нию |
читателей |
втором, |
переработанном |
|
|
издании |
|
«Радиогеодезии» |
|||||||||||||||
дается |
|
систематическое |
изложение |
основ |
предмета, |
причем |
наи |
||||||||||||||||
большее |
внимание |
|
уделяется |
|
рассмотрению |
|
общетеоретических |
||||||||||||||||
вопросов |
и описанию |
|
главным |
образом |
конструкций |
серийных |
прибо |
||||||||||||||||
ров |
и |
методов |
их |
применения. |
|
Вопросы |
|
организации |
|
и |
техники |
||||||||||||
проведения |
радиогеодезических |
|
|
измерений |
|
освещены |
в |
пособии |
ча |
||||||||||||||
стично, |
так |
как |
подробное |
изложение |
|
их |
дается в |
|
соответству |
||||||||||||||
ющих |
инструкциях |
|
и |
|
наставлениях. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
При |
|
обсуждении |
первого |
|
издания |
|
«Радиогеодезии», |
состояв |
||||||||||||||
шемся |
в 1967 |
г. в Московском |
институте |
|
инженеров |
геодезии, |
аэро |
||||||||||||||||
фотосъемки |
|
и |
картографии |
с |
участием |
|
сотрудников |
высших |
учеб |
||||||||||||||
ных |
заведений, |
научно-исследовательских |
|
и |
производственных |
|
орга |
||||||||||||||||
низаций, |
|
были |
высказаны |
полезные |
рекомендации |
|
по |
улучшению |
|||||||||||||||
содержания |
|
книги |
|
и |
вынесено |
решение |
о необходимости |
|
ее |
пере |
|||||||||||||
издания |
в |
качестве |
учебного |
пособия для |
студентов |
|
геодезических |
||||||||||||||||
вузов. При подготовке второго издания |
|
были |
использованы |
появив |
|||||||||||||||||||
шаяся |
|
в последние |
|
годы |
научно-техническая |
литература, |
|
опыт |
|||||||||||||||
применения |
|
первого |
издания |
пособия |
в учебном |
процессе |
Новосибир |
||||||||||||||||
ского |
института |
|
инженеров |
геодезии, |
|
аэрофотосъемки |
и |
карто |
|||||||||||||||
графии, |
а |
также |
замечания |
и |
рекомендации |
научных |
работников |
||||||||||||||||
и производственников, |
|
высказанные |
на |
совещании |
и |
сообщенные |
|||||||||||||||||
авторам |
|
в |
личной |
|
беседе. |
|
Сохраняя |
|
общий |
замысел и |
строй |
||||||||||||
первого |
|
издания |
пособия, |
при |
|
подготовке |
второго |
издания |
авторы |
||||||||||||||
исключили |
устаревшие |
сведения |
|
и включили |
современные. |
Некоторые |
|||||||||||||||||
разделы |
написаны |
|
заново. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Первое издание |
«Радиогеодезии» |
было полностью |
написано |
К. Л. Проворовым. |
В подготовке второго издания большое |
участие |
принял |
Ф. П. Носков, |
которым переработаны |
главы III, |
IV, |
VIII |
|||||||||
и X |
(га |
исключением |
|
§ 37), а |
также |
§ 14, |
15 |
(глаава |
V) и |
§ 2 0 |
(гла |
|||
ва VI). |
Подготовка |
к |
новому |
изданию |
остального |
материала |
книги |
|||||||
выполнена К. |
Л. |
Проворовым. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
Авторы |
приносят |
благодарность |
лицам, |
внесшим |
предложения |
|||||||||
по улучшению |
учебного |
пособия |
и оказавшим |
помощь в его |
подготовке, |
|||||||||
редактированииииздании. |
Авторы |
в особенности |
благодарны |
сотруд |
||||||||||
никам |
кафедры радиоэлектроники |
|
НИИГАиК |
В. |
И. |
Алексееву |
||||||||
и В. Н. |
Бондаренко, |
рецензентам |
Б. |
Б. |
Серапинасу, |
В. |
П. |
Глу |
||||||
мову, |
А. |
Н. Голубеву, |
|
В. М.Лобачеву |
|
и A.B. |
Кондрашкову |
— |
рецен |
|||||
зенту |
и |
редактору |
|
книги. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В В Е Д Е Н И Е
Современные достижения физики, химии, математики и других естественных наук вызвали невиданный прогресс во всех областях науки и техники. В этом прогрессе следует отметить особую роль радиоэлектроники, занимающейся, в частности, вопросами передачи, приема и преобразования информации с помощью электромагнитной энергии. Развитие радиоэлектроники обеспечило настолько широкое ее применение, что трудно назвать область человеческой деятель ности, в которой в настоящее время она не используется. Радиоэлек троника становится одним из главных факторов, определяющих общий уровень развития техники.
