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无线电电子与电气工程百科全书 地球电子学：大地测量学中的电子学。 无线电电子电气工程百科全书
地球表面的大地测量解决了许多问题。 首先，这是各种比例尺地图的创建。 但不仅如此：大地测量学与天文学、重力测量学（测量重力加速度的科学）、地球物理学和其他地球科学一起，可以让您确定行星的几何和地球物理参数，研究其旋转速度的变化，考虑考虑极点的运动，研究地壳的变形，并对工程结构进行精确控制。 海洋大地测量学、应用大地测量学、空间（卫星）大地测量学等已作为独立领域出现，但在所有情况下，大地测量本身都被简化为仅确定三个几何量：距离、角度和高程（点高度差）。 这些量本身就很有用，特别是在应用大地测量学中（在建筑工地标记地形时），但最重要的是，它们允许您计算所确定点的坐标。 坐标不仅对测量员感兴趣，水手、飞行员、军队、各种探险队的成员等等也都需要坐标。 如果我们回到半个世纪前，我们会发现下面的画面。 距离是用 20 米长的钢卷尺测量的，沿着测量线依次将它们放在地面上，并使用悬挂的 24 米长殷钢线进行精确测量。 （这是极其耗时的工作！）为了快速测量，使用光学测距仪，基于纯几何原理的使用 - 具有小底（base）的高度细长（“视差”）三角形的解决方案，但是此类测距仪的精度不超过被测线长度的千分之一，范围达数百米。 对于角度测量，使用经纬仪 - 光学机械测角仪，包含望远镜、水平和垂直测角圈以及用于测量角度的参考装置。 最后，为了确定超出范围，使用水平仪，它是望远镜与精确气泡水平仪的组合，它允许您将管道的瞄准轴带到严格的水平位置。 使观察者在垂直安装在点上的两条有刻度的导轨上读取读数，必须确定其高度差； 读数之间的差异并给出所需的超出量。 因此，当时的所有大地测量仪器都是光学机械仪器。 这种情况一直持续到50世纪XNUMX年代中期左右。 然后，一个可以被称为大地测量仪器革命的时期到来了：电子学进入了大地测量学。 它从线性测量开始了它的胜利进军，然后渗透到角度测量，最近又进入了最保守的领域——水准测量。 1960年激光器的出现、微电子学的发展以及后来的计算机技术和卫星技术发挥了巨大的作用。 大地测量学和电子学的融合导致了一个新概念的形成——地电子学。 今天的地球电子学是什么？ 首先，电磁波用于测量距离，而不是测量卷尺和电线，这将实际测量时间（即不计算安装设备的时间）减少到几秒钟（而不是几天和几周！） ，并且与被测线的长度无关。 这里有两种主要方法。 第一个是，通过测量电磁波从 A 到 B 的传播时间并将其乘以传播速度 v 来获得点 A 和 B 之间的距离。 （后者可以用 c/n 表示，其中 c 是真空中的光速，非常精确，an 是空气的折射率，通过测量温度、压力和湿度计算得出）。 当使用短脉冲形式的电磁辐射（特别是光）时，这种方式特别方便。 传播时间τ的测量如下：从A点发出的脉冲触发电子计时器。 在到达 B 点并返回（反射器位于 B 点）的距离后，脉冲停止计数器。 因此，测量了双倍传播时间。 该方法称为时间或脉冲，实际上与脉冲雷达几乎没有什么不同，尽管它通常在光学范围内使用。 第二种测量距离的方法与卷尺的情况非常相似：作为一种卷尺，电磁振荡（具有连续辐射）的波长起作用，它“铺设”在双倍测量距离和数量上。铺设已确定。 距离是波长和位置数乘积的一半。 一般情况下（以及用卷尺测量时）该数字不是整数 - 它等于 N + ΔN，其中 N 是整数，ΔN 是小于 XNUMX 的分数。 可以通过预先知道或通过测量振荡频率来确定波长。 ΔN 的小数部分很容易获得，为此您需要测量发射和接收（通过双倍距离）振荡的相位差。 但整数N的定义是主要问题。 可以通过测量几个不同波长下的相位差来解决。 由于测量的是相位差，因此这种方法称为相位。 在地面相位光和无线电测距仪中，测量不是使用辐射波长，而是使用更长的调制波长。 事实是辐射本身的频率太高而无法确定相位。 构建相位测距仪的通用方案如图 1 所示。 XNUMX.
