TECHNIKI POMIAROWE W GEODEZJI

1. DALMIERZ ELEKTROMAGNETYCZNY

Dalmierze elektromagnetyczne wykorzystywane są w radiolokacji, radiogeodezji oraz radionawigacji Klasyfikacja ich może być dokonywana przy założeniu rozmaitych kryteriów. Zazwyczaj przyjmuje się dwa, ze względu na rodzaj fali (jej długości) przenoszącej sygnały pomiarowe wyróżniamy: elektromagnetyczne, ultradźwiękowe; oraz ze względu na formę sygnałów pomiarowych, która warunkuje sposób pomiaru czasu i rozchodzenia się mierzonej odległości tam i z powrotem: impulsowe, których fala pomiarowa jest w formie pojedynczych impulsów; fazowe, których sygnał pomiarowy jest ciągłą falą harmoniczną. Coraz częściej stosuje się dalmierze, które łączą cechy dalmierzy impulsowych i fazowych. Dzieje się tak dlatego, gdyż dalmierze impulsowe pozwalają na bezlustrowy pomiar, a fazowe są dokładniejsze. Dalmierzem fazowym nie można pomierzyć odległości przy stosowaniu jednej częstotliwości fali. Zasada pomiaru odległości: pomiar wzajemnej odległości D dwóch pkt A i B dalm elek sprowadza się do pomierzenia czasu t, w czasie którego sygnał pomiarowy emitowany z pkt A przebywa drogę 2D po torze "początek A" - "koniec B" - "początek A" mierzonego odcinka. Przyjmując, że średnia prędkość tego sygnału w danym ośrodku wynosi V, przedstawiamy mierzoną odległość jako funkcję liniową czasu t daną wzorem 2D=V*t= 1/2*c/n*(t_p-t_w) tp- chwila powrotu, tw- chwila wyjścia, c- prędkość rozchodzenia się fali elektromagnet w próżni, n- współczynnik załamania w powietrzu fali elekt.

2. WPŁYW TEMP I ĆIŚNIENIA NA POMIAR ODEGŁOŚCI

Wpływ zmiany temperatury o 1̊ C przy pomiarach dalmierzem elektrooptycznym zmieni otrzymany wynik o 0,9 mm/km. Wpływ zmiany ciśnienia o 1milimetr zmieni otrzymany wynik o 0,4 mm/m. Współczynnik załamania n jest wielokrotnością wyrażającą wpływ war fiz powietrza na prędkość syg elektrycznego. Znane są wystarczająco dokładne wzory empiryczne przedstawiające zależność funkcyjną wielkości n od parametrów charakteryzujących właściwości dyspersyjne powietrza (t temp, p cisneinie, e wigotność) i od składu widmowego (spektralnego) sygnału. n=f(t,p,e,λ_w). W praktyce temperaturę, ciśnienie i prężność pary wodnej mierzymy: przy bardzo precyzyjnych pomiarach - na początku, w środku i na końcu mierzonego odcinka. Wtedy współczynnik załamania obliczamy ze wzoru:
; w średnio dokładnych pomiarach - wyznaczamy średnią z pomiarów (t, p, ) na początku i na końcu odcinka ze wzoru:
; oraz w mniej dokładnych pomiarach - temperaturę mierzymy tylko na stanowisku dalmierza. W praktyce przy krótszych odległościach stosuje się dalsze uproszczenie, gdzie współczynnik „n” wyznacza się ze średnich wartości pomierzonej temperatury, ciśnienia i prężności pary wodnej.

