СПОСОБ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2003 года по МПК G01C5/06 

Группа изобретений относится к области наземной навигационной техники и может быть использована для определения высоты в произвольной точке маршрута движения относительно начальной точки маршрута на борту автомобиля или другого наземного подвижного объекта (НПО) при проведении геодезической, топографической и других видов съемки местности как во время движения, так и во время стоянки.

Известен способ барометрического нивелирования по патенту 2104487 [1], основанный на:
- одновременном измерении атмосферного давления и метеорологических параметров как на борту НПО, так и на неподвижной базовой станции, установленной в базовой точке барометрического хода, абсолютная высота которой известна;
- вычислении разности давления на борту НПО по отношению к базовой точке;
- вычислении по барометрической формуле высотных отметок НПО.

При этом все вычисления производятся после завершения барометрического хода, а для передачи информации с базовой станции на бортовую (рейсовую) станцию и взаимной синхронизации станций их соединяют посредством интерфейса связи.

Описанный способ имеет следующие недостатки:
- для реализации способа необходимо иметь два комплекта оборудования, что увеличивает затраты и уменьшает надежность;
- для проведения вычислений и обмена информацией с базовой станцией НПО должен вернуться с конечной точки маршрута к базовой станции, что увеличивает общее время, необходимое для проведения измерений и тем самым снижает производительность труда;
- невозможно оперативное получение информации о высоте на борту НПО в процессе движения, т.к. обработка информации осуществляется после завершения барометрического хода.

Прототипом предлагаемого способа является способ барометрического нивелирования по авт. св. 1825980 [2], включающий последовательное измерение на исходном и каждом промежуточном пунктах барометрического хода атмосферного давления и температуры воздуха, обработку результатов измерений с нахождением барометрической ступени, предварительных значений превышения в каждом промежуточном пункте барометрического хода относительно исходного пункта, определение поправок к вычисленному значению барометрической ступени путем проведения дополнительных измерений во второй точке, расположенной относительно первой на измеренном расстоянии по вертикали и вычислении поправок по соответствующим формулам.

Для данного способа характерна значительная погрешность, определяемая изменением атмосферного давления с течением времени. Кроме того, для проведения измерений необходима остановка НПО.

Изобретение направлено на сокращение времени получения информации о текущем значении высоты, получение информации в реальном масштабе времени непосредственно на борту НПО в процессе движения и на стоянке, уменьшение погрешности определения высоты, определяемой изменением атмосферного давления с течением времени.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что перед началом движения НПО в течение некоторого времени производится непрерывное измерение атмосферного давления и запись полученных значений в запоминающее устройство (ЗУ). С момента начала движения запись значений атмосферного давления в ЗУ прекращается.

Затем вычисляется средняя скорость изменения атмосферного давления по формуле

где n - количество записанных в запоминающее устройство значений атмосферного давления, четное целое число,
V_p - средняя скорость изменения атмосферного давления, Па/с;
Р_u - значение атмосферного давления, Па, имеющее порядковый номер u= (n/2)+1;
Р_n - значение атмосферного давления, имеющее порядковый номер n, Па;
P₁ - значение атмосферного давления, имеющее порядковый номер 1, Па;
P_k - значение атмосферного давления. Па, имеющее порядковый номер k=n/2;
t₀ - длительность записи значений атмосферного давления в запоминающее устройство, с.

Далее определяют поправку к измеренному значению атмосферного давления в каждой точке маршрута по следующей формуле
ΔP_i = -A×V_p×t_i, (2)
где ΔР_i - поправка к измеренному значению атмосферного давления, Па;
А - коэффициент калибровки;
V_p - средняя скорость изменения атмосферного давления, Па/с;
t_i - отрезок времени от начала движения до момента достижения i-й точки маршрута, с.

Высоту в каждой точке маршрута определяют по формуле

где H_i - высота в i-й точке маршрута, м;
H₀ - известная высота в начальной точке маршрута, м;
Т₀ - температура воздуха в начальной точке маршрута, ^oС;
Т_i - температура воздуха в i-й точке маршрута, ^oC;
Р₀ - атмосферное давление в начальной точке маршрута, Па;
P_i - атмосферное давление в i-й точке маршрута, Па;
ΔP_i - поправка к измеренному значению атмосферного давления, Па.

