Рефракция в геодезии. Эффективный метод определения

21 Июня 2019

В журнале «Геодезия и Картография» №5 2019 г вышла статья «Анализ классических методов учёта и определения рефракции в приземном слое атмосферы» [1], где достаточно детально анализируются практически все современные методы определения рефракции. В ней сказано, что в инструкциях к современным геодезическим приборам рекомендуется вводить поправку за рефракцию с учётом коэффициента рефракции k = 0,13÷0,20. В действительности в приземном слое атмосферы коэффициент рефракции может иметь значения от –6 до 6 и более[2]. Реально в приземном слое атмосферы (до высоты визирного луча 10…20м) днём, как правило, и наблюдаются в основном отрицательные, а не положительные коэффициенты рефракции, которые быстро и случайным образом изменяются широких пределах. Поэтому, как зарубежные, так и отечественные исследователи в ряде случаев предлагают не вводить поправку за рефракцию, так как это может только ухудшить результаты измерений.

Используя результаты многочисленных исследований методов определения вертикальной рефракции, можно прийти к заключению, что классические методы не позволяют с высокой степенью достоверности определять рефракцию[1]. Исключение составляет метод наблюдений при безразличной температурной стратификации атмосферы, когда влияние рефракции близко к 0. Но он имеет существенные недостатки. Основной недостаток-сложность определения временных границ, когда рекомендуется выполнять измерения, т.е. наблюдается безразличная температурная стратификация Автор предлагает для повышения точности определения рефракции учитывать турбулентность атмосферы, что даёт возможность выполнять измерения в любое время суток с высокой точностью.

С этой целью нужно разрабатывать динамические методы измерений[1]. С целью широкого внедрения в практику геодезических работ в настоящее время в ГК ГИС ведётся теоретическая разработка и интенсивно выполняются экспериментальные исследования такого метода определения рефракции, основанного на измерениях искажений световой волны. Как показывает опыт, этот метод измерения очень точен и оперативен. Он может быть достаточно легко реализован с помощью высокоточных электронных тахеометров с автоматическим наведением на визирную цель.

Чтобы определить величину угла вертикальной рефракции на определённую визирную цель достаточно выполнять измерения зенитного расстояния в следящем режиме с максимально допустимой частотой измерений, набрав порядка 100 отсчётов (желательно не меньше 25) в течение 2…10 минут и, за тем, обработать их по разработанному в ГК ГИС алгоритму. Угол вертикальной рефракции r” предлагается определить, измеряя статистические характеристики Ψ оптического излучения, прошедшего слой турбулентной атмосферы, а также температуру T и давление P на трассе, выполнив следующую последовательность преобразований [3]

formula.png

Для экспериментальной проверки определения рефракции динамическим (турбулентным методом), были выполнены измерения на полигоне ГК ГИС и на производственном объекте в Европейской части РФ.

Для наглядности данные определений угла рефракции динамическим методом rд и данные, полученные с использованием результатов тригонометрического и геометрического нивелирования («истинное» значение угла вертикальной рефракции r) представлены в виде графика на рис.1.

ris1.png

Рис.1. Дневной ход рефракции 13 августа на полигоне ГиС (L=625,22 м)

Из представленного графика видно, ход рефракции rд, полученный динамическим методом, несколько отличается от «истинного» хода рефракции r, так как меньше по модулю на 1,5…2” в точках отсчёта. Из полученных данных можно заключить, что максимальное значения рефракции rд, вычисленное по искажениям световой волны для первого цикла наблюдений на трассе L =625м имеет наибольшую величину (по модулю) -23,4”, а для более короткой трассы L =564м максимальное по модулю значение угла вертикальной рефракции достигает -13,5”.

Как видно из графиков, угол вертикальной рефракции меняется случайным образом с высокой скоростью (в течение нескольких секунд) и весьма значительно, что свидетельствует о невозможности использования постоянных коэффициентов рефракции, полученных ранее на этой же трассе. Это подтверждает ранее сделанный в работе [4] вывод о том, что «трудности учёта рефракции связаны с её быстрыми изменениями во времени и пространстве». Эффект быстрого хаотического изменения величины рефракции наиболее сильно проявляется для более длинных трассах при отсутствии облачности и слабом ветре.

При использовании визуальных методов наблюдений процесс визирования на точку занимает определённый момент времени и, как правило, (см. графики) угол рефракции за время визирования претерпевает значительные случайные изменения, что не позволяет точно выполнять измерения направлений.

Как видно из сравнения представленных результатов, значения рефракции, принятые за истинные и полученные динамическим методом, практически совпадают и характеризуются средней квадратической ошибкой порядка 2…3”. Таким образом, выполненный эксперимент подтверждает высокую точность определения рефракции в момент измерений динамическим методом, которая практически не много меньше инструментальной точности ~ 1’’ используемого прибора– роботизированного тахеометра, которая заявлена в паспорте прибора- Trimle S9.