3. ELEKTRONICZNE SYSTEMY KĄTOMIERCZE- KODOWY I IMPULSOWY

W systemie KODOWYM krąg kątomierczy jest zbudowany ze szklanego pierścienia na którym w postaci pierścieni naniesione są interwały kątowe w formie naprzeciwległych interwałów przeźroczystych i nieprzeźroczystych. W jednoznaczny sposób wyświetlają położenie osi lunety do położenia zerowego(system bezwzględny). Najistotniejszym elementem systemu jest tarcza kodowa zastępująca krąg poziomy w teodolicie. Sprężona jest z alidadą teodolitu, na której jest luneta. Na tarczy kodowej znajduje się wiele koncentrycznych ścieżek o różnych średnicach, przy czym na każdej z tych ścieżek znajdują się na przemian ległe pola jasne i ciemne. Uzyskanie odpowiedniej dokładności odczytu kierunku wymaga zastosowania tarczy kodowej z odpowiednią liczbą ścieżek, z których ostatnia musi być podzielona na pola o bardzo małych odstępach. Na przykład chcąc uzyskać dokładność 1cc ilość ścieżek musiałaby wynosić 222. Przy średnicy koła 13 cm szerokość ścieżki musiałaby być równa 0,097µm. Wykonanie tak drobnego podziału jest niemożliwe. W praktyce uzyskano najwyżej 12 ścieżek, co daje dokładność 10c pomiaru kierunku. Istnieje, więc bariera technologiczna, która powoduje, że ten system jest stosowany w wielu teodolitach najwyżej do pomiaru zgrubnego. Zasada działania: W nieruchomej części teodolitu znajduje się czytnik w postaci matrycy fotoelektrod i fotodiód, które oświetlają fotodetektory równoległą wiązką optyczną. Wiązka przepuszczana przez pola przeźroczyste kręgu wzbudza w odpowiedniej diodzie sygnał elektryczny (napięcie). Sygnał nie powstanie, gdy na drodze wiązki znajdzie się pole nieprzeźroczyste. W każdym fotodetektorze powstać mogą, więc dwa stany kodu dwójkowego. Gdy połączymy wszystkie odczyty z matrycy fotodetektorów otrzymamy odczyt kierunku w kodzie dwójkowym. W IMPULSOWYM systemie pomiarowym kątów w odróżnieniu od kodowego zastosowano tarczę z jedną ścieżką zawierającą n liczbę równych interwałów oraz czytnik impulsów generowanych w trakcie obrotu tarczy. Przy systemach impulsowych stosuje się dwie ścieżki interwałowe ze względu na konieczność rozróżnienia obrotu lunety w prawo lub lewo przy nacelowywaniu na punkt. Dla jednej ścieżki układ sumowałby impulsy bez względu na kierunek obrotu lunety, przy dwóch ścieżkach system rozróżnia kierunki obrotu i np dla obrotu w prawo sumuje impulsy, a dla obrotu w lewo odejmuje.

4.TACHIMETR ELEKTRONICZNY

Interpretacja wyświetlanych wartości:
Dla pomiaru kątów: Hp kąt poziomy prawy (wartość mierzona); HL kat poziomy lewy (wartość mierzona); V kąt pionowy (wartość mierzona).
Dla pomiaru odległości: HD odległość od pryzmatu w linii prostej (wartość obliczona) HD=SD*sinV; VD przewyższenie pryzmatu nad tachimetrem (wartość obliczona) VD=SD*cosV; SD odległość skośna do pryzmatu (wartość mierzona).

5. ZASADA DZIAŁANIA NIWELATORÓW CYFROWYCH

Jest to przyrząd elektroniczny, który w automatyczny sposób wykonuje odczyty na łatach niwelacyjnych, mierzy do nich odległość. Wymienione wielkości są wyświetlane na panelu wyświetlacza. Jego zastosowanie wymaga specjalnych łat niwelacyjnych tzw. Łaty kodowe, które nie zawierają żadnego opisu cyfrowego. Wykonywanie odczytów niwelatorze cyfrowym odbywa się na drodze korelacji matematycznej dwóch obrazów - jednego który jest obrazem łaty kodowej zrzutowanej na matrycę CCD i drugiego, który jest obrazem wzorca łaty zapamiętanej(wprowadzoną przez producenta) do pamięci procesora. Wymieniony proces korelacji da się sprowadzić do dwóch operacji: -przesunięcia obrazu łaty na wzorzec aż do uzyskania pokrycia się kresek kodu obrazu łaty z kreskami kodu wzorca; -przeskalowanie obrazu łaty do obrazu wzorca łaty. Obydwie operacje wykonywane są iteracyjnie (w pętli), aż do uzyskania zgodności obrazu łaty z obrazem wzorca na wyświetlaczu pojawią się wtedy gdy dwa odczyty, dwie wielkości: -jedna-odczyt z łaty; -druga-odległość do łaty. Nie ma odczytu bez odległości i nie ma odległości bez odczytu.

