CC BY
75УДК 528
А.А. Шевченко, В.В. Заворотынская, Т.Р. Иналов
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫХ И ВЕРТИКАЛЬНЫХ УГЛОВ ЭЛЕКТРОННЫМ ТАХЕОМЕТРОМ
В данной работе приведены результаты исследований по измерению погрешностей горизонтальных и вертикальных углов электронным тахеометром, а также представлены методы и возможность последующего подбора наиболее подходящего по точности для данного вида работ электронного тахеометра.
Ключевые слова: электронный тахеометр, погрешности измерений, вертикальный угол, горизонтальный угол.
Электронный тахеометр - это кодовый теодолит, объединенный со светодальномером и микроЭВМ. С помощью электронного тахеометра в настоящее время достигается максимальная автоматизация полевых и камеральных работ. В полевых условиях позволяет автоматически регистрировать горизонтальные углы, углы наклона, зенитные расстояния, линейные расстояния, плановые и высотные координаты точек местности по результатам привязки к исходным пунктам, в том числе - координаты станции.
Одним из самых важных предназначений электронного тахеометра является измерение погрешности угловых величин. При выполнении данной задачи необходимо учитывать некоторые ошибки, которые оказывают различные факторы, их подразделяют на: ошибки из-за влияния окружающей среды, приборные ошибки, личные ошибки. Наиболее существенным источником ошибок в угловых измерениях является внешняя окружающая среда, это вызвано множеством явлений, которые связаны с состоянием, температурой и движением воздуха (рефракция, дрожание, мерцание и т.д.). Личные ошибки возникают из-за несовершенства самого тахеометра, к ним, например, относится систематическая ошибка визирования. Приборные ошибки - возникают из-за погрешностей изготовления деталей прибора, а также неточности его регулировки и юстировки. Угловая точность измерения электронных тахеометров выражается в секундах ("). В зависимости от поставленных задач необходимо использовать прибор с той или иной угловой точностью.
^«•шиьй ««мт ручю дг» трамэса
Рис. 1. Электронный тахометр
© Шевченко А.А., Заворотынская В.В., Иналов Т.Р., 2016.
В электронных тахеометрах одним из необходимых устройств является компенсатор. Благодаря ему прибор "прощает" ошибки установки тахеометра, геодезисту достаточно установить прибор таким образом, чтобы погрешность наклона осей попадала в диапазон действия компенсатора, это значительно упрощает процесс установки тахеометра, что значительно экономит время. Также, в процессе работы возможны "уходы" ножек штатива из-за проседания грунта, вибраций, неправильной установки, в современных тахеометрах компенсаторы уравновешивают влияние данных факторов. Суть работы компенсатора состоит в том, чтобы автоматически устанавливать и удерживать линию визирования и ось зрительной трубы в горизонтальном положении.
Угловая точность у электронных тахеометров может быть от 1" до 5" в зависимости от класса точности. Однако, наличие определенных угломерных погрешностей все же неизбежно [16,17]. Применяемые в геодезии электронные тахеометры имеют оптические системы, позволившие добиться сверх малых погрешностей. При измерении углов точность тахеометров уже достигла (0°00'00,5"), то есть всего пол угловой секунды.
Наименование параметра Значение для типа
Та 2 Та5 Та20
1 Допускаемая средняя квадратическая
погрешность измерения угла одним приемом, не более
горизонтального 2" 5" 20"
вертикального 3" 5" 20"
2 Диапазон измерений углов:
горизонтальных 0° - 360°
вертикальных От -45° до +45 О
Для определения и предотвращения возможных погрешностей горизонтальных и вертикальных углов, необходимо произвести учет систематической погрешности по результатам поверки геодезического прибора, а именно:
- Проверка устойчивости штатива и подставки.
- Проверка юстировки уровней и оптического центрира.
- Проверка наклона сетки нитей зрительной трубы.
- Проверка юстировки сетки нитей зрительной трубы.
- Поверка 2С и место нуля (поверки рекомендуется проводить после длительного транспортирования, до и после продолжительных периодов работы и при изменении температуры более чем на 10° С).
- Поверка значения частотной поправки дальномера.
- Поверка поправки дальномера.
- Проверка масштабной частоты дальномера
Для уверенности в надежности результатов, полученных с помощью электронного тахеометра, необходимо проводить исследования электронных тахеометров на предмет уменьшения погрешностей измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Для исследования приборов предлагается множество стационарных метрологических стендов. Авторы таких публикаций считают, что необходимо проводить исследования прямо на объекте, учитывая воздействие локальных факторов, которые влияют на точность полученных результатов. Многие существующие методики измерений не исключают влияние инструментальных погрешностей и не содержат полноценного контроля процесса измерений. В литературе практически не встречаются описания методик по исследованию погрешностей измерения горизонтальных и вертикальных углов электронными тахеометрами на объекте без стационарных коллиматоров.