Кроме того, осенью 2018г были выполнены исследования рефракции при более благоприятных условиях наблюдений, которые практически соответствовали температурной стратификации атмосферы близкой к безразличной- см рис.2.

ris2.png

Рис.2. Графики временного хода рефракции за период с 15 час. 04 мин до 15 час. 30 мин. 1 ноября 2018г на ровной горизонтальной трассе протяжённостью 741,220м

Наблюдения выполнялись роботизированным тахеометром Trimble S8 на производственном объекте на трассе протяжённостью 741,422 м. Инструментальная точность используемого прибора составляет 1”. Трасса имела ровную горизонтальную поверхность, температура воздуха составляла -10 С, скорость ветра -0,5м/с, давление 1025,8 мбар. В момент наблюдений угол вертикальной рефракции имел положительное значение и определялся классическим методом - путем сравнения с результатами геометрического нивелирования II класса [3]. Одновременно показан ход рефракции за этот же период, полученный на основании измерений рефракции динамическим методом.

Из сравнения углов рефракции, полученных этими двумя различными методами, можно заключить, что отклонение значений рефракции от истинного составляют не более 1,5''. Так как истинные значения угла рефракции, определены с точностью порядка 2'', о чём было сказано выше, то можно сделать предварительный вывод о том, что точность турбулентного метода определения рефракции примерно соответствует инструментальной точности используемого роботизированного тахеометра.

Выводы:

  1. Сложность реализации разрабатываемого метода с помощью современных электронных тахеометров не вызывает каких-либо затруднений. Основная проблема заключается в отсутствии таких приборов. Хотя в 70-х годах прошлого столетия прибор с автоматическим наведением на отражатель и регистрацией данных с частотой 50 Гц и точностью 1’’ был создан в СССР для исследования динамического метода определения рефракции на полигоне ФТИ АН ТССР [3].
  2. Результаты эксперимента соответствует выводам многих исследователей о том, что угол рефракции быстро и значительно меняется случайным образом. Полученные данные свидетельствуют, что в течение нескольких секунд угол вертикальной рефракции может изменится на десятки угловых секунд (см рис.1). Поэтому визуальные методы наблюдений не могут обеспечить высокой точности результатов в периоды температурной стратификации атмосферы, отличающиеся от безразличной, т.е. большую часть времени суток условия работы не благоприятны для выполнения визуальных наблюдений.
  3. Для повышения точности результатов необходимо вычислять рефракцию для конкретного момента наблюдений [3] и для конкретной трассы. В противном случае полученные поправки не будут соответствовать действительности из-за их быстрого и случайного изменения в значительном диапазоне.
  4. Выполненные эксперименты с использованием роботизированных тахеометров Trimble S8, S9 и S 10 в различные сезоны года и на различных трассах, включая производственные объекты, подтверждают возможность применения динамического метода определения рефракции, который разрабатывается в настоящее время в ГК ГиС. Полученная точность определения рефракции (~ 2”), практически соответствует инструментальной точности используемого прибора, а систематическая ошибка рефракции, вероятнее всего вызвана не достаточно точным определением высоты отражателя и инструмента, что сказалось, на определении “истинного” значения угла вертикальной рефракции.
  5. Для дальнейшего широкого внедрения динамического метода определения рефракции при использовании электронных тахеометров с автоматическим наведение на визирную цель требуется проведение более обширных экспериментальных исследований в различных условиях наблюдений.
  6. В случае дальнейшего экспериментального подтверждения высокой точности динамического метода определения рефракции открываются значительные перспективы для разработки новых более эффективных методов и средств, позволяющих получать результаты измерений, на которые может быть значительно уменьшено (практически исключено) влияние условий прохождения электромагнитных волн в турбулентной среде. При этом учёт рефракции может выполняться автоматически непосредственно в поле при выполнении измерений, т. е в реальном масштабе времени.

Автор статьи: Дементьев Д.В.

Литература:

  • Дементьев Д.В. Анализ классических методов учёта и определения рефракции в приземном слое атмосферы. // Геодезия и картография. – 2019. – Т. 80. – № 5. – С. 2–11.
  • Angus-Leppan P. V. (1969) Surface effects on refraction in precise levelling. Conference on Refraction Effects in Geodesy & Conference on Electronic Distance Measurement 5–8 Nov. 1968, New South Wales (Australia), Univ. of N. S. W., pp. 74–89.
  • Дементьев В. Е., Дементьев Д. В., Парамонов А. Г. Современная геодезическая техника и её применение: Учеб. пособие для вузов. – Орёл: Картуш, 2019. – 500 с.
  • Островский А. Л., Джуман Б. М., Заблоцкий Ф. Д., Кравцов Н. И. Учёт атмосферных влияний на астрономо-геодезические измерения. – М.: Недра, 1990. – С. 235.
Присоединяйтесь к нам :)
					
Корзина

Корзина пуста :(

Быстрый заказ
Корзина пуста