При решении инженерно-геодезических задач в горной местности необходим анализ погрешностей высокоточных измерений и выбор на основании этого методов их исключения или учета.
Ключевые слова: топографо-геодезические измерения, геодезические измерения, солнечная радиация, индекс преломления, метеорологические условия.
Использование глобальных навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, создание специальной геодезической приемной аппаратуры в процессе строительства позволили производить топографо-геодезические измерения с высокой точностью.
Определяя расстояния радиоэлектронными способами и методами спутниковых технологий координат с высокой точностью, необходимо учитывать поправки за влияние различных факторов. При топографо-геодезических измерениях наибольшие ошибки дают многопутность, ионосфера и тропосфера [1].
Применяя существующие методы за влияние тропосферы можно устранить только 40–50 % ошибки. Влажная составляющая воздуха дает поправку для вертикальных дальностей примерно — 0,4 м, а сухая — 2,2 м, т. е. 40 % учет этих поправок может привести к ошибкам порядка — 1,6 м.
Взаимодействия движений различных масштабов и источников действия сложен, поэтому любые новые результаты всегда представляют интерес. Модернизированные методики и повышение потолка зондирования атмосферы за последние десятилетия позволило накопить обширный фактический материал по стратификации атмосферы во все сезоны года. Уточненные характеристики температуры, давления и влажности позволяет получить результаты в достаточной мере.
Параметры с учетом метеорологических условии на высотах, как и у поверхности земли, формируются под воздействием таких климатообразующих факторов как солнечная радиация, общая циркуляция атмосферы и особенности физико-географических условий рассматриваемой территории.
Источником всех этих явлений и процессов, происходящих в атмосфере, является солнечная энергия. Влияние солнечной радиации меняется в широких пределах в зависимости от сезона года, широты места, влажности воздуха и т. д. Прерывистое распределение солнечной радиации на земной поверхности определяет возникновение и развитие общей и местной циркуляции атмосферы как в нижних слоях, так и на высотах. В процессе циркуляции атмосферы производиться обмен воздушных масс в меридиальном и широтном направлениях, являясь одним из климатообразующих факторов.
Вышеуказанные основные климатообразующие факторы объединяют также метеорологические параметры не только в приземных слоях, но и в свободной атмосфере до исследуемой нами высоты [2].
В результате были определены основные закономерности изменения метеорологических параметров в тропосфере и нижней части стратосферы. Используя средние месячные величины температуры воздуха до высоты 30 км, у нас есть возможность дать характеристику основным особенностям режима температуры для слоев тропосферы и нижней стратосферы.
Начиная с высоты 50–60 км в атмосфере резко увеличивается содержание заряженных частиц. На высоте около тысяча километров, сигнал входит в слой, называемый ионосферой.
Ионосферная задержка вызывает систематические ошибки в измеренных расстояниях до спутника, называемое ионосферной рефракцией. Влияние ионосферы с точностью описывается в линейной мере выражением [3]:
где ОF ( Z ) — фактор наклона, функция зависимости ионосферной задержки от зенитного расстояния спутника Z., TEC — полное содержание электронов в ионосфере (Total Е1ессгоп Content).
В абсолютном методе наблюдений это влияние дает ошибку в расстоянии около 20 -30 м.
Коэффициент преломления зависит от давления, температуры, влажности, от газового состава атмосферной среды, а для оптического диапазона и от длины волны излучения λ .
На основании обработки многолетних метеорологических наблюдений Эссеном и Фрумом было предложено представлять показатель преломления воздуха для коротких радиоволн в виде ряда [4]:
где Р с и е — соответственно полное сухое давление воздуха и парциальное давление паров воды, (в миллибарах); Т — абсолютная температура воздуха (о Кельвинах); k 1 и k 2 — коэффициенты, отвечающие за учёт ультрафиолетового электронного перехода соответственно для сухого и влажного воздуха; k 3 — коэффициент, возникающий из-за постоянных дипольных инфракрасных вращательных переходов паров воды.
Зенитная тропосферная задержка при абсолютном методе позиционирования составляет около 2,5 м.
По формуле Баррелла-Сирса в оптическом диапазоне преломления воздуха при абсолютной температуре Т , давлении р и влажности е определяют [5]:
для фазового индекса преломления
для группового индекса преломления
Значения ( N 0 ) Ф и ( N 0 ) гр определяют по дисперсионным формулам Коши
где при T 0 = 273,15 К (при абсолютной температуре), постоянные A = 287,583; B = 1,6134; C = 0,01442; λ — длина волны света в вакууме в мкм(t 0 = 0,0˚С), P 0 = 760 мм рт. ст. (для сухого воздуха с 0,03 % содержанием углекислого газа).
Для гелий-неонового лазера (длина волны в вакууме 0,632991мкм):
Расчет был выполнен по реальным метеорологическим высотным профилям при анализе некоторых аспектов рефракционных явлений с использованием численных методов. Величины и индексы преломления воздуха ( N ), принятые для анализа, определяет диапазон экстремальных годовых и суточных изменений метеорологических условий в данной местности.
