Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция


НазваниеУчебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция
страница1/13
Дата публикации04.02.2014
Размер3.83 Mb.
ТипДокументы
vb2.userdocs.ru > Математика > Документы
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13
Министерство образования Республики Беларусь
Учреждение образования

«Полоцкий государственный университет»

ОПТИКО – ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
УЧЕБНО – МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Для студентов специальности 1 – 56 02 01 «Геодезия»

Составление и общая редакция

С.К. Товбаса

Новополпцк 2011

РЕЦЕНЗЕНТЫ:

Рекомендовано к изданию методической комиссией геодезического факультета
Разработан на основе общеобразовательного стандарта Республики Беларусь ОСРБ 1-56 02 01-2007. Приведены темы изучаемого курса, лекционных и лабораторных занятий. Изложены основные принципы функционирования современных геодезических дальномерных систем. Представлены методические указания к выполнению лабораторных работ и вопросы к экзамену.

Предназначен для студентов геодезических специальностей вузов, специалистов.

ВВЕДЕНИЕ
Оптико-электронные методы измерений широко применяются в современной геодезической практике при решении различного рода задач, от создания глобальных геодезических сетей до геодезического обеспечения и сопровождения работ в малых замкнутых пространствах. Оптико-электронные методы измерений изучают косвенные методы измерений дальностей с применением электрооптических и радиотехнических приборов и систем, методики производства измерений и обработки результатов в геодезических целях.

Для производства измерений электрооптическими и радиотехническими методами используют высокоточные геодезические приборы и специальные методики измерений, а также методы их математической обработки с использованием современных программных комплексов.

В последние годы в различные области геодезической практики активно внедряется аппаратура пользователя глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС).

Структура УМК разработана на основе образовательного стандарта Республики Беларусь ОСРБ 1-56 02 01-2007 по специальности 1 – 56 02 01 – «Геодезия»,рабочего учебного плана и рабочей программы по дисциплине «Оптико-электронные методы измерений», составленной на кафедре прикладной геодезии и фотограмметрии УО «Полоцкий государственный университет».

В структуру УМК входят: рабочая программа, конспект лекций, методические указания к выполнению лабораторных работ, вопросы к экзамену. Согласно учебному плану, на изучение дисциплины отводится 162 часа. Из них 84 аудиторных часов: 42 часа лекционных и 42 часа лабораторных занятий.

^ РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
Оптико-электронные методы измерений являются неотъемлемой дисциплиной, формирующей специалиста. Усвоению основных положений данной дисциплины способствует изучение таких дисциплин, как физика, математика, курсы общей и высшей геодезии, теория математической обработки геодезических измерений, информатика.

Оптико-электронные методы измерений являются базой для изучения многих дисциплин, таких как инженерная геодезия, высшая геодезия и др., что свидетельствует о междисциплинарном подходе и связи с другими дисциплинами.

^ Цель преподавания дисциплины – дать необходимые теоретические знания и практические навыки будущему инженеру по рациональному использованию современных электронных технических средств измерения дальностей.

^ Задачей изучения дисциплины является освоение студентами:

- физической сущности использования электронных средств измерений дальностей в геодезии;

- конструктивные особенности и особенности эксплуатации различных систем;

- источники ошибок измерения дальностей различными системами;

- математическую обработку результатов измерений линий электронными дальномерами.

После завершения курса студент должен обладать следующими компетенциями:

академическими:

- владеть и уметь применять базовые научно-теоретические знания для решения теоретических и практических задач;

- владеть исследовательскими навыками;

- уметь работать самостоятельно;

- иметь навыки, связанные с использованием и управлением информацией при работе, связанной с применением с компьютеров;

социально-личностными:

- обладать способностью к межличностным коммуникациям;

- уметь работать в команде;

- обладать чувством ответственности за порученное дело;

профессиональными:

- работать со специальной литературой и нормативно-техническими документами;

- пользоваться печатными и глобальными информационными ресурсами в профессиональной области;

- владеть современными профессиональными средствами коммуникаций;