Радиоэлектронике обязана своим возникновением радиоастроно мия, изучающая космические тела по их радиоволновому излучению, что дало возможность получить принципиально новые сведения о природе космического пространства, открыть новые звездные образования, туманности и т. п. Исключительно важное значение для метрологии имеют квантовые (атомные или молекулярные) стан дарты частоты, позволяющие измерять время с точностью до 1СГ1 1 с. Благодаря этому оказалось возможным выявлять малейшие неравно мерности во вращении Земли, что важно для геодезии и геофизики.
Одним из важнейших применений радиоэлектроники является радиолокация, занимающаяся разработкой средств и способов обна ружения и определения местоположения различных объектов при помощи радиоволн, излучаемых объектом, а также отражаемых объектом или ретранслированных установленным на объекте уст ройством. По принятым с помощью радиолокационного устройства сигналам можно не только обнаружить объект, но и определить на правление на него, а также измерить расстояние между объектом и радиолокационной станцией.
Радиолокация составляет основу современной навигации на море и в воздухе, без нее невозможно управление на расстоянии движу щимися объектами (например, искусственными спутниками или кос мическими кораблями). Большое распространение радиолокация получила в военном деле, астрономии, метеорологии и в ряде других
5
отраслей. Радиолокация лежит в основе радиоэлектронного метода измерения расстояний, вооружившего геодезию принципиально но выми, наиболее совершенными средствами измерений.
Радиоэлектронный метод измерения расстояний находит все боль шее применение в геодезии. В настоящее время стороны в опорных геодезических сетях измеряют только радио- и светодальномерами.
Эти приборы |
все шире применяют при топографической съемке, |
в инженерной |
геодезии, в маркшейдерских и других геодезических |
работах. Специальные радиодальномерные устройства широко при меняются при наблюдении искусственных спутников Земли и в кос мической геодезии. Ряд организационных и технических преимуществ
радиоэлектронного |
метода |
измерения |
расстояний |
по сравнению |
с классическими |
методами — меньшая зависимость от метеорологи |
|||
ческих и географических |
условий, |
высокая производительность |
||
труда — обеспечивает этому |
методу преобладающее |
место во всех |
видах топографо-геодезических работ. Радиоэлектронный метод изме рения расстояний является одним из важнейших факторов дальней шего прогресса картографо-геодезического производства. Широкое распространение получили радиовысотомеры, радиодальномерные устройства и системы при выполнении а эрофотосъемочных работ, что значительно увеличило производительность и качество аэро фотосъемки.
Определение направлений радиолокационным методом называют радиопеленгацией. Для пеленгации используются узконаправленные антенны, ориентировка которых указывает на направление прихода радиоволн от объекта. Радиопеленгация применяется в основном в навигации. В геодезии она не получила применения (из-за сравни тельно невысокой точности, составляющей в лучшем случае десятые доли градуса).
Основное применение в геодезическом производстве радиолока ция получила при измерении расстояний. Для измерения расстояний в настоящее время используют электромагнитные колебания диапа зона радиоволн, немонохроматическое и монохроматическое излуче ние оптического диапазона. В соответствии с этим различают радио дальномеры и светодальномеры; последние иногда называют также электрооптическими дальномерами. В случае применения светодальномеров вместо термина «радиолокация» часто применяют термин «светолокация».
