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無線電子工学および電気工学の百科事典 ジオトロニクス: 測地学のエレクトロニクス。 無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典
地表の測地測定により、多くの問題が解決されます。 まずは、さまざまな縮尺の地図の作成です。 しかしそれだけではありません: 測地学は、天文学、重力測定 (重力加速度を測定する科学)、地球物理学、その他の地球科学と組み合わせることで、惑星の幾何学的および地球物理学的パラメーターを決定し、回転速度の変動を研究し、極の動きを説明し、地殻の変形を研究し、工学構造の精密制御を実行します。 海洋測地学、応用測地学、宇宙 (衛星) 測地学などが別の分野として登場しましたが、いずれの場合も、測地測定自体は、距離、角度、標高 (点の高さの違い) という XNUMX つの幾何学量のみを決定することに帰着します。 。 これらの量は、特に応用測地学 (建設現場、地形をマーキングするとき) において、それ自体で役立ちますが、最も重要なのは、決定される点の座標を計算できることです。 座標は測量士だけでなく、船員、飛行士、軍人、さまざまな遠征隊の隊員などにも必要とされています。 半世紀前に遡ると、次のような状況がわかります。 距離は 20 メートルの鋼製テープを使用して測定され、測定ラインに沿って地面に連続して配置されます。また、正確な測定のために、吊り下げられた 24 メートルのインバー ワイヤを使用します。 （これは非常に時間のかかる作業でした！）高速測定には、純粋に幾何学的な原理、つまり底面が小さい非常に細長い（「視差的」）三角形の解法の使用に基づいて、光学距離計が使用されますが、このような距離計の精度は測定された線の長さの XNUMX 分の XNUMX を超えず、範囲は数百メートルです。 角度測定には、望遠鏡、水平および垂直測角円、および角度測定用の基準装置を備えた光学機械式ゴニオメーターであるセオドライトが使用されます。 最後に、過剰を判断するために、スポッティング スコープと正確なバブル レベルを組み合わせた水準器が使用されます。これにより、管の照準軸を厳密に水平位置にすることができます。 持ち込んだ後、観察者はポイントに垂直に設置された分割のあるXNUMXつのレールで読み取りを行い、その高さの差を決定する必要があります。 読み取り値の差から、必要な超過値が得られます。 したがって、当時のすべての測地機器はもっぱら光学機械機器でした。 この状況は50年代半ばまで続いた。 そして、測地計器の革命と呼んでも差し支えない時代が到来しました。測地学にエレクトロニクスが登場しました。 直線測定からその勝利の行進が始まり、その後角度測定に浸透し、さらに最近では最も保守的な分野である水準測量にまで浸透しました。 1960 年のレーザーの出現、マイクロエレクトロニクスの発展、そしてその後のコンピューター技術と衛星技術が大きな役割を果たしました。 測地学とエレクトロニクスの融合により、新しい概念であるジオトロニクスが形成されました。 今日のジオトロニクスとは何ですか? まず第一に、距離を測定するために巻尺やワイヤーの代わりに電磁波が使用されるため、実際の測定時間 (つまり、デバイスの設置時間を考慮しない) が (数日、数週間ではなく) 文字通り数秒に短縮されました。測定されたラインの長さに関係なく。 ここには主に XNUMX つのアプローチがあります。 XNUMX つ目は、たとえば点 A と点 B の間の距離は、A から B までの電磁波の伝播時間を測定し、それに伝播速度 v を乗じることによって得られるというものです。 (後者は c/n として求められます。c は真空中の光の速度であり、非常に正確に知られています。an は空気の屈折率で、温度、圧力、湿度の測定値から計算されます)。 この方法は、短パルスの形で電磁放射 (特に光) を使用する場合に特に便利です。 伝播時間 τ は次のように測定されます。