- владеть методами контроля и оценки качества измерений;

- владеть профессиональными автоматизированными комплексами для формирования, обработки, использования и представления результатов измерений;

Студент должен

знать:

  1. принцип работы измерительных систем геодезических дальномеров;

  2. классификацию геодезических оптико-электронных приборов;

  3. факторы, влияющие на точность измерений и пути их минимизации;

  4. методику производства измерений и их обработку;

уметь:

  1. определять технические характеристики приборов и принадлежностей;

  2. работать с основными оптико-электронными геодезическими приборами;

  3. производить математическую обработку результатов измерений.



Содержание учебного материала
Лекционные занятия
Тема 2.1. Физические принципы определения дальностей электронными методами.

Импульсный и фазовый методы измерения расстояний электронными дальномерами.

Преобразования электромагнитных колебаний. Модуляция, демодуляция, гетеродинирование.

Скорость света в среде. Средне интегральный показатель преломления.

Способы разрешения неоднозначности фазовых измерений.

Тема 2.2. Устройство наземных электронных дальномерных систем.

Принципиальное устройство фазового (импульсно-фазового) светодальномера.

Основные элементы светодальномерных устройств.

Принципиальное устройство фазового радиодальномера.

Основные типы схем электронных дальномеров.

Тема 2.3. Математическая обработка результатов измерений.

Приборная поправка электронных дальномеров и способы ее определения.

Введение поправок и редуцирование измеренных расстояний на поверхность относимости.

Оценка точности дальномерных измерений.

Тема 2.4. Структура спутниковых радиотехнических навигационных систем

Радиотехнические методы спутниковой геодезии.

Спутниковые радиотехнические навигационные системы 1 и 2 поколений.

Назначение и схемная реализация устанавливаемой на ГНСС аппаратуры.

Модуляция и демодуляция навигационного сигнала.

Тема 2.5. Особенности реализации фазовых измерений в ГНСС

Принцип измерения псевдодальностей и практическое использование метода.

Фазовые измерения в спутниковых навигационных системах.

Методы разрешения неоднозначности фазовых измерений в спутниковых системах.

Ионосферные и тропосферные задержки сигналов.

Общая схема обработки наблюдаемых данных.
Лабораторные занятия
1. Измерение линий электронными дальномерами.

2. Исследование приборной поправки светодальномера.

3. Координирование точек земной поверхности с использованием электронных тахеометров.

4. Вынос в натуру точек земной поверхности с использованием электронных тахеометров.

5. Обработка расстояний измеренных электронными дальномерами.

6. Уравнивание сети трилатерации.

7. Изучение основных операций при работе с аппаратурой наземного пользователя ГНСС.

^ ИНФОРМАЦИОННО-МЕТОДИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
Основная литература
1. Большаков В.Д. Радиогеодезические и электрооптические измерения. / В.Д. Большаков, Ф. Деймлих, А.Н. Голубев, В.В. Васильев - М., Недра, 1985, - 303 с.
Дополнительная литература
1. Генике А.А. Геодезические свето и радиодальномеры. / А.А. Генике, А.М. Афанасьев - М., Недра.1988, - 302 с.

2. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. / В.С. Яценков - М., Горячая линия – Телеком. 2005, - 271 с.

3. Яковлев Н.В. Практикум по высшей геодезии (вычислительные работы): учебное пособие для вузов/ Н.В.Яковлев, - М.:Недра,1982,-368с.

4. Генике А. А. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. / А.А. Генике, Г.Г. Побединский - М.: Картгеоцентр, 2004, - 352 с.


РАЗДЕЛ 1
^ ОПТИКО – ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ДАЛЬНОМЕРНЫХ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ


    1. ИМПУЛЬСНЫЙ И ФАЗОВЫЙ МЕТОДЫ ДАЛЬНОМЕРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ


1.1.1. ИМПУЛЬСНЫЙ МЕТОД
При измерении расстояний импульсным методом измеряется непосредственно время распространения коротких, регулярно следующих со сравнительно долгими паузами импульсов, которые излучаются установленным в начале линии приемопередатчиком, проходят расстояние до отражателя на конце линии и возвращаются к ее началу.