Определение расстояний радиолокационным методом основано на измерении времени распространения àt электромагнитных коле баний от радиолокационной станции до объекта и обратно. Расстоя ние D определяют по формуле
D |
|
(1) |
в которой V — скорость распространения |
колебаний. |
|
Существуют два основных метода радиолокации и |
светолокации: |
|
импульсный и непрерывного излучения. |
Второй метод называют* |
6
также фазовым. В первом методе радиолокационная станция или светодальномер излучают короткие импульсы электромагнитных колебаний и измеряется время прохождения импульсами определя емого расстояния. Во втором случае станция или дальномер излучают гармонические колебания непрерывно, а время их распространения определяется по величине сдвига фаз излучаемых и принимаемых колебаний. Существуют также устройства, в которых используется комбинация указанных методов и гармонические колебания излу
чаются с перерывами, а время |
их распространения определяется |
по разности фаз посылаемых и |
принимаемых колебаний. |
В радиодальномерных устройствах, применяемых в геодезии, используются как отраженные от предметов сигналы (в радиовысото мерах), так и ретранслированные сигналы (в радиодальномерах). Первые называют системами с пассивным ответом, а вторые — систе мами с активным ответом. В светодальномерах в настоящее время применяют только пассивные отражатели.
Радиоэлектронный метод измерения расстояний возник сравни тельно недавно, хотя на возможность обнаружения объектов при по мощи электромагнитных волн указал еще в 1897 г. замечательный русский ученый А. С. Попов. Первые опыты по определению напра вления на передающую радиостанцию с использованием рамочной антенны были выполнены в 1903 г. русским физиком Н. Д. Папалекси. Усовершенствованный образец рамочного пеленгатора ус пешно применялся в боевых действиях русских войск в первой миро вой войне, а к 1925 г. в Советском Союзе и в других странах радио пеленгаторы и радиомаяки, построенные по этому принципу, уже широко использовались как основные средства радионавигации.
В І907 г. выдающийся русский радиофизик Л. И. Мандельштам применил временную развертку в электронно-лучевой трубке для изучения затухающих колебаний, чем положил начало способам ра диотехнических измерений малых промежутков времени, а русский физик Б . Л . Розинг предложил способ «электрической передачи изо бражений на расстояние», в котором для приема изображений была применена электронно-лучевая трубка с магнитной разверткой. Эти способы до сих пор используются в различных радиолокационных устройствах.
Впервые импульсный радиотехнический метод измерения расстоя ний был применен в 1925 г. американцами Брайтом и Тювом для измерения высоты ионизированных слоев атмосферы. В 1932 г. им пульсный радиодальномер с электронно-лучевым индикатором был построен в Ленинграде М. А. Бонч-Бруевичем и применен при ионо сферных наблюдениях за Полярным кругом. В 1934 г. в СССР соз даны первые экспериментальные радиолокационные станции для обнаружения самолетов в воздухе, чем было положено начало разви тию радиолокационной техники в нашей стране. В последующие годы в Советском Союзе был создан ряд импульсных и фазовых радиоло-
7
кационных систем с большим радиусом действия; некоторые из них успешно применялись во время Великой Отечественной войны. К началу 40-х годов радиолокационные станции использовались для обнаружения самолетов и в других государствах.
Быстрое развитие радиоэлектроники в последующие годы, в осо бенности в области генерирования и распространения электромагнит ных волн ультракороткого диапазона, способствовало дальнейшему прогрессу радиолокации, созданию радиогеодезических систем и точ ных радиодальномеров. Решению этой задачи в особенности способ ствовали исследования академиков Л . И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, разработавших в 30-х годах научно-технические принципы фазовых методов измерения расстояний. Предложенные ими способы радиодальномера, фазового зонда и радиолага легли в основу всех современных фазовых радионавигационных и радиогеодезических систем и радиодальномеров.
Применение радиолокации для геодезических измерений шло как путем использования для этой цели радионавигационных систем, так и путем создания специальных радиодальномеров. Первые экспе риментальные работы по точному измерению расстояний радиолока ционным способом были выполнены в СССР в 1934 г. с использова нием фазового радиодальномера МПЩ-1, сконструированного А. С. Щеголевым по схеме Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси. С 1936 г. радиодальномеры МПЩ применялись при гидрографиче ских работах, обеспечивая измерение расстояний до 100 км с ошибкой в несколько десятков метров. К 1939 г. на основе радиодальномера МПЩ в ЦНИИГАиК была разработана система РИР , позволявшая измерять расстояния до 100 км с ошибкой до 10-—15 км. В этих же годы в США была изготовлена система Рейдист типа В, которая, как и дальномеры МПЩ и РИР , из-за недостаточной точности не получила применения в геодезических работах.