点 A から発せられるパルスが電子時間カウンターをトリガーします。 点 B までの距離を移動し、戻ってくると (反射板は点 B にあります)、インパルスはカウンターを停止します。 したがって、２倍の伝播時間が測定される。 この方法はタイムまたはインパルスと呼ばれ、原則として光学範囲で使用されますが、実際にはインパルスレーダーとほとんど変わりません。 距離を測定する XNUMX 番目のアプローチは、巻尺の状況と非常によく似ています。巻尺の一種として、電磁振動 (連続放射による) の波長が作用し、XNUMX 倍の測定距離とその数に「組み込まれます」。敷設が決まります。 距離は、波長と位置の数の積の半分として得られます。 一般的な場合（テープで測定する場合も同様）、この数値は整数ではありません。N + ΔN に等しくなります。ここで、N は整数、ΔN は XNUMX 未満の端数です。 波長は、事前にわかっているか、発振周波数を測定することによって決定できます。 ΔN の小数部分は簡単に取得できます。これを行うには、発信振動と受信振動 (XNUMX 倍の距離を通過) の位相差を測定する必要があります。 しかし、整数 N の定義が主な問題です。 これは、いくつかの異なる波長で位相差を測定することで解決できます。 位相差を測定するため、この方法を位相と呼びます。 地上位相光および無線距離計では、放射波長ではなく、はるかに長い変調波長を使用して測定が行われます。 実際のところ、放射線自体の周波数は位相を決定するには高すぎるということです。 位相距離計を構築するための一般化されたスキームを図に示します。 1.
光源または電波は、Asin(ωt + φo) の形式の搬送波高調波振動を放出します。 ただし、放射前に、これらのパラメータの 2 つ (光距離計では通常、光の強度を決定する振幅 A、無線距離計では周波数 f = ω / 2π) が、特定の周波数の正弦波則に従って変調されます。 F、キャリア周波数 f よりもはるかに低い。 この周波数は、より長い「変調の波」に対応し、測定された距離に置かれた巻尺の役割を果たします。 この場合、規制の小数部分 ΔN = Δφ/0π であり、位相差 Δph は 2 ～ XNUMXπ の範囲にあり、位相計によって測定されます。 地上の位相距離計は、数センチメートルから数ミリメートルの誤差で最大数十キロメートルの距離を測定します。 パルス法は、測地学では原則として、スペクトルの可視領域、または多くの場合近赤外領域で光パルスを生成する強力なレーザー放射源を使用して光波長範囲で使用されます。 ただし、急峻なフロントを持つ短いパルスを形成するのが難しいため、この方法の精度は位相法の精度よりも低く、せいぜいデシメートルです。 したがって、パルスレーザー測距システムは、宇宙経路（地球の人工衛星や月まで）上の非常に長い距離を測定するために使用されますが、経路が長いため相対誤差は非常に小さくなります。 短距離 (数十メートル、数百メートル) の場合、最も正確なのは光干渉法であり、他の方法では達成できない精度 (最大 0,63 分の XNUMX ミリメートル (マイクロメートル)) でこれらの距離を測定できます。 これは、波長 λ = XNUMX μm のスペクトルの赤色領域で発光する低出力ヘリウム ネオン (He-Ne) レーザーを備えたレーザー干渉計を使用して実装されます。 干渉計は、光学分野で知られるマイケルソン方式に従って構築されています。レーザー放射は XNUMX つのビームに分割され、その XNUMX つは「参照」反射鏡を使用して光検出器に直接照射され、もう XNUMX つはある距離を通過した後に同じ光検出器に進みます。 「リモート」リフレクターに行って戻ってきます。 干渉パターンは、暗いバンドと明るいバンドのシステムの形で光検出器上に形成されますが、絞りを使用するとそのうちの XNUMX つのバンドのみを区別できます。 この方法では、測定ライン全体に沿って距離反射板を移動する必要があります。 反射板が光の波長の半分だけ移動すると、干渉縞が 2 縞分移動します。測定距離の始点から終点まで反射板を移動したときの縞を数えることで、この距離が得られます。