При импульсном излучении передатчик работает лишь в течение коротких промежутков времени, равных длительности импульсов. Импульсы следуют друг за другом с периодом Т и частотой .

Первый импульс, ушедший из приемопередатчика на дистанцию включает счетчик импульсов, который будет просчитывать все последующие импульсы до момента отключения. Сигнал к отключению счетчика импульсов поступает при возвращении первого импульса в приемопередатчик. В этом процессе импульс пройдет расстояние до отражателя и обратно за время равное периоду импульса умноженному на число импульсов, зафиксированное счетчиком между включением и выключением, со скоростью света в воздушной среде

, (1.1)

где - измеряемое расстояние (длина линии); - число импульсов зафиксированное счетчиком; - длина волны излучения.

Отсюда измеряемое расстояние

. (1.2)

Из формул (1.1) и (1.2) следует, что посредством электронного дальномера расстояние определяется числом длин волн (полуволн) излучения, уложенных в измеряемом расстоянии. Поскольку импульсным методом можно определить только целое количество длин волн (полуволн) приборное разрешение зависит от длины волны или частоты излучения. Обычные импульсные дальномеры имеют точность до 10 мм.

     Представим некоторые дополнительные соображения, характеризующие импульсный метод:

     1. По возможности, должна быть обеспечена минимальная длительность зондирующего импульса и его максимальная добротность (т.е. максимально крутой передний фронт).

2. Описанная схема измерения предполагает постоянство скорости и прямолинейность распространения светового импульса в атмосфере. Строго говоря, это не совсем так с учетом явления рефракции, которое приводит к искривлению оптического пути импульса.

     Фактическая точность каждого измерения зависит от ряда параметров, каждый из которых может оказать на точность конкретного измерения. Это:  – длительность и форма зондирующего импульса;  – отражающие характеристики объекта;  – оптические свойства атмосферы; – текстура и ориентация элементов поверхности объекта вызвавшей отражение зондирующего луча по отношению к линии визирования; – другие.

Основные достоинства и недостатки импульсного метода.

Достоинства:

–высокая устойчивость метода измерения;
–сравнительно простая схема оптико-электронного тракта;
–измеряемый параметр дает полную информацию о длине измеряемой линии.

Недостатки:

–ограничения по достижимой точности и разрешающей способности.
^ 1.1.2. ФАЗОВЫЙ МЕТОД
Фазовый метод основан на том, что фаза гармонического колебания есть линейная функция времени, и следовательно, изменение фазы за некоторый промежуток времени будет линейной функцией расстояния, пройденного за это время гармоническим колебанием.

Электромагнитное гармоническое колебание аналитически описывают как изменение во времени какой либо из его характеристик (интенсивность светового потока, напряженность электрического или магнитного поля)

, (1.3)

где - характеристика гармонического колебания; - амплитуда колебания; - текущая фаза сигнала. В свою очередь

, (1.4)

где - угловая (круговая) частота; - текущий момент времени; - начальная фаза сигнала. Три параметра - амплитуда, частота и фаза полностью характеризуют гармонические колебания.

Ниже кратко изложим сущность фазового метода. Гармонический сигнал с частотой , которая воспроизводится генератором частоты, отправляется на дистанцию из приемопередатчика в момент времени в фазе

.

Этот сигнал пройдет дистанцию до отражателя и обратно не изменяя фазы. В приемопередатчик он вернется в момент времени . К этому времени, сигнал воспроизведенный генератором частоты будет иметь фазу

.

Сравнивая фазы сигналов на выходе генератора частоты в моменты и , получим разность фаз, которая линейно связана с удвоенной величиной измеряемого расстояния

. (1.5)

Для аналитического выражения линейной связи разности фаз и величины измеряемого расстояния, учтем, что время прохождения сигнала по дистанции . Тогда

.