Определение поправки к измеренному значению атмосферного давления по формуле (2) и высоты в каждой точке маршрута по формуле (3) производят при помощи вычислителя, размещаемого непосредственно на борту наземного подвижного объекта, что позволяет определять указанные величины в реальном масштабе времени как во время движения, так и во время стоянки объекта.

В качестве Р₀ в формуле (3) используется последнее значение атмосферного давления, измеренное перед началом движения объекта в начальной точке маршрута.

Физическая сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. При движении объекта по маршруту на величину атмосферного давления, измеренного на борту объекта, влияют два фактора: изменение высоты (полезный фактор, поскольку высота является искомой величиной) и метеорологические условия (вредный фактор, поскольку влияние метеоусловий изменяет значение атмосферного давления Р_i, что приводит к погрешности в определении высоты Н_i). Предлагаемое техническое решение направлено на компенсацию погрешности определения высоты, вызываемую воздействием метеоусловий. Для этого предлагается во время стоянки, когда высота объекта неизменна и на величину атмосферного давления, измеренного на борту объекта, влияют только метеоусловия, определять среднюю скорость изменения атмосферного давления V_p. При этом величина V_p показывает среднюю скорость изменения атмосферного давления под влиянием метеоусловий. Затем объект начинает двигаться по маршруту. В каждой точке маршрута, в которой необходимо определять высоту, сначала определяют величину поправки ΔР_i, компенсирующую влияние метеоусловий, по формуле (2), а затем вычисляют высоту H_i по формуле (3). При этом предполагается, что величина средней скорости изменения атмосферного давления V_p за время движения не изменяется. Коэффициент калибровки А позволяет более точно учесть влияние метеоусловий при проведении измерений в различных географических районах в разное время года. Коэффициент А определяется при движении НПО по калибровочному участку маршрута движения. Истинные высоты контрольных точек на калибровочном участке известны. Критерием правильности выбора коэффициента А является минимальная среднеквадратическая погрешность определения высоты контрольных точек заявляемым способом.

Предлагаемый барометрический способ определения высоты позволяет:
- уменьшить время съемки и тем самым увеличить производительность труда, поскольку нет необходимости возвращаться с конечной точки маршрута к базовой станции;
- получать информацию о текущем значении высоты в реальном масштабе времени непосредственно на борту НПО в процессе движения и на стоянке;
- уменьшить погрешность определения высоты, определяемую изменением атмосферного давления во времени.

Известна система барометрического нивелирования по патенту 2104487 [1], содержащая базовый и по меньшей мере один рейсовый барометрические приборы, каждый из которых содержит блок измерения метеорологических параметров.

К недостаткам данной системы следует отнести:
- необходимость в наличии двух комплектов оборудования, что увеличивает затраты и уменьшает надежность;
- необходимость возвращения НПО с конечной точки маршрута к базовой станции для соединения базового барометрического прибора с рейсовым через интерфейс связи и проведения вычислений и обмена информацией, что увеличивает общее время, необходимое для проведения измерений и тем самым снижает производительность труда;
- невозможность оперативного получение информации о высоте на борту НПО в процессе движения, т.к. обработка информации осуществляется после завершения барометрического хода.

Известно устройство - измеритель высоты для летательных аппаратов по авт. св. 1485049 [3]. Данное устройство, являющееся прототипом заявляемого, содержит датчик давления, датчик температуры воздуха и ряд узлов, обеспечивающих обработку данных. Устройство обеспечивает определение высоты летательного аппарата над уровнем местности в точке взлета.

Данный измеритель высоты не учитывает изменение атмосферного давления с течением времени, что снижает точность определения высоты.

На чертеже показана блок-схема устройства, реализующего предлагаемый барометрический способ определения высоты.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения высоты барометрическим способом, содержащее датчик атмосферного давления, датчик температуры воздуха и вычислитель, введены запоминающее устройство, датчик движения и таймер, причем выходы датчиков атмосферного давления и температуры воздуха подключены соответственно к первому и второму портам вычислителя, а запоминающее устройство, датчик движения и таймер подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому портам вычислителя, а алгоритм функционирования устройства реализует способ барометрического определения высоты, описанный выше.