光或无线电波源发射 Asin(ωt + φo) 形式的载波谐振。 但在辐射之前，这些参数之一（在光测距仪中，通常是振幅 A，它决定光强度，在无线电测距仪中，频率 f = ω / 2π）根据一定频率的正弦定律进行调制F，远低于载波频率f。 该频率对应于较长的“调制波”，其起到放置在测量距离中的卷尺的作用。 在这种情况下，规则的小数部分ΔN=Δφ/2π，其中相位差Δph在0至2π范围内，由相位计测量。 地面相位测距仪测量的距离可达数十公里，误差为几厘米到几毫米。 脉冲方法通常用于大地测量中，在光学波长范围内使用强大的激光辐射源，这些激光辐射源在光谱的可见光或更常见的近红外区域产生光脉冲。 然而，由于难以形成具有陡峭锋面的短脉冲，该方法的精度低于相位法——最多只能达到分米级。 因此，脉冲激光测距系统用于测量空间路径（到地球的人造卫星，甚至到月球）上非常大的距离，由于路径长度很大，相对误差非常小。 对于短距离（数十米和数百米），最准确的是光学干涉方法，它可以以任何其他方法无法达到的精度测量这些距离 - 高达千分之一毫米（微米）。 它是使用激光干涉仪和低功率氦氖 (He-Ne) 激光器来实现的，该激光器在光谱的红色区域以 λ = 0,63 μm 的波长发射。 干涉仪是根据光学中著名的迈克尔逊方案构建的：激光辐射分为两束，其中一束在“参考”反射器的帮助下立即引导至光电探测器，另一束到达经过与“远程”反射器的距离并返回后，相同的光电探测器。 干涉图案以暗带和亮带系统的形式形成在光电探测器上，使用光阑只能区分其中的一个带。 该方法需要沿整条测量线移动距离反射器。 当反射镜移动半个光波长时，干涉图样会移动一个条纹，通过计算反射镜从测量距离的起点移动到终点时的条纹数，即可得到该距离，如下式：相位测距仪，通过将计数的条纹数量（数量 N）乘以 λ/2。 对于可移动的反射器，有必要建造仔细调整的导轨，刚性地固定在坚固的混凝土支架上。 因此，激光干涉测量的范围是创建用于计量目的的固定多部分底座，用于校准电子大地测距仪。 射电天文学的进步使得制造超长基线射电干涉仪（VLBI）成为可能。 它由两个相距非常远（长达数千公里）的射电望远镜 1 和 2 组成（图 2），它们接收来自同一个类星体（河外射电源）的噪声辐射。
射电望远镜独立记录（在录像机上）这种噪声信号。 两个记录是相同的，但由于类星体到射电望远镜的距离不同，时间上发生了一定的偏移。 这些记录在相关器中组合，这使得可以获得噪声信号的相关函数。 如果其中一个写为 s1(t)，另一个写为 s2(t + τ)，则相关函数 K12 = ，其中尖括号表示在远大于信号 s1 和 s2 最低频率分量周期的时间内求平均值。 相关函数在 τ = 1 处具有最大值。因此，通过移动其中一条记录直到在相关器的输出处获得最大输出信号，就可以测量时间延迟。 由于地球自转，到类星体的距离差 ΔS 以及延迟 m = ΔS/v 会周期性变化，因此会出现“干扰频率”F，该频率也可以测量。 τ 和 F 的测量值用于以非常高的精度（分别为 2...0 厘米和 2 英寸）确定基座长度（射电望远镜之间的距离）和类星体方向。 电子技术也使得自动角度测量成为可能。 电子经纬仪是一种将玻璃盘上记录为不透明笔划或代码轨道系统的角度量转换为电信号的设备。 圆盘被光束照射，当经纬仪在光电探测器上旋转时，会产生二进制代码的信号，该信号在解码后以数字形式在显示器上提供角度值的指示。 将电子经纬仪、小型相位光测距仪和微型计算机组合成一个整体或模块化设计，从而可以创建电子全站仪 - 一种允许您执行角度和线性测量的设备，并且可以将它们联合起来现场加工。 