Oprócz wymienionej podstawowej funkcji wykonywania korelacji, mikroprocesor jest dodatkowo oprogramowany algorytmami do obliczania różnic wysokości między łatami, obliczania wartości średnich różnic wysokości z wielokrotnych pomiarów, obl różnic wysokości kolejnych punktów ciągu, sumy przewyższeń na odcinku niwelacyjnym tj różnice wysokości między dwoma reperami dla stanowisk niwelatora, obl odczytu na stanowisku końcowym który musi pojawić się na wyświetlaczu aby wysokość punktu końcowego równała się wysokości projektowej.

6. FUNKCJE I PRZYKŁADY ZASTOSOWANIA LASERÓW W POM GEODEZYJNYCH

Przyrządy laserowe są następną grupą instrumentów geodezyjnych, które po dalmierzach elektromagnetycznych, teodolitach elektronicznych, niwelatorach cyfrowych znalazły zastosowanie w geodezji, wynika to z cech laserów którymi są: mała rozbieżność wiązki laserowej, najmniejsza spośród wszystkich źródeł światła; monochromatyczność wiązki laserowej-stała częstotliwość a więc stała długość λ; spójność (koherentność) wiązki laserowej- wiązka laserowa jest zdolna do interferencji. Klasyfikacja funkcji przyrządów laserowych w geodezji:

1.Funkcje laserów w pomiarach geodezyjnych.

2. wizualizacja w przestrzeni linii płaszczyzn pomiarowych:

a)poziomych: -niwelatory laserowe,- niw optyczne z laserami lub nasadkami laserowymi

b)pionowych: -pionowniki laserowe, -pionowniki optyczne z laserami

3. Sygnalizowanie punktów celu dowolnie nachylonych na mierzonych obiektach.

-teodolity laserowe, -teodolity optyczne z laserami, -rzutniki, projektory laserowe, -aliniometry laserowe, -inne

4. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach elektrooptycznych

-elektrooptyczne dalmierze laserowe, - interferometry laserowe

5. Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn

-zestaw w/w przyrządów laserowych z modulatorami, urządzeniami odbiorczymi i sterujący maszynami w górnictwie, drogownictwie, kolejnictwie, melioracji, itp.

7. SYSTEM SATELITARNY GPS - budowa, zasady wyznaczania pozycji. System ASG EUPOS. Zasada pomiarów RTN w systemie ASG.

GPS jest to system nawigacyjny składający się z 3 segmentów: -satelitarny-konstelacje co najmniej 24 satelitów; -kontrolny-ośrodek dowodzenia połączony ze stacjami permanentnie obserwującymi wszystkie satelity GPS; -użytkowników- wszyscy użytkownicy wyposażeni w obliczeniu GPS. Asystent satelitarny (kosmiczny) obecnie składa się z 30 satelitów umieszczonych na sześciu prawie kołowych orbitach nachylonych względem równika pod kątem 55◦, równomiernie rozłożonymi w długości geograficznej i oddalonych od powierzchni Ziemi o ponad 20000 km. Okres obiegu satelity wokół naszej planety wynosi około 12 godzin. Takie rozmieszczenie w przestrzeni zapewnia możliwość jednoczesnego obserwowania (widzenia) przynajmniej czterech satelitów GPS z dowolnego punktu na Ziemi. Wszystkie satelity GPS są permanentnie obserwowane przez kilka tzw. Stacji monitorujących i dla każdego z nich obliczane są precyzyjne elementy orbity i poprawka zegara atomowego. Dane te wprowadzane są do pamięci komputerów pokładowych.