位相距離計では、カウントされた縞の数 (数値 N) に λ/XNUMX を乗算します。 可動式リフレクターの場合、慎重に調整されたレール ガイドを構築し、強力なコンクリート サポートにしっかりと固定する必要があります。 したがって、レーザー干渉測定の範囲は、電子測地距離計を校正するための計量目的の固定マルチセクションベースの作成です。 電波天文学の進歩により、非常に長い基線電波干渉計 (VLBI) を作成することが可能になりました。 この望遠鏡は、非常に長い距離（最大数千キロ）離れた 1 つの電波望遠鏡 2 と 2 で構成されており（図 XNUMX）、同じクェーサー（銀河系外電波源）からのノイズ放射を受信します。
電波望遠鏡は、このノイズ信号を個別に（ビデオ レコーダーに）記録します。 両方の記録は同一ですが、クエーサーから電波望遠鏡までの距離の違いにより、ある値だけ時間的にずれています。 記録は相関器で結合され、ノイズ信号の相関関数を取得できるようになります。 それらの一方を s1(t)、もう一方を s2(t + τ) と書くと、相関関数 K12 = ここで、山括弧は、信号 s1 および s2 の最低周波数成分の周期よりもはるかに長い時間にわたる平均を意味します。 相関関数は τ = 1 で最大値を持ちます。したがって、相関器の出力で最大の出力信号が得られるまでレコードの 2 つをシフトすることにより、時間遅延を測定できます。 地球の自転により、クエーサーまでの距離の差 ΔS、つまり遅延 m = ΔS/v が周期的に変化するため、「干渉周波数」F が発生しますが、これも測定できます。 τ と F の測定値は、基底の長さ (電波望遠鏡間の距離) とクエーサーの方向を非常に高い精度で決定するために使用されます (それぞれ 0...2 cm と 3 インチ)。 電子技術により、角度測定の自動化も可能になりました。 電子セオドライトは、ガラス ディスク上の不透明なストロークまたはコード トラックのシステムとして記録された角度量を電気信号に変換する装置です。 ディスクは光線で照らされ、セオドライトが光検出器上で回転すると信号がバイナリ コードで生成され、デコード後、ディスプレイにデジタル形式で角度値が表示されます。 電子セオドライト、小型位相光距離計、およびマイクロコンピュータを単一の一体型またはモジュール型設計に組み合わせることで、電子トータル ステーションを作成することが可能になりました。これは、角度測定と直線測定の両方を、それらの結合の可能性で実行できるデバイスです。現場での加工。 このような機器の精度は、角度測定の場合は数秒角から 0,5 インチ、直線測定の場合は (5mm + 5mm / km) から (2mm + 2mm / km) の範囲であり、範囲は最大 2 ～ 5 km です。 。 最後に、平準化工事の進捗状況について簡単に触れておきます。 測地学へのレーザー技術の導入は、特に「レーザープレーン」レベリング方法 (レーザープレーンシステム) の開発につながりました。 垂直に配置された He-Ne レーザーの明るい赤色のビームが回転プリズムに当たり、水平面内にビーム掃引が作成されます。 これにより、レーザーから任意の方向に配置されたレール上の光点から読み取りを行うことができます。 光電表示により1mmオーダーの読み取り精度が得られます。 この方法は高速で、レールの数に制限がないため、多くの高地調査に便利です。 正確な水平調整のために、現在、コード化されたレール上で動作するデジタル水準器が設計されています。 このコードには、レール上の任意の場所の「ゼロ」を基準とした高さに関する情報が含まれています。 画像は電気信号に変換され、XNUMX 本のレールで作業する場合、その設置点間の余剰量が自動的に決定されます。 応用測地学における He-Ne レーザーの広範な応用についても言及しておきます。これは、レーザービームが物理的に実現された空間内のほぼ完全に真っ直ぐな基準線であり、機器の正確な設置中に測定が行われるという事実によるものです。