Многочисленные высотные профили индекса преломления при сравнение получили данные о том, что наибольшая его нестабильность наблюдается на высотах до 2 км. С увеличением высоты значение N стабилизируется и на высотах около 4 км годовая флуктуация составляет порядка 10 ед. N . При расположении наблюдаемых пунктов на высотах более 2 км, годовой характер распространения электромагнитных волн более стабилен. В высокогорной местности нередки случаи перехода в течение суток температуры от положительных значений к отрицательным и наоборот, что неизменно приводит и к довольно сложной суточной изменчивости рефракционных явлений. Это следует учитывать при геодезических измерениях, особенно в тех случаях, когда для уменьшения погрешностей рефракционного характера предусматривается равномерно распределенная суточная программа наблюдений.
Вычисления общепринятыми методами, по абсолютной величине практически всегда меньше интегрального значения. Для большинства направлений погрешности учета метеорологических факторов незначительны (табл.1).
Таблица 1
Диапазон годовых изменений углов вертикальной рефракций в различных направлениях геодезических измерений
|
№ направления |
Н, км |
Летние условия экстремальные (+) |
Зимние условия экстремальные (-) |
Условия экстремальные |
|
|||||
|
Δ N |
Z, град |
S, км |
δΔ S, мм |
Δ N |
δΔ S, мм |
(+) |
(-) |
|||
|
|
|
|||||||||
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 |
0,5–2,0 2,0–4,0 4,0–5,6 0,6–2,2 2,2–4,0 1,4–2,6 2,6–3,8 1,4–2,9 0,6–2,6 2,6–5,6 4,0–5,6 3,4–5,6 4,0–4,7 4,7–5,6 3,4–4,0 |
26,3 39,1 27,1 22,0 35,0 23,6 23,6 29,5 38,1 54,2 27,1 38,4 12,3 14,8 11,3 |
83 83 83 84 84 84 84 86 87 87 87 87 88 88 89 |
11,4 16,1 12,7 15,2 16,7 11,4 11,4 21,1 36,5 53,7 29,4 39,9 19,3 24,6 30,7 |
-4,4 —3,0 —3,0 7,9 +2,8 —1,8 —0,2 —8,3 —30,0 +28,0 +2,9 +13,0 0,0 —0,9 —1,2 |
42,8 50,0 32,8 47,7 44,0 29,9 30,1 36,4 57,0 67,6 32,8 46,6 14,5 18,3 13,8 |
+18.9 —9,1 —1,0 +29,1 —6,1 +5,2 —6,2 +13,6 +82,3 +50,4 +0,5 +13,0 +7,7 —6,9 —8,0 |
16 ” 21 ” 11 ” 35 ” 54 ” 131 ” 46 ” 107 ” 29 ” 37 ” 52 ” |
30 ” 38 ” 15 ” 46 ” 1ˈ37 ” 1ˈ54 ” 55 ” 1ˈ21 ” 29 ” 37 ” 52 ” |
14 ” 17 ” 04 ” 11 ” 43 ” 23 ” 0˚ 04 ” 08 ” 07 ” 09 ” |
Погрешности учета метеорологических факторов в условиях меньших значений показателя преломления (при положительных температурах весенне-осеннего и летнего периодов) по их информации в конечных пунктах высокогорных направлений значительно уменьшаются (знак погрешностей сохраняется). Погрешности учета внешних условий в периоды более высоких температур с изменением знака существенно уменьшаются по абсолютной величине на более низких высотах. С увеличением зенитных расстояний направлений абсолютная величина этих погрешностей возрастает (табл. 1). Из этого следует, что в высокогорной местности при циклических круглогодичных измерениях среднее значение из измеренных направлений (наклонных дальностей) будет иметь систематическую ошибку, при этом зависит от зенитных расстояний и отметок конечных пунктов. Погрешности учета внешних условий на более низких высотах горной местности в значительной степени уменьшает среднее из круглогодичных циклических измерений. Благоприятными условиями измерений в горной местности светодальномерами являются периоды наиболее высоких температур в весенне-осенних и летних климатических условиях.
Литература:
- В. И. Куштин Точность определения поправок в дальность методом однородных атмосфер. — Геодезия и фотограмметрия. Ростов-на-Дону: РИСИ, 1988, с.34–44.
- Н. Ф. Добрынин, Т. М. Пимшина Использование космических средств позиционирования при обработке аэро-и космической информации // Инженерный вестник Дона, 2013, No3. URL: ivdonhttp://www.ivdon.ru/ru/magazine/issue/2013/1835.
- В. В. Яковлев, Д. М. Арсеньев Исследование точности спутниковых определений по мере удаления от базовых станции. // Инженерный вестник Дона, 2013, No3. URL: ivdon.ru/ru/magazine/issue/2017/128.
- G. Seeber, Satellite Geodesy, 2nd completely revised and extended edition Berlin ·New York 2003.- p.612.
- Сариева, З. Х. Решение инженерно-геодезических задач в горной местности / З. Х. Сариева. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2019. — № 50 (288). — С. 147–151. — URL: https://moluch.ru/archive/288/65070/ (дата обращения: 24.12.2021).
