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]
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.
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.
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.