Устройство содержит датчик атмосферного давления 1, датчик температуры воздуха 2, вычислитель 3, запоминающее устройство 4, датчик движения 5, таймер 6. Вычислитель 3 принимает значения величин атмосферного давления и температуры воздуха с датчиков 1 и 2, записывает значения величины атмосферного давления в запоминающее устройство 4, вычисляет величину средней скорости изменения атмосферного давления по формуле (1), вычисляет величину поправки к измеренному значению атмосферного давления в каждой точке маршрута по формуле (2), вычисляет высоту в каждой точке маршрута по формуле (3), обменивается информацией с бортовой центральной ЭВМ НПО (БЦВМ). Датчик движения 5 формирует сигнал "Движение" при движении НПО и сигнал "Стоянка" - во время остановки. Таймер 6 осуществляет отсчет времени.

Устройство функционирует следующим образом.

После того, как НПО установлен на начальной точке маршрута и на устройство подано электропитание, из БЦВМ в вычислитель 3 вводится высота начальной точки Но. Поскольку с датчика движения 5 в вычислитель 3 поступает сигнал "Стоянка" (НПО не движется), вычислитель 3 после ввода Но запускает таймер 6 на отсчет времени накопления данных и начинает записывать значения атмосферного давления в запоминающее устройство 4, начиная с первой ячейки. Как только НПО начинает движение, с датчика движения 5 в вычислитель 3 поступает сигнал "Движение", по получении которого вычислитель 3 останавливает таймер 6 и прекращает запись значений атмосферного давления в запоминающее устройство 4. Затем вычислитель 3 вычисляет величину средней скорости изменения атмосферного давления по формуле (1), при этом время t₀ считывается из таймера 6.

Далее вычислитель 3 запускает таймер 6 на отсчет времени, прошедшего с начала движения по маршруту, вычисляет в заданных точках маршрута поправку к измеренному значению атмосферного давления по формуле (2) и высоту по формуле (3), при этом время t_i при проведении вычислений по формуле (2) считывается из таймера 6.

Предлагаемое устройство для определения высоты, реализующее описанный выше способ барометрического определения высоты, позволяет:
- повысить точность определения высоты за счет компенсации скорости изменения атмосферного давления,
- снизить стоимость оборудования, т.к. для проведения измерений необходим только один комплект оборудования, размещаемый на НПО,
- обеспечить определение высоты в реальном масштабе времени непосредственно на борту НПО как в процессе движения, так и на стоянке.

Эффективность описанного способа определения высоты была проверена на борту подвижной лаборатории с помощью макета описанного устройства. Как показали результаты эксперимента, предлагаемый способ позволяет уменьшить погрешность определения высоты, определяемую изменением атмосферного давления во времени, на 2. . . 5 метров за 50 минут движения при времени измерения скорости изменения атмосферного давления 10 минут.

ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ 2104487, 14.06.95, G 01 C 5/06, БИ 4, 1998 г., стр. 353.

2. Авторское свидетельство РФ 1825980, 09.04.90, 5 G 01 C 5/06, БИ 25, 1993 г., стр. 59.

3. Авторское свидетельство СССР 1485049, 27.04.87, G 01 L 7/12, G 01 C 5/06, БИ 21, 1989 г., стр. 177.

