книги из ГПНТБ / Проворов К.Л. Радиогеодезия учеб. пособие

К. Л. ПРОБОРОВ, Ф. П. НОСКОВ

РА Д И О Г Е О Д Е З И Я

ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ, ИСПРАВЛЕННОЕ И ДОПОЛНЕННОЕ

ИЗДАТЕЛЬСТВО « Н Е Д Р А»

В В Е Д Е Н И Е

Современные достижения физики, химии, математики и других естественных наук вызвали невиданный прогресс во всех областях науки и техники. В этом прогрессе следует отметить особую роль радиоэлектроники, занимающейся, в частности, вопросами передачи, приема и преобразования информации с помощью электромагнитной энергии. Развитие радиоэлектроники обеспечило настолько широкое ее применение, что трудно назвать область человеческой деятель­ ности, в которой в настоящее время она не используется. Радиоэлек­ троника становится одним из главных факторов, определяющих общий уровень развития техники.

Радиоэлектронике обязана своим возникновением радиоастроно­ мия, изучающая космические тела по их радиоволновому излучению, что дало возможность получить принципиально новые сведения о природе космического пространства, открыть новые звездные образования, туманности и т. п. Исключительно важное значение для метрологии имеют квантовые (атомные или молекулярные) стан­ дарты частоты, позволяющие измерять время с точностью до 1СГ1 1 с. Благодаря этому оказалось возможным выявлять малейшие неравно­ мерности во вращении Земли, что важно для геодезии и геофизики.

Одним из важнейших применений радиоэлектроники является радиолокация, занимающаяся разработкой средств и способов обна­ ружения и определения местоположения различных объектов при помощи радиоволн, излучаемых объектом, а также отражаемых объектом или ретранслированных установленным на объекте уст­ ройством. По принятым с помощью радиолокационного устройства сигналам можно не только обнаружить объект, но и определить на­ правление на него, а также измерить расстояние между объектом и радиолокационной станцией.

Радиолокация составляет основу современной навигации на море и в воздухе, без нее невозможно управление на расстоянии движу­ щимися объектами (например, искусственными спутниками или кос­ мическими кораблями). Большое распространение радиолокация получила в военном деле, астрономии, метеорологии и в ряде других

5

отраслей. Радиолокация лежит в основе радиоэлектронного метода измерения расстояний, вооружившего геодезию принципиально но­ выми, наиболее совершенными средствами измерений.

Радиоэлектронный метод измерения расстояний находит все боль­ шее применение в геодезии. В настоящее время стороны в опорных геодезических сетях измеряют только радио- и светодальномерами.

работах. Специальные радиодальномерные устройства широко при­ меняются при наблюдении искусственных спутников Земли и в кос­ мической геодезии. Ряд организационных и технических преимуществ

видах топографо-геодезических работ. Радиоэлектронный метод изме­ рения расстояний является одним из важнейших факторов дальней­ шего прогресса картографо-геодезического производства. Широкое распространение получили радиовысотомеры, радиодальномерные устройства и системы при выполнении а эрофотосъемочных работ, что значительно увеличило производительность и качество аэро­ фотосъемки.

Определение направлений радиолокационным методом называют радиопеленгацией. Для пеленгации используются узконаправленные антенны, ориентировка которых указывает на направление прихода радиоволн от объекта. Радиопеленгация применяется в основном в навигации. В геодезии она не получила применения (из-за сравни­ тельно невысокой точности, составляющей в лучшем случае десятые доли градуса).

Основное применение в геодезическом производстве радиолока­ ция получила при измерении расстояний. Для измерения расстояний в настоящее время используют электромагнитные колебания диапа­ зона радиоволн, немонохроматическое и монохроматическое излуче­ ние оптического диапазона. В соответствии с этим различают радио­ дальномеры и светодальномеры; последние иногда называют также электрооптическими дальномерами. В случае применения светодальномеров вместо термина «радиолокация» часто применяют термин «светолокация».

