СПОСОБ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ И СИСТЕМА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК G01C5/06 

Изобретение относится к геодезическим измерениям, в частности к барометрическому нивелированию, и может быть использовано для определения высот точек местности.

Точность барометрического нивелирования, а следовательно, и точность определения высот точек местности зависит от многих факторов: способов барометрического нивелирования, метеорологических факторов, характеризующихся распределением давления в атмосфере, температурой и влажностью воздуха, а также точности измерительных приборов, используемых в процессе измерения.

Существуют различные способы барометрического нивелирования, позволяющие в той или иной степени проводить учет влияния различных метеорологических факторов, снижающих точность определения высот.

Известен способ барометрического нивелирования, предусматривающий проложение хода по маршруту, начало и/или конец которого совпадает с точкой с известной высотной отметкой. Эта точка называется базовой, и на ней располагается временная барометрическая станция (1). Определение высотных отметок рабочих точек барометрического хода заключается в определении превышении рабочих точек относительно базовой точки, а определение превышений заключается в определении разности давления между рабочей точкой и точкой, на которой расположена барометрическая станция (базовой точкой), и интерполяции значений давления на базовой точке по барограмме.

Ошибка определения высот при работе этим способом вычисляется по формуле:
m2н

Для определения m_h применяют формулу:

где ΔP - разность между значениями давления на точке хода и на базовой точке;
E - барометрическая ступень высоты;
m_h - средняя квадратическая ошибка определения барометрической ступени;
- средняя квадратическая ошибка измерения давления, обусловленная точностью инструментов;
- средняя квадратическая ошибка, вносимая микроколебаниями давления;
- средняя квадратическая ошибка вследствие линейной интерполяции давления на базовой точке в интервале между смежными отсчетами;
- средняя квадратическая ошибка вследствие "аномальности" барического поля;
- средняя квадратическая ошибка вносимая горизонтальным градиентом давления.

Применение известного способа не позволяет получить высокоточный результат, так как суммарное значение средней квадратической ошибки при наиболее благоприятных условиях составляет 0,5 м.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ барометрического нивелирования, включающий установку системы барометрического нивелирования, состоящей из базового и по меньшей мере одного рейсового барометрического приборов в базовой точке барометрического хода, синхронизацию приборов, измерение атмосферного давления и метеорологических параметров с заранее заданным интервалом времени на базовой и рейсовой точках, вычисление разности давления по отношению к базовой точке и вычисление по барометрической Формуле высотной отметки, каждой рейсовой точки после завершения барометрического хода (2).

Сущность способа заключается в одновременном измерении давления и метеорологических параметров на двух точках барометрического хода.

Для осуществления данного способа не требуется организации временной барометрической станции, что исключает влияние ошибки интерполяции давления, кроме того, одновременное измерение на рабочих точках позволяет учесть величину горизонтального градиента давления в каждой паре измеренных превышений.

Для реализации известного способа применяется система барометрического нивелирования, состоящая из базового и по меньшей мере одного рейсового барометрического приборов, каждый из которых включает блок измерения метеорологических параметров и последовательно включенные блок измерительного преобразования давления, оснащенный таймером блок вторичного преобразования, а также блок индикации и управления (3).

Важнейшим условием получения точного и достоверного результата является одновременное измерение атмосферного давления на базовой и рейсовой точках барометрического хода. Для реализации одновременности измерений перед началом работы таймеры базового и рейсового приборов сверяются между собой не менее трех раз с интервалом 1 мин. Эта операция является трудоемкой и не может быть достаточно точной, особенно при применении нескольких рейсовых приборов, так как осуществляется визуально вручную.

Вторым условием получения высокоточного результата является одновременность измерения на базовой и рейсовой точках метеорологических параметров: температуры и влажности.

Известные способы и система барометрического нивелирования не позволяют осуществить эти операции одновременно с высокой степенью точности, так как блок измерения метеорологических параметров автономен и оператор выполняет эту операцию вручную, а показания заносит в журнал.

Помимо этого в известной системе невозможна реализация сложной обработки полученной информации, поэтому все измеряемые параметры снимаются вручную и заносятся в журнал регистрации, а это не только усложняет процесс обработки информации, но и не исключает вероятность возникновения ошибок при записи и обработке.

