Об аттестации современных светодальномеров на эталонных линейных базисах

УДК 528

А.В. Кошелев, А.П. Карпик, Г.А. Уставич, А.К. Синякин, В.А. Кошелев,

С.С. Титов, Ю.В. Скипа, А.А. Дубинина, Н.В. Заржецкая СГГА, Новосибирск

ОБ АТТЕСТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ СВЕТОДАЛЬНОМЕРОВ НА ЭТАЛОННЫХ ЛИНЕЙНЫХ БАЗИСАХ

Выполнен критический анализ существующих схем метрологической аттестации фазовых светодальномеров с учетом некорректности используемых формул для расчета скорости распространения световых волн в атмосфере. Предложена новая схема создания базиса для метрологической аттестации фазовых светодальномеров.

A.V Koshelev, А.Р. Karpik, G.A. Ustavich, A.K. Sinjakin, V A. Koshelev, Yu. V Skipa, S.S. Titov, A.A. Dubinina, N.V. Zarjeckaja Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo U1., Novosibirsk, 630108, Russian Federation

CERTIFICATION OF MODERN OPTICAL RANGE-FINDERS ON CALIBRATION BASELINES

The authors analyze the existing chains for metrological certification of phase optical range-finders taking into account the fact of the formulae used for calculation of light waves propagation in the atmosphere being incorrect. A new scheme for the development of the baseline for certification of phase optical range-finders is offered.

В настоящее время аттестация высокоточных фазовых светодальномеров выполняется на эталонных базисах. Существующая государственная поверочная схема для передачи единиц длины от эталона к образцовым и рабочим средствам помимо геодезических жезлов, инварных проволок и лазерных интерферометров предусматривает использование фазовых светодальномеров соответствующего класса точности. Часто рекомендуемые для этих целей светодальномеры фирмы «Керн» МЕ-3000 с длиной волны несущего излучения Х1=0,485 мкм, а также более поздняя модель МЕ-5000 с длиной волны лазера Х2=0,633мкм. Эти дальномеры имеют высокую инструментальную чувствительность порядка сотых долей миллиметра [1,2]. Однако доследования, выполненные автором в работе [3], показали, что в фазовых светодальномерах применяется некорректное значение скорости распространения оптических волн в атмосфере поэтому применение существующих светодальномеров в качестве рабочих средств для создания эталонных базисов недопустимо.

Это объясняется тем, что в настоящее время групповые скорости волн для фазовых светодальномеров определены из соотношения Рэлея с применением фазовых скоростей волн. Ранее полагалось, что из результатов реальных измерений интерферометрами Б. Эдлен определил фазовый показатель

преломления с целью нахождения показателя преломления воздуха в

зависимости от метеоусловий. В действительности, по результатам измерений Б. Эдлен нашел групповой показатель преломления атмосферы [4]. Экспериментально это доказано в работе [5]. При существующей методике расчета скорости волн в атмосфере для фазовых светодальномеров содержатся значительные систематические погрешности, пропорциональные длинам измеряемых расстояний. Целью настоящей работы является анализ и оценка величины погрешностей, вызванных использованием некорректного показателя преломления, а также разработка практических рекомендаций по созданию точных эталонных базисов.

Для этих целей вместо некорректной повсеместно используемой (И) формулы группового индекса показателя преломления атмосферы ЫИО(Л) в стандартных условиях

»г ^ , 1Ч1П6 3-1,5294 5 • 0,01367

КИ0(Л) = (пг о -1)106 = 272,6129 + -2 +---^4----• „ ч

Л Л

предлагается (П) применять формулу, которая раньше называлась фазовым показателем преломления

л, /.ч / л1п6 1,5294 0,01367

NП0(Л) = (п8 0 -1)10 = 272,6129 + —Т2— +------•

Л Л

Для условий, отличающихся от стандартных, групповой индекс показателя преломления воздуха можно вычислить, используя значения (Ыпо или ^ио) в

следующем выражении [3]:

Т • Р ( 0 5572^ е

Кп

Р0 • Т V Л ) Т

где Т0=288.15 К @о=15 0С) , Р0=760 мм рт. ст., Р, Т и е - измеренные на момент наблюдений средние значения давления, температуры и влажности на концах измеряемой линии.

Для оценки влияния некорректности используемых формул расчеты выполнялись с помощью разности расстояний, полученных с использованием корректных и некорректных значений показателя преломления атмосферы

А

где ЭИ(Л)=Э0[1+КИ(Л)-10'6], , а 0П(Л)=00[1+ЫП(Л)-10'6]. Расчеты

выполнялись при Т=Т0 , Р0 = Р и е=10 мм рт. ст. Для светодальномера МЕ-3000 при Э0 = 3000 м получено А(А1) =42 мм, что соответствует коэффициенту, пропорциональному погрешности от длины измеряемой линии Ь=14 мм/км, а для МЕ-5000 при Б0 = 8000 м [2] имеем А(А2) =64 мм, соответствующее значению Ь=8 мм/км. Из вычислений с помощью уравнения (4) следует, что расчеты с использованием некорректных формул (1) дают существенно завышенные результаты светодальномерных измерений. Аналогичные выводы

получены в работе [6], где также отмечено, что результаты светодальномерных измерений искажены в сторону увеличения по сравнению с результатами прецизионных GPS-измерений. Это показывает, что методические погрешности существующих фазовых светодальномеров имеют величины, существенно превышающие их паспортные значения, а сами измеренные длины после введения поправок за атмосферу превышают их истинные значения.