此类仪器的角度测量精度范围为几弧秒至 0,5"，线性测量精度范围为 (5mm + 5mm / km) 至 (2mm + 2mm / km)，范围可达 2 ... 5 km 。 最后简单介绍一下平整工作的进展情况。 将激光技术引入大地测量学尤其导致了“激光平面”水准测量方法（激光平面系统）的发展。 垂直放置的氦氖激光器发出的亮红色光束落在旋转棱镜上，从而在水平面上产生光束扫描。 这使您可以从激光任意方向放置的导轨上的光点读取读数。 光电指示提供1毫米量级的读数精度。 该方法速度快，且不限制钢轨数量，便于多次高空勘测。 为了精确调平，目前设计了在编码轨上工作的数字水准仪。 该代码包含有关轨道上任何位置相对于其“零”的高度的信息。 图像被转换成电信号，当在两条轨道上工作时，会自动确定其安装点之间的超出量。 我们还要提到氦氖激光器在应用大地测量学中的广泛应用，因为激光束是物理上实现的、空间中几乎完全笔直的参考线，在设备的精确安装过程中相对于该参考线进行测量，建筑等 20年来，大地电子学发生了新的质的飞跃，被称为大地测量的第二次革命。 这就是全球卫星导航和大地测量系统的创建。 他们实施了全新的测量方法，我们将在文章的第二部分中讨论。 全球卫星系统的出现使得随时确定地球上任何一点的坐标成为可能。 同时，参考参考时间尺度，对于运动物体，确定其速度矢量（运动的速度和方向）。 所有这些加在一起通常被称为“卫星定位”。 目前，世界上有两个全球系统：美国的GPS（全球定位系统）和国内的GLONASS（全球导航卫星系统）。 这些是测距型系统，通过测量到移动卫星的距离来计算地面接收器的坐标，其瞬时坐标是地面综合体运行的结果。 接收器位置是在所有测量距离的交点（线性交点）处获得的。 与地面测距相比，信号在向前和向后方向上两次传播所测量的距离，卫星系统使用一种主动方法，信号沿路径单次通过。 信号从卫星发射并由地面接收器接收，这决定了传播时间 τ。 卫星和接收器之间的距离 p = vτ，其中 v 是信号传播的平均速度。 让卫星在t0时刻发射信号，这个信号在t0+τ时刻到达接收器，我们需要确定m，为此，卫星和接收器必须有严格同步的时钟。 卫星信号包含每隔几秒传输一次的时间戳。 标签“记录”了它离开卫星的时刻，由卫星的时钟确定。 接收器“读取”时间戳并根据其时钟确定其到达时刻。 标签离开卫星和到达接收天线的时刻之间的差值是所需的时间间隔τ。 事实上，时钟同步并未得到遵守。 卫星设定频率标准（以及时间），相对不稳定度为 10-12...10-13。 每个接收器不可能都有这样的标准；他们在那里放置了不稳定度为 10-8 量级的普通石英钟。 出现未知值 Δh - 卫星和接收器的时钟读数之间的差异，这会扭曲确定范围的结果。 因此，从测量中获得的范围称为伪距。 他们如何确定坐标，我们将在下面描述。 GPS 和 GLONASS 系统由三个部分组成（图 3）。
空间扇区是卫星系统的集合，通常称为“星座”或“轨道星座”。 一个完整的星座由24颗卫星组成。 在 GPS 中，它们位于旋转 60° 的六个轨道平面中，而在 GLONASS 中，它们位于旋转 120° 的三个平面中。 几乎所有圆形轨道的高度都在20万公里左右，公转周期接近000小时。 指挥和控制部分包括跟踪站、精确时间服务、带有计算机中心的主站以及将信息下载到卫星的站。 跟踪站确定卫星的星历（轨道要素）并计算它们的坐标。 信息由装载站传输到卫星，然后广播到接收器。 用户部分是卫星接收器，其数量不受限制，以及用于处理测量结果的相机复合体（在现场观测后执行的“后处理”）。 卫星信号。 卫星以两个载波频率 L1 和 L2 发射信号。 