Таким образом, известные способ барометрического нивелирования и система барометрического нивелирования для его осуществления не обеспечивают требуемую точность одновременности измерения, что в свою очередь значительно снижает точность определения высотных отметок точек местности.

Технической задачей изобретения является повышение точности определения высот точек местности.

Указанная задача достигается тем, что в способе барометрического нивелирования, заключающемся в том, что устанавливают систему барометрического нивелирования, состоящую из базового и по меньшей мере одного рейсового барометрических приборов, в базовой точке барометрического хода синхронизируют приборы, затем рейсовый прибор устанавливают в рейсовой точке, измеряют атмосферное давление и метеорологические параметры с заранее заданным интервалом времени на базовой и рейсовой точках, вычисляют разности давления по отношению к базовой точке и вычисляют по барометрической Формуле высотные отметки каждой рейсовой точки после завершения барометрического хода, согласно изобретению, синхронизацию приборов осуществляют соединением их посредством интерфейса связи и передачей сигнала синхронизации с базового прибора на по меньшей мере один рейсовый, а измерение давления и метеорологических параметров производят одновременно на всех приборах системы в автоматическом режиме, при этом вычисление по барометрической формуле высотной отметки каждой рейсовой точки осуществляют в автоматическом режиме путем последовательного соединения базового прибора, с по меньшей мере одним рейсовым посредством интерфейса связи и передачи команды поиска информации с рейсового прибора на базовый при помощи блока индикации и управления.

Способ реализуется с помощью системы барометрического нивелирования, содержащей базовый и по меньшей мере один рейсовый барометрические приборы, каждый из которых содержит блок измерения метеорологических параметров и последовательно соединенные блок измерительного преобразования давления и блок вторичного преобразования, соединенный с таймером, а также блок индикации и управления, в которой, согласно изобретению, каждый блок снабжен интерфейсом связи, соединенным с блоком вторичного преобразования, выполненным на базе микропроцессора и соединенным с блоком измерения метеорологических параметров.

Конструктивное выполнение всех приборов системы барометрического нивелирования позволяет синхронизировать все приборы в автоматическом режиме с высокой степенью точности при помощи микропроцессора, на базе которого выполнен блок вторичного преобразования, что в свою очередь обеспечивает возможность одновременно с высокой степенью точности снимать отсчеты на базовом и рейсовом приборах.

Подключение блока измерения метеорологических параметров к блоку вторичного преобразования позволяет одновременно с давлением измерять на каждой точке в автоматическом режиме температуру воздуха и влажность, что также повышает точность измерений.

Выполнение блока вторичного преобразования на базе микропроцессора позволяет с высокой точностью и скоростью снимать показания со всех измерительных блоков и заносить их в память, исключив при этом запись от руки в журнал и связанные с этим возможные ошибки оператора.

Таким образом, применение заявляемой совокупности признаков позволяет повысить точность определения высот точек местности за счет обеспечения с высокой степенью точности одновременного снятия отсчетов на базовой и рейсовой точках барометрического хода, что уменьшает влияние средних квадратических ошибок, обусловленных микроколебаниями атмосферного давления, температуры воздуха и влажности, и исключает влияние на полученный результат горизонтального градиента давления и ошибки, возникающей вследствие линейной интерполяции давления.

Кроме того, автоматическая обработка данных измерений значительно ускоряет процесс определения высот и снижает его трудоемкость, так как весь объем работ может быть выполнен одним оператором.

На чертеже представлена блочная схема барометрического прибора, входящего в систему барометрического нивелирования.

Каждый барометрический прибор включает блок 1 измерения метеорологических параметров и последовательно включенные блок 2 измерительного преобразования давления пьезорезонансного типа, оснащенный таймером 3, блок 4 вторичного преобразования и блок 5 индикации и управления. Блок 4 вторичного преобразования оснащен интерфейсом 6 связи типа RS-232, содержащим "n" выходов.

Блок 1 измерения метеорологических параметров включает блок первичного преобразования, температуры (не показано) и блок первичного преобразования влажности (не показано), каждый из которых выполнен на базе кварцевого датчика и генератора.