建設など 過去 20 年間にわたり、測地測定における第 XNUMX の革命と呼ばれる、新たな質的飛躍がジオトロニクスにおいて起こりました。 これは、地球規模の衛星ナビゲーションと測地システムの構築です。 これらは根本的に新しい測定方法を実装していますが、これについては記事の後半で説明します。 全地球衛星システムの出現により、いつでも地球上の任意の地点の座標を決定できるようになりました。 同時に、基準時間スケールが参照され、移動物体の速度ベクトル（速度と移動方向）が決定されます。 これらすべてを合わせて、多くの場合「衛星測位」と呼ばれます。 現在、世界には米国の GPS (Global Positioning System) と国産の GLONASS (Global Navigation Satellite System) の XNUMX つの地球規模システムがあります。 これらは、移動する衛星までの距離の測定値から地上受信機の座標を計算する測距タイプのシステムであり、その瞬間座標は地上複合体の動作の結果として知られています。 受信機の位置は、測定されたすべての距離の交点 (直線交点) で取得されます。 信号が測定距離を前方と後方に XNUMX 回移動する地上測距とは対照的に、衛星システムでは、パスに沿って信号が XNUMX 回通過する非要求方式が使用されます。 信号は衛星から発信され、地上の受信機によって受信され、伝播時間 τ が決定されます。 衛星と受信機間の距離 p = vτ、ここで v は信号伝播の平均速度です。 衛星が時刻 t0 に信号を発信し、この信号が時刻 t0 + τ に受信機に到着するとします。m を決定する必要があります。これを行うには、衛星と受信機のクロックが互いに厳密に同期している必要があります。 衛星信号には、数秒ごとに送信されるタイムスタンプが含まれています。 ラベルは、衛星の時計によって決定される、衛星からの出発の瞬間を「記録」します。 受信機はタイムスタンプを「読み取り」、その時計に従って到着の瞬間を修正します。 タグが衛星を離れて受信アンテナに到着する瞬間の差が、望ましい時間間隔 τ です。 実際、クロック同期は尊重されません。 衛星は、10-12...10-13 の相対的な不安定性で周波数標準 (したがって時間) を設定します。 各受信機にそのような標準を設けることは不可能であり、10-8 程度の不安定性を持つ通常のクォーツ時計がそこに組み込まれます。 未知の値 Δh が表示されます。これは、衛星と受信機のクロック読み取り値の差であり、距離の決定結果を歪めます。 このため、測定から得られる範囲は擬似距離と呼ばれます。 それらがどのように座標を決定するかについては、以下で説明します。 GPS と GLONASS システムは 3 つのセクターで構成されています (図 XNUMX)。
宇宙セクターは衛星システムの集合であり、多くの場合「コンステレーション」または「軌道コンステレーション」と呼ばれます。 完全なコンステレーションは 24 個の衛星で構成されます。 GPS では、それらは 60° 回転した 120 つの軌道面に位置し、GLONASS では、20° 回転した 000 つの面に位置します。 ほぼすべての円軌道の高度は約 12 km、公転周期は XNUMX 時間近くです。 指揮制御部門には、追跡ステーション、正確な時刻サービス、コンピュータ センターを備えたメイン ステーション、衛星に情報をダウンロードするステーションが含まれます。 追跡ステーションは衛星の軌道暦 (軌道要素) を決定し、その座標を計算します。 情報はロードステーションによって衛星に送信され、その後受信機にブロードキャストされます。 ユーザー部門は、数に制限のない衛星受信機と、測定値を処理するためのカメラ複合体（野外観測後に実行される「後処理」）です。 衛星信号。 信号は 1 つの搬送周波数 L2 および L180 で衛星から発信されます。 これらは、位相シフト キーイング (PM)、つまりレンジング バイナリ コードで指定された時間で搬送波位相を 0 ° 変換する処理を受けます。 位相反転は、コード 1 から 1 または 0 から XNUMX の変化に対応します。 