Отметим, что ослабление указанных погрешностей может осуществляться двумя путями:

- Вводом соответствующих приборных поправок, определенных с достаточной частотой в диапазоне измеряемых длин на эталонных базисах, измеренных интерферометрами и инварными проволоками, даже при использовании некорректных скоростей, что и осуществлялось до настоящего времени;

- Использованием корректных значений скоростей оптических волн с применением формулы (2), представленной в данной работе.

Однако, практическое применение первого случая ограничено тем, что наибольшая длина надежно измеренного и проконтролированного с помощью инварных проволок и оптического интерферометра, например, финского базиса Нуммела имеет длину лишь 864 м [7]. Расстояния больше 864 м, измеренные даже самыми точными светодальномерами, до настоящего времени имеют реальные погрешности, близкие к представленным на рис. 1. Это дает основание полагать, что лишь до длины 864 м в рассматриваемом случае использование промежуточных точек с коррекцией за «приборные поправки» при их достаточной частоте позволяло, в определенной степени, лишь ослабить ошибки, обусловленные некорректностью используемых формул (1). В этом случае возможный график погрешностей с использованием существующей методики учета влияния атмосферы показан на рис. 1.

тв, лш

л

60-

1>,км

О 0,36 1 2 3 4

6 7 8

Рис. 1. График методических погрешностей, обусловленных влиянием

атмосферы

В действительности, погрешности измерения расстояний, обусловленные влиянием атмосферы, для существующих фазовых светодальномеров могли быть частично снижены при определении приборных поправок на достаточно длинных базисах, измеренных GPS-аппаратурой. Однако и здесь возникают проблемы, поскольку современные GPS-приемники должны также аттестовываться на базисах, измеренных интерферометрами или инварными проволоками. В настоящее время, к сожалению, их длина не превышает 1км. К тому же существует ряд инструкций [9], рекомендующих использование базисов, измеренных фазовыми светодальномерами, для метрологической аттестации GPS-премников.

Здесь важно отметить, что в измерениях протяженных линий инварными проволоками и (или) лазерными интерферометрами происходит накопление ошибок пропорционально измеряемым длинам. При этом измерения инварными проволоками и лазерными интерферометрами весьма дороги и трудоемки. Поэтому возникает задача построения больших базисов с погрешностью, близкой к измерениям интерферометрами и инварными проволоками. Эта задача может быть сравнительно просто и без существенных затрат решена использованием метода, впервые предложенного в работе [8]. Сущность его сводится к следующему. Положим, что на местности имеется точно измеренный инварными проволоками или лазерным интерферометром эталонный базис, например, длиной 864 м. Пусть этот базис измеряется высокоточным фазовым светодальномером МЕ-5000 по цифровому индикатору без введения поправок на метеоусловия. Этот прибор позволяет брать отсчет в метрах до четвертого знака после запятой [2].

Затем с минимальным перерывом по времени в створе с эталонным базисом этим же светодальномером на местности по цифровому индикатору светодальномера откладывается и закрепляется надежными центрами точно такое же расстояние. При этом отложенное расстояние будет равно длине эталонного базиса, а точность отложенного расстояния будет близка к точности исходного прецизионного базиса. Таким образом, выполняя аналогичные действия по увеличению длины базиса, можно добиться требуемой длины прецизионного базиса, пригодного для эталонирования во всем диапазоне измеряемых длин аттестуемого светодальномера.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Камен Х. Электронные способы измерений в геодезии / М.: Недра, 1982.- 156 с.

2. А.А. Козырев, Э.В. Каспарьян, Д.В. Жиров, Ю.Г. Смагина. Саамский разлом (Хибины) - аномальный характер современных деформаций [Текст] // Вестник МГТУ, том 12, 2009.- №4. - С.702-707.

3. Кошелев А.В. О фазовом и групповом показателе преломления оптических волн для геодезических измерений [Текст] / А.В. Кошелев // Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2009. - № 2. - С. 33-36.

4. Edlen B. The refractive index of air. // «Metrología». - 1966. - V. 2, № 2. -Р 71-80.

5. Кошелев А.В. Учет влияния показателя преломления атмосферы на результаты светодальномерных измерений / Сб. трудов IX Междун. конф. «ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА-2010» - Санкт-Петербург. - С.265-269.

6. Savage J.C., Lisovski M., Prescott W. H. Observed discrepancy between Geodolitte and GPS distance measurements. // Journal of Geophysical Research -1996. 101, N 11. 25,547 - 25,552.

7. Konttinen R. The long- term stability of the Nummela Standard Baseline. Int. Union Geod. and Geophys // 21st Gen. Assembly, Boulder, Colorado, July 2-14, 1995.

8. Уставич Г.А., Кошелев А.В. Шестаков С,И. Съемка подкрановых путей полярного крана АЭС. [Текст] /Уставич Г.А. //Геодезия и картография. -1994.-№ 4 - С.13-14.

9. Уставич Г.А. К вопросу создания эталонных базисов для аттестации спутниковой аппаратуры и светодальномеров. [Текст] /Уставич Г.А. // Геодезия и картография. -1999.-№ 9 - С.7 -14.

© А.В. Кошелев, А.П. Карпик, Г.А. Уставич, А.К. Синякин, В.А. Кошелев, С.С. Титов, Ю.В. Скипа, А.А. Дубинина, Н.В. Заржецкая, 2011