Блок 2 измерительного преобразования давления содержит кварцевый манометрический и электронный блоки, термостат и герметизированный корпус со штуцером (на чертеже не показаны). Кварцевый манометрический блок представляет собой вакуумированную цилиндрическую коробку, образованную двумя скрепленными своими торцами идентичными мембранами, выполненными с жесткими центрами, в паз которых закреплен кварцевый пьезорезонатор. Электронный блок предназначен для выработки выходных сигналов преобразователя давления (информационного сигнала, сигнала опорного кварцевого генератора и сигнала термодатчика термостата), а также для формирования системы стабилизированных напряжений. Электронный блок содержит электронные схемы измерительного канала и терморегулятора термостата, конструктивно выполненные в виде двух печатных плат. В приборах использован таймер 3 типа К 512 ВИ 1.

Блок 4 вторичного преобразования выполнен на базе микропроцессора К 1830 ВЕ 31 и включает блок памяти программ и блок оперативной памяти.

Блок 5 индикации и управления включает матричный жидкокристаллический индикатор типа ИЖВ 78 и панель управления, выполненную в виде клавиатуры мембранного типа.

Способ барометрического нивелирования с использованием системы барометрического нивелирования осуществляется следующим образом.

Систему барометрического нивелирования устанавливают в базовой точке (точке с известной высотной отметкой) барометрического хода и синхронизируют ее. Для синхронизации все приборы соединяют посредством интерфейса 6 связи. На клавиатуре блока 5 индикации и управления набирают кодовую команду синхронизации, поступающую в микропроцессор блока 4 вторичного преобразования базового прибора. По сигналу микропроцессора, поступающего в таймер 3 базового и через интерфейс 6 связи в таймер 3 рейсового приборов, происходит их одновременное включение и начинается тактовая работа всей системы. Все приборы системы разъединяются, базовый прибор остается в базовой точке, а рейсовый прибор перемещают по рейсовым точкам барометрического хода.

Измеряемое давление через штуцер (не показано) поступает в блок 2 измерительного преобразования давления, где, воздействуя на упругие мембраны кварцевого манометрического блока, преобразуется в силу, нагружающую силочувствительный элемент, которая в свою очередь преобразуется в частоту электрического сигнала. Электрический сигнал с блока 2 измерительного преобразования давления поступает на вход блока 4 вторичного преобразования, где частота информативного электрического сигнала пересчитывается в значение физического параметра давления, которое отображается на индикаторе блока 5 индикации и управления и по команде, поступающей с блока 5, заносится в блок оперативной памяти блока 4 вторичного преобразования.

Измеряемые температура и влажность воздуха поступают в блок 1 измерения метеорологических параметров, где, воздействуя на датчики температуры и влажности, преобразуются в электрические сигналы, которые поступают в блок 4 вторичного преобразования, где пересчитываются в значения Физических параметров температуры и влажности и заносятся в блок оперативной памяти блока 4.

Работа блока 4 вторичного преобразования основана на счетно-импульсном принципе и заключается в том, что микропроцессор, на базе которого выполнен блок 4, считает количество поступающих в него импульсов в течение заданного интервала времени.

Измерение давления и метеорологических параметров (температуры и влажности воздуха) производится одновременно на всех приборах системы в автоматическом режиме по сигналу таймеров 3, которые вырабатывают тактовые импульсы, поступающие в микропроцессоры блоков 4 вторичного преобразования каждого из приборов. Каждый микропроцессор вырабатывает команду, по которой включаются измерительные схемы приборов системы, таким образом, снятие отсчетов на базовом и рейсовом приборах происходит одновременно с высокой степенью точности. После окончания барометрического хода рейсовый прибор возвращают на базовую точку и посредством интерфейса 6 связи соединяют с базовым прибором. По команде, поступающей с панели управления блока 5 базового прибора через интерфейс 6 связи в микропроцессор блока 4 вторичного преобразования рейсового прибора, в нем начинается выборка параметров измерения, соответствующих измерениям в базовой точке. В микропроцессоре происходит также вычисление разности давления между базовой и рейсовой точками барометрического хода и вычисление высотной отметки каждой рейсовой точки по полной барометрической формуле. Промежуточные и окончательные результаты расчетов поступают на индикатор блока 5 индикации и управления и по команде с панели управления этого же блока заносятся в оперативную память.