它们受到相移键控 (PM) 的影响 - 在测距二进制代码指定的时间将载波相位转移 180°。 相位反转对应于代码 0 到 1 或 1 到 0 的变化。 测距代码是字符（零和一）的交替，因此不可能注意到其中的任何模式，但在一段时间间隔后，它们会以每个字符的准确性定期重复。 这样的过程称为伪随机序列（PRS）——它们形成伪随机代码。 使用两种代码：一种用于“粗略”测量，另一种用于“精细”测量。 它们的重复周期（代码持续时间）显着不同。 因此，在 GPS 中，每毫秒重复一次称为 C/A 代码（来自 Coarse Aquisition - 易于检测、公开可用）的粗略代码，而精确代码的持续时间称为 P 代码（精确 -准确的），是 266,4 天。 P码的总持续时间被分为分布在系统所有卫星上的周段，即每颗卫星的P码每周都会变化。 虽然 C/A 代码可供所有用户使用，但 P 代码最初仅适用于具有授权访问权限的用户（主要是美国军方）。 然而现在，几乎所有用户的接收器都可以访问 R 代码。 在GLONASS系统中，情况类似，区别仅在于名称：粗略的代码称为ST代码（标准精度），精确的代码称为BT代码（高精度）。 然而，GPS 和 GLONASS 之间在代码的使用方面存在根本区别。 在GPS中，对于具有相同载波频率L1和L2的每颗卫星，C/A码和P码都是不同的，而在GLONASS中，相反，所有卫星的ST和BT码是相同的，但是载波频率不同。 换句话说，GPS使用代码分离，而GLONASS使用卫星信号的频率分离。 粗码由L1载波操纵，细码由L1和L2载波操纵。 卫星信号还“嵌入”从卫星传输的所有信息，形成导航消息 - 时间戳、卫星星历数据、各种校正值、年历（系统中每颗卫星的位置数据的集合和它的“健康”状态）等。它也被转换为二进制代码，由两个运营商操纵。 导航电文符号的频率为50Hz。 GPS 中卫星信号形成的一般方案如图 4 所示。 XNUMX.
现代卫星接收器可以在两种主要模式下运行，称为代码和相位测量。 代码测量也称为绝对值，因为它们允许您直接确定地心（即原点位于地球质心）直角坐标系中 X、Y、Z 点的坐标，以及代码模式测量称为导航。 在代码测量中，确定 PM 信号从卫星到接收器的传播时间，包括大气中的延迟和相对时钟校正 Δtch。 测量通过相关法进行。 在接收器中，形成与卫星上完全相同的 PSS。 该本地代码和从卫星接收到的信号被馈送到相关器，当本地代码符号发生变化时，该相关器将信号的相位反转 180°。 本地代码相对于卫星的延迟被迫改变，直到代码完全匹配。 此时，相关器输出端的操纵被移除，信号功率急剧增加（对应于相关函数的最大值）。 所需的延迟对应于信号的传播时间。 这样，延迟只能在代码的持续时间（其重复周期）内测量，对于粗略代码来说，延迟时间为1ms。 我们感兴趣的传播时间 tr 要长得多。 1毫秒内，无线电波传播了300公里，传播时间的整毫秒数由距离的近似值决定，在150公里以内必须知道该距离。 当使用精确码时，这个问题不会出现，因为它的持续时间大于传播时间τр。 确定 τр 并将其乘以真空中的光速后，即可获得伪距 Р，与几何距离 р 的关系为 Р = р + cΔtaтм + cΔtch，其中 cΔtaтм 是大气中的信号延迟（可表示为以不同程度的准确度确定）； c是真空中的光速。 在此比率中，未知数为 p 和 Δtch。 但卫星和接收机之间的几何距离p可以用它们的坐标来表示。 由于卫星坐标是从导航消息中已知的，因此 p 包含三个未知的接收器坐标 X、Y、Z，并且 P 的方程实际上包含四个未知数 - X、Y、Z 和 At, 。 