Формула определения расстояния (длины линии) фазовым методом примет вид:

. (1.6)
Из формулы (1.6) следует, что фазовым методом, также как и импульсным, расстояние определяется числом длин волн (полуволн) излучения, уложенных в измеряемом расстоянии. Однако отношение всегда меньше нуля. Это означает, что непосредственное измерение дает результат только в пределах одного фазового цикла (). Полная длина линии будет:

, (1.7)

где - число целых фазовых циклов (число полуволн) остается неизвестным. Наличие неизвестного числа целых фазовых циклов получило название неоднозначности фазовых измерений. Для разрешения неоднозначности применяются специальные методы.

Основные достоинства и недостатки фазового метода.

Достоинства:

–высокая точность измерения.

Недостатки:

–измеряемый параметр не дает полную информацию о длине измеряемой линии требуется разрешение неоднозначности.
^ 1.2. МЕТОДЫ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В СВЕТО- И РАДИОДАЛЬНОМЕРАХ.

Процесс разрешения неоднозначности сводится к нахождению неизвестной величины N , которая соответствует целому числу полных периодов масштабных колебаний, укладывающихся в величине τ, представляющий собой время прохождения сигналом искомого расстояния в прямом и обратном направлениях.

В геодезических свето- и радиодальномерах используют несколько различных методов разрешения неоднозначности.
^ 1.2.1. МЕТОД ПЛАВНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ЧАСТОТЫ
Этот метод, как ясно из названия, используется в дальномерах, где можно плавно изменять частоту генератора. Сущность метода состоит в следующем. По­скольку при изменении частоты меняется и разность фаз, в диапазоне перестройки можно подобрать ряд частот, при ко­торых фаза (а значит, и ΔN) принимает одинаковые значения при различных N. Эти частоты расположены эквидистантно на час­тотной оси, а их число в диапазоне перестройки зависит от длины измеряемого расстояния. Предположим, что мы выбрали две такие частоты и в общем случае их порядковые но­мера на частотной оси отличаются на п. Для двух частот полу­чаем два уравнения:

; (1.8)

. (1.9)

При измерениях частот и , их обычно подбирают так, чтобы φ было равно какой-либо одной из следующих величин: 0, π/2 или π; при этом ΔN будет соот­ветственно 0, 1/4 или 1/2. Разумеется, в дальномере должен быть соответствующий индикатор, способный фиксировать эти значения. Подобранные указанным образом частоты f1 и f2 из­меряются каким-либо частотомером. При перестройке частоты от f1 до f2 непосредственным счетом по ин­дикатору определяют величину

. (1.10)

Равенства (1.8), (1.9) и (1.10) образуют систему трех уравнений с тремя неизвестными , и , имеющую одно­значное решение.

Приравнивая правые части первых двух уравнений с уче­том третьего уравнения, получим:

; (1.11)

. (1.12)

В зависимости от того, каким выбрано регистрируемое значе­ние φ, числа N1+ΔN и N2+ΔN должны быть либо целыми, либо целыми плюс половина, либо целыми плюс одна четверть. Из-за неизбежных ошибок измерений числа, вычисленные по формулам (1.11) и (1.12), могут несколько отличаться от ука­занных значений. Поэтому их надо обязательно округлить до ближайшего нужного значения и только после этого подстав­лять в уравнения (1.8) и (1.9) для вычисления расстояния.

Величина отличия вычисленных чисел N + ΔN от нужных значений является критерием качества измерений и поэтому строго лимитируется. Чтобы можно было уверенно произвести округление в нужную сторону, отличие должно быть менее 0,5.

Неоднозначность разрешается тем уверенней, чем больше разнесены частоты f1 и f2 т. е. чем больше число .