Аналогично происходит работа и других барометрических приборов, которые могут быть задействованы в системе барометрического нивелирования.

При необходимости окончательные результаты расчетов через интерфейс 6 связи могут выводиться на печатающее устройство.

Таким образом, предлагаемые способ барометрического нивелирования и система барометрического нивелирования для его осуществления позволяют производить измерения давления и метеорологических параметров на базовом и рейсовом барометрических приборах одновременно с высокой степенью точности в автоматическом режиме, что значительно уменьшает влияние ошибок, обусловленных микроколебаниями атмосферного давления и метеорологических параметров (температуры воздуха и влажности), исключает влияние ошибки вследствие интерполяции давления и влияние горизонтального градиента давления, что позволяет повысить точность определения высотных отметок точек местности до 0,1 м.

Возможность выполнения синхронизации нескольких рейсовых приборов с базовым и снятие отсчетов в автоматическом режиме на всех приборах системы позволяет производить измерения на нескольких барометрических ходах одновременно, что значительно ускоряет сроки проведения этих работ, а вычисление разности давления и высотных отметок точек местности в микропроцессоре, блока вторичного преобразования уменьшает трудоемкость процесса обработки данных измерений и исключает возможность случайной ошибки.

Барометрические приборы, используемые в системе барометрического нивелирования, могут быть изготовлены с использованием стандартных комплектующих, просты и надежны в эксплуатации.

Использование изобретения значительно повышает эффективность баронивелирования и расширяет область его возможного применения.

Использование: геодезическое измерение. Сущность изобретения: способ барометрического нивелирования, включающий установку системы барометрического нивелирования в базовой и рейсовой точках, синхронизацию приборов путем соединения приборов посредством интерфейса связи и передачи сигнала синхронизации, измерение давления и метеорологических параметров с заранее заданным интервалом времени и вычисление разности давления и высотной отметки в автоматическом режиме. Система барометрического нивелирования содержит базовый и по меньшей мере один рейсовый прибор, включающие блок 1 измерения метеорологических параметров и блок 2 измерительного преобразователя давления, подключение к блоку 4 вторичного преобразования, выполненного на базе микропроцессора и снабженного таймером 3 и интерфейсом 6 связи, а также блок 5 индикации и управления. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ барометрического нивелирования, заключающийся в том, что устанавливают систему барометрического нивелирования, состоящую из базового и по меньшей мере одного рейсового барометрических приборов, в базовой точке барометрического хода, синхронизируют приборы, затем рейсовый прибор устанавливают в рейсовой точке, измеряют атмосферное давление и метеорологические параметры с заранее заданным интервалом времени на базовой и рейсовой точках, вычисляют разности давления по отношению к базовой точке и вычисляют по барометрической формуле высотные отметки каждой рейсовой точки после завершения барометрического хода, отличающийся тем, что синхронизацию приборов осуществляют соединением их посредством интерфейса связи и передачей сигнала синхронизации с базового прибора на по меньшей мере один рейсовый, а измерение давления и метеорологических параметров производят одновременно на всех приборах системы в автоматическом режиме, при этом вычисление по барометрической формуле высотной отметки каждой рейсовой точки осуществляют в автоматическом режиме путем последовательного соединения базового прибора с по меньшей мере одним рейсовым посредством интерфейса связи и передачи команды поиска информации с рейсового прибора на базовый при помощи блока индикации и управления. 2. Система барометрического нивелирования, содержащая базовый и по меньшей мере один рейсовый барометрические приборы, каждый из которых содержит блок измерения метеорологических параметров и последовательно соединенные блок измерительного преобразования давления и блок вторичного преобразования, соединенный с таймером, а также блок индикации и управления, отличающаяся тем, что каждый блок снабжен интерфейсом связи, соединенным с блоком вторичного преобразования, выполненным на базе микропроцессора и соединенным с блоком измерения метеорологических параметров.