В 1944 г. в ЦНИИГАиК под руководством А. И. Грузинова соз дается фазовая радиогеодезическая система РГСЦ, рассчитанная на измерения расстояний до 350 км с ошибкой около 7 м. Эта система в течение двух десятилетий с успехом применялась для планового обоснования топографических съемок в масштабах 1 : 25 000— 1 : 50 000. Значительное распространение в послевоенные годы полу чили также круговая импульсная система РЫМ при аэрофотосъемке
и |
фазовая система «Поиск», созданная для геофизических |
съемок |
во |
ВНИИГеофизика. Эти системы позволяли измерять расстояния |
|
до 400 км с ошибкой 15—20 м. В 1965 г. прошел успешные |
испыта |
ния самолетный радиодальномер РДС, созданный в ЦНИИГАиК под руководством И. Л. Гилля. Дальномер обеспечивает измерение расстояний до 300 км со средней квадратической ошибкой около 1 м и определение координат центров проектирования при аэрофото съемке с ошибкой около 3 м, что позволяет применять его при аэро фототопографической съемке в масштабах 1 : 10 000—1 : 25 000.
В то же время за границей получили применение при построении геодезических сетей и для аэрофотосъемки радиогеодезические
8
системы Шоран, Хиран, Рейдист (США), Декка (Англия) и др. В эти же годы при аэрофотосъемке для определения скорости и местополо жения самолета начинают применять допплеровские радионавига ционные системы. В 80-х годах создаются радиодальномерные си стемы для измерения расстояний до искусственных спутников Земли: фазовая система Секор, дошілеровская система Транзит и др.
Следует заметить, что перечисленные и другие подобные им си стемы не обеспечивали достаточно точного измерения расстояний, необходимого при построении государственных геодезических сетей и обоснования топографических съемок крупных масштабов. Для этого требовалось создание специальных геодезических радиодаль номеров. К приборам такого типа относится «Теллурометр» — геоде зический радиодальномер, разработанный Т. Уодли (ЮАР). Этим дальномером можно измерять расстояния до 60 км с ошибкой в не сколько сантиметров. Теллурометр получил большое распростране ние для точных геодезических измерений во многих странах. К на стоящему времени создан ряд аналогичных дальномеров усовершен ствованной конструкции в СССР («Луч»), США («Электротейп»), ФРГ («Дистаметр»), Швейцарии («Дистомат»), Польше («Телеметр»), а также в Венгрии, ГДР и Японии. По схеме «Теллурометра» были разработаны специальные радиогеодезические системы: Гидродист — для измерения расстояния с движущегося корабля, Аэродист — в самолетном варианте.
Однако более точные измерения выполняются в настоящее время при помощи светодальномеров. На возможность измерения расстоя ний при помощи световых волн впервые указал американский геоде зист В. Боуи, принимавший в 1926 г. участие в опытах А. Майкельсона по определению скорости света. Большое значение для создания светодальномеров имели работы немецких физиков А. Каролуса и О. Миттелыптедта, которые в 1928 г. впервые использовали в ус тройствах для измерения скорости света электрооптический эффект в ячейке Керра. Примененная ими схема впоследствии легла в основу построения ряда современных светодальномеров с визуальной реги страцией светового потока. Позднее Хюттель и Андерсен при опреде лении скорости света применили фотоэлемент для регистрации и срав нения фаз двух модулированных световых потоков, что впоследствии было использовано при создании светодальномеров с фотоэлектриче ской регистрацией.
Светодальномер был изобретен в СССР в 1933 г. Г. И. Трофимуком. Однако первый светодальномер был создан лишь в 1936 г. советскими учеными В. Г. Вафиади и В. В. Балаковым под руковод ством акад. А. А. Лебедева в Государственном оптическом институте (ГОИ). Дальномером ГОИ можно было измерять расстояния до 4 км с относительной ошибкой около 1 : 2000. Впоследствии дальномер был усовершенствован Ю. В. Поповым и обеспечивал измерение расстояний до 17 км (в ночное время) с ошибкой около 8 см. В 1943— 1948 гг. в США был сконструирован импульсный светодальномер, которым можно было измерять расстояния до 5 км с ошибкой около 2м.
9