通过同时测量多达四颗卫星，可以获得具有四个未知数的四个方程组，从该方程组的解中可以找到所需的接收器坐标。 为了保持 Δtch 值的恒定性，同时性是必要的。 通过使用两个接收器的差分方法，代码测量的准确性显着提高，其中一个接收器（基座）安装在已知坐标的点上，并在 P 代码中连续运行。 他测量的伪距与根据坐标计算出的“参考”伪距进行比较。 由此产生的差异或差分校正被发送到流动站以校正测量结果。 差分法的精度可达几分米。 相位测量是用两个接收器进行的，并且是相对测量，其中不确定接收器本身的坐标，而是确定它们同名坐标的差异。 相位测量模式被称为大地测量，因为它比代码测量导航模式提供更好的精度。 在这种情况下，测量的不是从卫星到接收器的信号传播时间，而是这段时间内载波频率振荡的相移。 然而，从测量中，我们无法获得总相移 φSR = 2 N + Δφ（在从卫星 S 到接收器 R 的距离处“进行”），而只能获得其小数部分 Δφ，小于 2π。 未知的完整相位周期数 N 是适合从卫星到接收器的距离内的整数波长的数量。 由于距离大（20公里）而波长小（000厘米），N约为20亿数量级，必须精确确定：每个单位的误差将导致100厘米范围内的误差。为了解决这个问题，已经开发了一些技术，其中主要作用是通过软件对测量结果进行数学处理。 从相位测量中，可以获得相位伪距，其中 Δtch 值的解释略有不同。 如果在代码测量期间它反映了卫星和接收机时钟的不同步，那么在相位测量期间它是卫星和接收机的参考振荡器的不同步振荡的结果，我们用bf表示。 当然，Δtch 和δφ 彼此严格相关：δφ = 2πf ·Δtch。 为了排除δφ，对两颗卫星进行测量就足够了。 δΦ的值可以表示为δΦS - δΦR（即卫星上和接收器中的发生器振荡的初始相位之间的差）。 如果用两个间隔开的接收机同时观测一颗卫星，则结果之间的差异不包括所观测卫星的 δφS 值。 如果相同的接收器观测第二颗卫星，则差异不包括第二颗卫星的 δφS 值。 如果我们现在弥补差异中的差异 - 所谓的第二个差异，则两个接收器的 δφR 值都被排除。 二阶差分法是高精度大地测量的主要方法。 第二相位伪距差包含两颗卫星1和2以及两个接收机A和B的坐标。记为P12。 如果我们对 A 点和 B 点的四颗卫星进行相位伪距测量，我们可以组成三个独立的方程：对于 P12、P13 和 P14，其中 A 点和 B 点相同坐标的三个差值作为未知数： (ХА - ХB), (YА - YB), (ZA - ZB)。 这样一个方程组的解使得可以找到底边 AB 的长度，如果其中一个接收器放置在已知坐标的点上（他们确实这样做了），那么第二个点的坐标可以很容易地得到从得到的差异中发现。 为了在载波频率上进行相位测量，必须将它们从代码调制中解放出来。 这是通过对来自卫星的信号进行平方（乘以自身）来实现的，结果是 180° 相位变化变成 360° 变化，即相位键控被移除并恢复载波（以两倍频率） 。 相位测量可提供厘米级的精度，在某些情况下甚至可达到毫米级。 本文的范围不允许突出许多有趣的细节，但我们希望读者对现代新科学 - 地电子学的成就有一个总体了解。 作者：A.N. Golubev，博士。 技术。 科学，教授。 莫斯科国立大地测量与制图大学
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很难说出人类活动的领域，这不会渗透现代无线电电子学的成就。 最古老的科学之一——大地测量学，即“测量地球”的科学，也没有被抛在一边。
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