Изобретения относятся к наземной навигационной технике и могут быть использованы для определения высоты в произвольной точке маршрута движения относительно начальной точки движения на борту автомобиля или другого наземного подвижного объекта при проведении геодезической, топографической и других видов съемки как во время движения, так и во время стоянки. Способ заключается в последовательном измерении на исходном и каждом промежуточном пунктах маршрута атмосферного давления и температуры воздуха, обработке результатов измерений с определением высоты в каждом промежуточном пункте маршрута. Перед началом движения наземного подвижного объекта во время стоянки на начальной точке маршрута в течение некоторого времени производят измерение атмосферного давления посредством датчика давления. Записывают полученные значения величины атмосферного давления в запоминающее устройство. При этом отрезок времени, в течение которого производят запись значений атмосферного давления, измеряют посредством таймера. С момента начала движения запись в запоминающее устройство прекращают. По записанным в запоминающее устройство значениям атмосферного давления вычисляют среднюю скорость изменения атмосферного давления, поправку к измеренному атмосферному давлению и высоту в каждой точке маршрута по соответствующим формулам. Определение поправки к измеренному значению атмосферного давления и высоты в каждой точке маршрута производят с помощью вычислителя непосредственно на борту наземного подвижного объекта в реальном масштабе времени и во время движения наземного подвижного объекта и во время стоянки. Устройство для измерения высоты содержит датчик атмосферного давления, датчик температуры воздуха, вычислитель, запоминающее устройство, датчик движения и таймер, которые соединены между собой соответствующим образом. Технический результат состоит в повышении точности определения высоты, снижении стоимости оборудования, получении информации о текущем значении высоты в реальном масштабе времени непосредственно на борту наземного подвижного объекта в процессе движения и на стоянке. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ барометрического определения высоты в произвольной точке маршрута движения наземного подвижного объекта относительно начальной точки маршрута, заключающийся в последовательном измерении на исходном и каждом промежуточном пунктах маршрута атмосферного давления посредством датчика давления и температуры воздуха посредством датчика температуры, обработку результатов измерений с определением высоты в каждом промежуточном пункте маршрута, отличающийся тем, что перед началом движения наземного подвижного объекта во время стоянки на начальной точке маршрута в течение некоторого времени производят непрерывное измерение атмосферного давления посредством датчика давления и записывают полученные значения величины атмосферного давления в запоминающее устройство, при этом отрезок времени, в течение которого производят запись значений атмосферного давления, измеряют посредством таймера, с момента начала движения запись в запоминающее устройство прекращают, по записанным в запоминающее устройство значениям атмосферного давления вычисляют среднюю скорость изменения атмосферного давления по формуле

где n - количество записанных в запоминающее устройство значений атмосферного давления, целое четное число;
V_p - средняя скорость изменения атмосферного давления, Па/с;
Р_u - значение атмосферного давления, Па, имеющее порядковый номер u= (n/2)+1;
P_n - значение атмосферного давления, имеющее порядковый номер n, Па;
P₁ - значение атмосферного давления, имеющее порядковый номер 1, Па;
P_k - значение атмосферного давления, Па, имеющее порядковый номер k=n/2;
t₀ - длительность записи значений атмосферного давления в запоминающее устройство, с,
определяют поправку к измеренному значению атмосферного давления в каждой точке маршрута по формуле
ΔР_i=-А•V_p•t_i,
где ΔР_i - поправка к измеренному значению атмосферного давления, Па;
А - коэффициент калибровки;
V_р - средняя скорость изменения атмосферного давления, Па/с;
t_i - отрезок времени от начала движения до момента достижения i-й точки маршрута, с,
при этом отрезок времени t_i измеряют посредством таймера, высоту в каждой точке маршрута определяют по формуле

где Н_i - высота в i-й точке маршрута, м;
Н₀ - известная высота в начальной точке маршрута, м;
T₀ - температура воздуха в начальной точке маршрута, ^oС;
T_i - температура воздуха в i-й точке маршрута, ^oС;
P₀ - атмосферное давление в начальной точке маршрута, Па;
Р_i - атмосферное давление в i-й точке маршрута, Па;
ΔP_i - поправка к измеренному значению атмосферного давления, Па,
а определение поправки к измеренному значению атмосферного давления и высоты в каждой точке маршрута производят с помощью вычислителя непосредственно на борту наземного подвижного объекта в реальном масштабе времени как во время движения наземного подвижного объекта, так и во время стоянки. 2. Устройство для измерения высоты в произвольной точке маршрута движения наземного подвижного объекта относительно начальной точки маршрута барометрическим способом, содержащее датчик атмосферного давления, датчик температуры воздуха, вычислитель, причем выходы датчиков атмосферного давления и температуры воздуха подключены соответственно к первому и второму портам вычислителя, отличающееся тем, что в него введены запоминающее устройство, датчик движения и таймер, причем запоминающее устройство, датчик движения и таймер подключены соответственно к третьему, четвертому и пятому портам вычислителя, а алгоритм функционирования устройства реализует способ барометрического определения высоты по п.1.