Определение расстояний радиолокационным методом основано на измерении времени распространения àt электромагнитных коле­ баний от радиолокационной станции до объекта и обратно. Расстоя­ ние D определяют по формуле

6

также фазовым. В первом методе радиолокационная станция или светодальномер излучают короткие импульсы электромагнитных колебаний и измеряется время прохождения импульсами определя­ емого расстояния. Во втором случае станция или дальномер излучают гармонические колебания непрерывно, а время их распространения определяется по величине сдвига фаз излучаемых и принимаемых колебаний. Существуют также устройства, в которых используется комбинация указанных методов и гармонические колебания излу­

В радиодальномерных устройствах, применяемых в геодезии, используются как отраженные от предметов сигналы (в радиовысото­ мерах), так и ретранслированные сигналы (в радиодальномерах). Первые называют системами с пассивным ответом, а вторые — систе­ мами с активным ответом. В светодальномерах в настоящее время применяют только пассивные отражатели.

Радиоэлектронный метод измерения расстояний возник сравни­ тельно недавно, хотя на возможность обнаружения объектов при по­ мощи электромагнитных волн указал еще в 1897 г. замечательный русский ученый А. С. Попов. Первые опыты по определению напра­ вления на передающую радиостанцию с использованием рамочной антенны были выполнены в 1903 г. русским физиком Н. Д. Папалекси. Усовершенствованный образец рамочного пеленгатора ус­ пешно применялся в боевых действиях русских войск в первой миро­ вой войне, а к 1925 г. в Советском Союзе и в других странах радио­ пеленгаторы и радиомаяки, построенные по этому принципу, уже широко использовались как основные средства радионавигации.

В І907 г. выдающийся русский радиофизик Л. И. Мандельштам применил временную развертку в электронно-лучевой трубке для изучения затухающих колебаний, чем положил начало способам ра­ диотехнических измерений малых промежутков времени, а русский физик Б . Л . Розинг предложил способ «электрической передачи изо­ бражений на расстояние», в котором для приема изображений была применена электронно-лучевая трубка с магнитной разверткой. Эти способы до сих пор используются в различных радиолокационных устройствах.

Впервые импульсный радиотехнический метод измерения расстоя­ ний был применен в 1925 г. американцами Брайтом и Тювом для измерения высоты ионизированных слоев атмосферы. В 1932 г. им­ пульсный радиодальномер с электронно-лучевым индикатором был построен в Ленинграде М. А. Бонч-Бруевичем и применен при ионо­ сферных наблюдениях за Полярным кругом. В 1934 г. в СССР соз­ даны первые экспериментальные радиолокационные станции для обнаружения самолетов в воздухе, чем было положено начало разви­ тию радиолокационной техники в нашей стране. В последующие годы в Советском Союзе был создан ряд импульсных и фазовых радиоло-

7

кационных систем с большим радиусом действия; некоторые из них успешно применялись во время Великой Отечественной войны. К началу 40-х годов радиолокационные станции использовались для обнаружения самолетов и в других государствах.

Быстрое развитие радиоэлектроники в последующие годы, в осо­ бенности в области генерирования и распространения электромагнит­ ных волн ультракороткого диапазона, способствовало дальнейшему прогрессу радиолокации, созданию радиогеодезических систем и точ­ ных радиодальномеров. Решению этой задачи в особенности способ­ ствовали исследования академиков Л . И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, разработавших в 30-х годах научно-технические принципы фазовых методов измерения расстояний. Предложенные ими способы радиодальномера, фазового зонда и радиолага легли в основу всех современных фазовых радионавигационных и радиогеодезических систем и радиодальномеров.

Применение радиолокации для геодезических измерений шло как путем использования для этой цели радионавигационных систем, так и путем создания специальных радиодальномеров. Первые экспе­ риментальные работы по точному измерению расстояний радиолока­ ционным способом были выполнены в СССР в 1934 г. с использова­ нием фазового радиодальномера МПЩ-1, сконструированного А. С. Щеголевым по схеме Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси. С 1936 г. радиодальномеры МПЩ применялись при гидрографиче­ ских работах, обеспечивая измерение расстояний до 100 км с ошибкой в несколько десятков метров. К 1939 г. на основе радиодальномера МПЩ в ЦНИИГАиК была разработана система РИР , позволявшая измерять расстояния до 100 км с ошибкой до 10-—15 км. В этих же годы в США была изготовлена система Рейдист типа В, которая, как и дальномеры МПЩ и РИР , из-за недостаточной точности не получила применения в геодезических работах.