Ogólna zasada wyznaczania punktów na Ziemi polega na wyznaczeniu X, Y i H na podstawie odległości wyznaczonych przez odbiornik do minimum 4 satelitów. Pomiar satelitarny polega na wyznaczeniu odległości od odbiornika satelitarnego do satelity. Można go wykonać metodą kodową ( pomiar pseudoodległości albo metodą fazową (pomiar fazowy)). Na podstawie pomierzonych odległości do 4 satelitów oblicza się współrzędne odbiornika (środka fazowego anteny odbiornika metodą przestrzennego wcięcia liniowego wstecz poprzez rozwiązanie 4 równań :

(X_S1-x₀)²+(Y_S1-Y₀)²+(H_S1-H₀)²=(L₁∆t)²

(X_S2-x₀)²+(Y_S2-Y₀)²+(H_S2-H₀)²=(L₂∆t)²

(X_S3-x₀)²+(Y_S3-Y₀)²+(H_S3-H₀)²=(L₃∆t)²

(X_S4-x₀)²+(Y_S4-Y₀)²+(H_S4-H₀)²=(L₄∆t)²

Pomiary geodezyjne uwzględnia się z satelit , które umieszczone są w przestrzeni zawartej między powierzchniami nachylonymi powyżej 10◦ od poziomu (horyzontu).

Taki sposób wyznaczania współrzędnych nazywa się sposobem bezwzględnym, dokładność wyznaczenia współrzędnych tym sposobem wynosi kilka metrów dlatego też pojedyncze odbiorniki wykorzystuje się w systemach nawigacyjnych gdzie dokładność taka jest wystarczająca(np. nawigacja samochodowa, morska, lotnicza).

Dla potrzeb geodezji jest to oczywiście dokładność zbyt mała dlatego też stosuje się względne metody pomiarów satelitarnych, które wymagają zastosowania dwóch lub więcej odbiorników w geodezji nigdy nie stosujemy jednego odbiornika. W systemach nawigacyjnych współrzędne wyznaczane są w układzie geocentrycznymi WGS 94 to jest taki który do środka Ziemi w metodzie względnych wyznaczone są różnice współrzędnych ∆X,∆Y,∆Z pomiędzy środkami anten odbiorników. Dokładność metod względnych pozwala na uzyskanie dokładności 1mm na 1km wartości albo wektora.

Uwarunkowania organizacyjno-prawne dotyczące ASG-EUPOS w pracach geodezyjnych.

Celem założenia wielofunkcyjnego systemu precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego ASG-EUPOS jest udostępnianie w trybie on-line poprawek do obserwacji GNSS odbieranych przy użyciu odbiorników satelitarnych i umożliwia precyzyjnego pozycjonowania i nawigacji na obszarze Polski. Punkty odniesienia stacji referencyjnych systemu ASG-EUPOS będą stanowiły podstawową osnowę geodezyjną w rozumieniu przepisów.

GNSS=GPS+GLONASS+GALILEO

GNSS-Europian Position Determination System

-zunifikowany system precyzyjnego pozycjonowania satelitarnego

-16 krajów Europy środkowej i wschodniej

-429 stacji referencyjnych (bez Rosji)

-koordynacja

W geodezji stosuje się dwie podstawowe metody pomiarowe: *Metodę statyczną, w której odbiorniki ustawione są na wyznaczonych punktach w czasie od 30 minut - do kilkunastu godzin a wartość wektora obliczona jest w trybie tzw. Post-procesingu po skończeniu pomiarów w warunkach biurowych. *Metoda różnicowe, które polegają na wyznaczeniu różnic współrzędnych w terenie a poprzez powiązanie/nawiązanie pomiarów do punktu do znanych współrzędnych, wyznaczanie współrzędnych punktu na drodze dodania do znanych współrzędnych wyznaczanych z pomierzonych różnic współrzędnych.

Wartość ∆X,∆Y,∆Z są przesyłane wraz z poprawkami do drugiego odbiornika z odbiornika 1(o znanych współrzędnych) drogą radiową internetową lub w telefonię komórkową.

---