М.В. Безматерных, С.П. Буюкян [14] пишут, что одним из важных требований при угломерных измерениях, помимо высокой точности в пределах долей угловой секунды, является требование автоматизации и увеличение оперативности и надежности измерений. Для решения ряда специальных задач был разработан в ФГУП «ГСПИ» Минатома РФ видео автоколлиматор ВАК 0,1. Видео автоколлиматор 21 содержит объектив и светоделительную куб-призму, склеенную с тест-маркой, кото-
рая подсвечивается полупроводниковым светодиодом, и ПЗС-матрицей с модулем электроники. Таким образом, в нем нет оптических компенсаторов и соответствующих электроприводов. Посред-ствам компьютерной обработки видеоизображения тест-марки в видеосигнале, производятся замеры в видео коллиматоре.
В [13] В.П. Солдатов, А.В. Белозеров предложили способ ослабления влияния угловых наклонов коллиматоров на точность его малых линейных перемещений. Авторы учли неравномерность яркости излучения коллиматора и размер его диафрагмы. В результате чего необходимо учесть максимально допустимый угол наклона коллиматора, заданную погрешность измерений, выбрать соответствующий излучатель, а также установить допуски на неравномерность распределения яркости диафрагмы коллиматора для обеспечения заданной точности. В работе [13] рассматривается возможность уменьшения влияния поворотов коллиматора на точность измерения угловых и линейных величин, таких как несовпадение осей вращения двух валов объектов, коллимационным способом.
В.П. Солдатов в работе [12] указывает способ повышения точности оптико-электронных фазовых двухкоординатных угломеров с барабанным анализатором изображения посредством установки в них призм Пехана. Им исследуются главные частные погрешности углов и представляются методы ослабления их влияния на результирующую погрешность.
Исследование погрешности измерений горизонтальных углов
В работе [1] Д.А. Гура провёл исследования электронного тахеометра. Он выяснил, что тахеометр Sokkia Set630R (6") (рис. 2) оказался с наиболее широким диапазоном доверительного интервала. Это свидетельствует о малой достоверности систематических погрешностей и значительных случайных погрешностях измерений. Максимальная амплитуда относится ко второй гармонике. Она составляет 1,0" для направлений и 1,9" для углов. Между тем, колебания отклонений от среднего составляет от -4 до +4".
Рис. 2. Погрешности ГУ (Sokkia SET630R(6"))
Так же в работе [1] результат исследований тахеометра Leica TS06power5" (рис. 3.) показал отсутствие систематических погрешностей при измерении горизонтальных углов. На графике максимальная амплитуда доверительного интервала составляет от -2" до +2", а линия средних отклонений лежит в пределах от -1" до +1" при том, что прибор заявлен со средним квадратическим отклонением горизонтального угла в пределах ±5".
4
|з
5 2
* 1 tu 1
Ч о
е-1 ё-2
5-*
с -5
---доверительный интервал погрешностей
S
30 60 90 120 150 180 210 240 270 ЗЛО 330 360 _Установка горизонтального круга, градусы_
Рис. 3. Погрешности (Leica TS06power(5"))
Сравнительную характеристику систем абсолютного отсчитывания направлений и анализ основных принципов их построений приводят М.М. Карсунская, Х.К. Ямбаев. Они приводят результаты исследования систематических погрешностей в системе отсчитывания горизонтальных углов тахеометра Elta 4. Путем анализа полных погрешностей с использованием функции автокоррекции определяются периоды отдельных слагающих синусоид систематических погрешностей датчика направлений, а затем результаты измерений аппроксимируются тригонометрическим полиномом. Авторы так же рассказывают о компьютерной программе обработки результатов измерений.
Исследование измерений погрешности вертикальных углов
Отсчет вертикальных углов ведется от вертикальной оси вращения прибора, если компенсатор угла наклона выключен. Это означает, что при углах наклона вертикальной оси превышающей приборную точность измерения вертикальных углов, значения последних будут содержать ошибки, которые невозможно исключить никакими методиками измерений. Чем больше отклонение вертикальной оси вращения прибора от отвесной линии, тем больше будут ошибки. Поэтому при выключенном компенсаторе необходимо постоянно следить за «пузырьком» электронного уровня, чтобы он находился в нуль-пункте уровня.
Метод исследования короткопериодической погрешности измерения вертикального угла позволяет определить короткопериодическую (внутришаговую) погрешность измерения(ВУ), так же может быть выявлена калибровочная характеристика.
В работе [11] С.В. Травкиным представлена разработка и исследование методик поверки и калибровки системы для измерения вертикальных углов на эталонном стенде и превышений. Так же в автореферате [11] он описывает технологии исследования короткопериодической погрешности измерения вертикальных углов геодезическими приборами и эталонный стенд.