В 1944 г. в ЦНИИГАиК под руководством А. И. Грузинова соз­ дается фазовая радиогеодезическая система РГСЦ, рассчитанная на измерения расстояний до 350 км с ошибкой около 7 м. Эта система в течение двух десятилетий с успехом применялась для планового обоснования топографических съемок в масштабах 1 : 25 000— 1 : 50 000. Значительное распространение в послевоенные годы полу­ чили также круговая импульсная система РЫМ при аэрофотосъемке

ния самолетный радиодальномер РДС, созданный в ЦНИИГАиК под руководством И. Л. Гилля. Дальномер обеспечивает измерение расстояний до 300 км со средней квадратической ошибкой около 1 м и определение координат центров проектирования при аэрофото­ съемке с ошибкой около 3 м, что позволяет применять его при аэро­ фототопографической съемке в масштабах 1 : 10 000—1 : 25 000.

В то же время за границей получили применение при построении геодезических сетей и для аэрофотосъемки радиогеодезические

8

системы Шоран, Хиран, Рейдист (США), Декка (Англия) и др. В эти же годы при аэрофотосъемке для определения скорости и местополо­ жения самолета начинают применять допплеровские радионавига­ ционные системы. В 80-х годах создаются радиодальномерные си­ стемы для измерения расстояний до искусственных спутников Земли: фазовая система Секор, дошілеровская система Транзит и др.

Следует заметить, что перечисленные и другие подобные им си­ стемы не обеспечивали достаточно точного измерения расстояний, необходимого при построении государственных геодезических сетей и обоснования топографических съемок крупных масштабов. Для этого требовалось создание специальных геодезических радиодаль­ номеров. К приборам такого типа относится «Теллурометр» — геоде­ зический радиодальномер, разработанный Т. Уодли (ЮАР). Этим дальномером можно измерять расстояния до 60 км с ошибкой в не­ сколько сантиметров. Теллурометр получил большое распростране­ ние для точных геодезических измерений во многих странах. К на­ стоящему времени создан ряд аналогичных дальномеров усовершен­ ствованной конструкции в СССР («Луч»), США («Электротейп»), ФРГ («Дистаметр»), Швейцарии («Дистомат»), Польше («Телеметр»), а также в Венгрии, ГДР и Японии. По схеме «Теллурометра» были разработаны специальные радиогеодезические системы: Гидродист — для измерения расстояния с движущегося корабля, Аэродист — в самолетном варианте.

Однако более точные измерения выполняются в настоящее время при помощи светодальномеров. На возможность измерения расстоя­ ний при помощи световых волн впервые указал американский геоде­ зист В. Боуи, принимавший в 1926 г. участие в опытах А. Майкельсона по определению скорости света. Большое значение для создания светодальномеров имели работы немецких физиков А. Каролуса и О. Миттелыптедта, которые в 1928 г. впервые использовали в ус­ тройствах для измерения скорости света электрооптический эффект в ячейке Керра. Примененная ими схема впоследствии легла в основу построения ряда современных светодальномеров с визуальной реги­ страцией светового потока. Позднее Хюттель и Андерсен при опреде­ лении скорости света применили фотоэлемент для регистрации и срав­ нения фаз двух модулированных световых потоков, что впоследствии было использовано при создании светодальномеров с фотоэлектриче­ ской регистрацией.

Светодальномер был изобретен в СССР в 1933 г. Г. И. Трофимуком. Однако первый светодальномер был создан лишь в 1936 г. советскими учеными В. Г. Вафиади и В. В. Балаковым под руковод­ ством акад. А. А. Лебедева в Государственном оптическом институте (ГОИ). Дальномером ГОИ можно было измерять расстояния до 4 км с относительной ошибкой около 1 : 2000. Впоследствии дальномер был усовершенствован Ю. В. Поповым и обеспечивал измерение расстояний до 17 км (в ночное время) с ошибкой около 8 см. В 1943— 1948 гг. в США был сконструирован импульсный светодальномер, которым можно было измерять расстояния до 5 км с ошибкой около 2м.

9