Допустим теперь, что =l, т. е. фиксируются две ближай­шие друг к другу частоты, при которых наступает одинаковое значение ΔN (назовем их смежными частотами). Из уравнений (1.8) - (1.10) нетрудно установить, что разность смежных частот определяется выражением

, (1.13)

т. е. будет тем больше, чем меньше измеряемое расстояние. Очевидно, что существует такое минимальное значение расстоя­ния при котором смежные частоты будут разнесены на концы предусмотренного в приборе диапазона изменения ча­стоты так, что следующие частоты, при которых наблюда­лось бы то же значение фазы, будут находиться уже за границами частотного диапазона дальномера. Другими словами, во всем частотном диапазоне шириной будут наблюдаться только две «рабочие» частоты. Чтобы при перестройке частоты моду­ляции в диапазоне изменения частоты всегда укладывалось бы не менее двух рабочих частот, необходимо выполнение усло­вия

. (1.14)

Отсюда получаем минимальное расстояние, которое можно однозначно измерить дальномером с плавным изменением час­тоты в диапазоне :

. (1.15)

В некоторых приборах (например, в советском светодальномере СГ-3) для разрешения неоднозначности используется разновидность способа плавного изменения частоты, иногда называемая способом последовательных приближений. Сущ­ность этого варианта заключается в следующем. Из формулы (1.14) следует, что

. (1.16)

Расстояние, вычисленное по этой формуле, будет тем точнее, чем больше величина или чем она точнее известна. По­скольку увеличить при заданном расстоянии невозможно, идут по пути ее последовательного уточнения. Расстояние, вы­численное по формуле (1.16) с использованием непосредст­венно измеренного значения в начале диапазона, является первым приближением. Второе приближение для (а следо­вательно, для D) получают, измеряя разность уже не смежных частот (т. е. первой и второй), а первой и третьей, разделен­ных интервалом 2, и деля результат на 2. Следующее прибли­жение— измерение частот, разделенных интервалом 3 (пер­вой и четвертой), и деление результата на 3 и т. д. Так про­должается до тех пор, пока очередное приближение для D будет отличаться от предыдущего не более чем на т. е. расстояние становится известным с точностью, необходимой для безошибочного вычисления числа N на любой из рабочих частот в пределах всего диапазона изменения частоты.

При автоматизации этого способа удобно использовать не все приближения, а только кратные 2k, где k — целое число (т. е. 1, 2, 4, 8-е и т. д.), так как при этом технически упро­щается задача деления частоты.
^ 1.2.2. МЕТОД ФИКСИРОВАННЫХ ЧАСТОТ
Для однозначного разрешения
  1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   13

Похожие:

Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно -методический комплекс По дисциплине: Патологическая анатомия,...

Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс для студентов специальности 1-24 01...
Квалификация преступлений : учеб метод комплекс для студентов специальности 1-24 01 02 «Правоведение» специализации 1-24 01 02 03...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconПедагогика и методика начального образования
Учебно-методический комплекс предназначен для студентов специальности «Педагогика и методика начального образования» Института психологии,...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины «история государства...
Учебно-методический комплекс по курсу «История государства и права зарубежных стран» одобрен кафедрой теории и истории государства...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс для студентов бакалавриата исторического факультета ставрополь
История зарубежной культуры: Учебно-методический комплекс для стуудентов бакалавриата исторического факультета. – Ставрополь: Изд...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс по дисциплине: Патологическая анатомия,...
По дисциплине: Патологическая анатомия, ра 12209 для специальности 051301 «Общая медицина»
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс учебной дисциплины «административное право»
Учебно-методический комплекс учебной дисциплины «Административное право» цикла опд по специальности 030501. 65 «Юриспруденция». –...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс дисциплины «Международное частное право»
Учебно-методический комплекс составлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс Объем учебных часов 54
Силлабус составлен зав кафедрой эпидемиологии, профессором Амиреевым С. А., доцентом Нажмеденовой А. Г. на основании Типовой программы...
Учебно методический комплекс для студентов специальности 1 56 02 01 «Геодезия» Составление и общая редакция iconУчебно-методический комплекс для студентов 3 курса специальностей...
П 69 Практика устной и письменной речи английского языка : учеб метод комплекс для студ. 3 курса спец. 1-02 03 06-01, 1-02 03 06-03,...
Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2014
контакты
vb2.userdocs.ru
Главная страница