Таким образом, проведённые исследования показали, что существуют электронные тахеометры не только практически не имеющие систематических погрешностей, но и тахеометры погрешности горизонтальных и вертикальных углов которых даже превосходят их паспортные средние квадрати-ческие погрешности. Следовательно, имеется необходимость в разработке методик геодезических измерений, исследований с целью повышения точности электронных тахеометров для данных видов работ.
Библиографический список
1. Гура Д.А. Разработка методов исследования электронных тахеометров в условиях производства для оценки и повышения точности измерения горизонтальных углов: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Краснодар, 2016. 24 с.
2. История проблемы исследования погрешностей измерений углоизмерительных приборов / Д.А. Гура, Ч.Н. Желтко, М.А. Пастухов, Г.Г. Шевченко // Известия Высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъёмка. М., 2013. С. 43-35.
3. Гура Д.А., Аветисян Г.Г., Желтко Ч.Н. Об исследованиях угломерных ошибок горизонтального круга электронных тахеометров разложением в ряды Фурье // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. 2011. № 4.С.3-6.
4. Гура Д.А., Желтко Ч.Н., Пастухов М.А., Шевченко Г.Г. Оценка погрешности измерения горизонтальных углов при геодезическом сопровождении высотного строительства // Региональные аспекты развития науки и образования в области архитектуры, строительства, землеустройства и кадастров в начале III тысячелетия. Комсомольск-на-Амуре, 2015. С. 389-394.
5. Никонов А.В. Исследование точности измерения расстояний электронными тахометрами в безотражательном режиме // Вестник СГУГиТ (Сибирского государственного университета геосистем и технологий). Новосибирск, 2015.
6. Желтко Ч.Н., Гура Д.А., Пастухов М.А., Шевченко Г.Г. Об исследованиях угломерных погрешностей электронных тахеометров: монография. Краснодар, 2016. 143 с.
7. Гура Д.А., Аветисян Г.Г., Желтко Ч.Н. Исследования упругих деформаций электронных тахеометров // Геодезия и картография. 2011. № 5. С. 10-12.
8. Грибкова Л.А., Максимова М.В., Морозов А.А. Методы определения угломерных погрешностей электронных тахометров // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. Краснодар, 2016. 187-195 с.
9. Определение погрешности геодезических приборов за неправильность формы цапф и боковое гнутие зрительной трубы / М.А. Пастухов, В.В. Денисенко, Д.А. Гура, Г.Г. Шевченко // Научные труды Кубанского государственного технологического университета. 2016. № 11. С. 155-171
10. Экспериментальные исследования погрешностей измерений горизонтальных углов электронными тахеометрами / Д.А. Гура, Ч.Н. Желтко, Г.Г. Шевченко, С.Г. Бердзенишвили // Метрология. 2014. №2. С. 17-20.
11. Травкин С.В. Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Моск. гос. ун-т геод. и картогр. М., 2007. 24 с.
12. Солдатов В.П. О повышении точности двухкоординатных оптико- электронных угломеров // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2002. № 3. С. 121-127
13. Белозеров А.В., Солдатов В.П. О возможности раздельной фотоэлек- трической регистрации линейных и угловых величин // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2007. № 4. С. 133-138.
14. Буюкян С.П., Безматерных М.В. Цифровой видеоколлиматор // Меж- дунар. науч. - техн. конф., по-свящ. 225-летию МИИГАиК. М.: Изд- во МГУГиК. 2004. С. 254-256.
15.URL: http://greleon.ru/geodpribory/litrapribory/324-taheometr-leica-tps400-uglovye-velichiny-gorizontalnoe-napravlenie-vertikalnyy-ugol.html (Дата обращения 16.11.2016).
16. Гура Т.А., Грибкова Л.А., Голотина Ю.И. Анализ возможностей работы с тахеометром Leica // Новый университет. Серия: Технические науки. 2016. № 6-7 (52-53). С. 11-14.
17. Гура Т.А., Бобух Д.Н. Сравнительная характеристика электронных тахеометров Sokkia, Nikon и Topcon // International innovation research: сборник статей победителей V Международной научно-практической конференции. Пенза, 2016. С. 170-175.
ШЕВЧЕНКО АЛЕКСЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ - ассистент кафедры кадастра и геоинженерии, Кубанский государственный технологический университет, Россия.
ЗАВОРОТЫНСКАЯ ВИКТОРИЯ ВЛАДИМИРОВНА - студент, Кубанский государственный технологический университет, Россия.
ИНАЛОВ ТИМУР РОМАНОВИЧ - студент, Кубанский государственный технологический университет, Россия.