測距コードは、文字 (XNUMX と XNUMX) が交互に並んでいるために、その中のパターンに気づくことは不可能ですが、一定の時間間隔をおいて、各文字の精度で定期的に繰り返されます。 このようなプロセスは擬似ランダム シーケンス (PRS) と呼ばれ、擬似ランダム コードを形成します。 266,4 つのコードが使用されます。XNUMX つは「粗い」測定用で、もう XNUMX つは「細かい」測定用です。 それらは、繰り返し周期 (コードの長さ) が大きく異なります。 そのため、GPS では、C / A コード (粗い取得 - 簡単に検出可能、公的に入手可能という言葉から) と呼ばれる大まかなコードがミリ秒ごとに繰り返され、正確なコードの長さは P コード (精度 -正確)、XNUMX 日です。 P コードの合計期間は、システムのすべての衛星に分散される週ごとのセグメントに分割されます。つまり、各衛星の P コードは毎週変わります。 C/A コードはすべてのユーザーが利用できますが、P コードはもともとアクセスを許可されたユーザー (主に米軍) のみを対象としていました。 しかし現在では、ほぼすべてのユーザーの受信機が R コードにアクセスできるようになりました。 GLONASS システムでも状況は似ており、違いは名前のみです。大まかなコードは ST コード (標準精度) と呼ばれ、正確なコードは BT コード (高精度) と呼ばれます。 ただし、GPS と GLONASS の間には、コードの使用に関して根本的な違いがあります。 GPS では、同じキャリア周波数 L1 と L2 を持つ衛星ごとに C/A コードと P コードの両方が異なりますが、GLONASS では逆に、すべての衛星の ST コードと BT コードは同じですが、キャリア周波数が違います。 言い換えれば、GPS はコード分離を使用しますが、GLONASS は衛星信号の周波数分離を使用します。 ラフ コードは L1 キャリアによって操作され、ファイン コードは L1 キャリアと L2 キャリアの両方によって操作されます。 衛星信号には、タイムスタンプ、衛星の軌道暦に関するデータ、さまざまな補正値、アルマナック (システムの各衛星の位置に関するデータの集合) など、衛星から送信されるすべての情報が「埋め込まれ」、ナビゲーション メッセージが形成されます。また、両方の通信事業者によって操作されるバイナリ コードにも変換されます。 航法メッセージのシンボルの周波数は 50 Hz です。 GPS における衛星信号の形成の一般的なスキームを図に示します。 4.
最新の衛星受信機は、コード測定と位相測定と呼ばれる XNUMX つの主なモードで動作できます。 コード測定は、地心 (つまり、地球の質量中心を原点とする) 直交座標系の点 X、Y、Z の座標とコードのモードを直接決定できるため、絶対とも呼ばれます。測定はナビゲーションと呼ばれます。 コード測定では、大気中の遅延と相対クロック補正Δtchを含む、衛星から受信機までのPM信号の伝播時間が決定されます。 測定は相関法により行われます。 受信機では、衛星上とまったく同じ PSS が形成されます。 このローカル コードと衛星から受信した信号は相関器に供給され、ローカル コード シンボルが変化すると信号の位相が 180 度反転します。 衛星に対するローカル コードの遅延は、コードが完全に一致するまで強制的に変更されます。 この時点で、相関器の出力で操作が除去され、信号パワーが急激に増加します (相関関数の最大値に相当します)。 必要な遅延は信号の伝播時間に対応します。 この方法では、遅延はコードの持続時間 (繰り返し周期) 内でのみ測定できます。粗いコードの場合、遅延は 1ms です。 私たちが注目する伝播時間 tr はそれよりもずっと長いです。 1 ミリ秒で、電波は 300 km 進み、伝播時間のミリ秒数は距離のおおよその値によって決まります。距離は 150 km 以内であることが判明している必要があります。 正確なコードを使用する場合、その継続時間は伝播時間 τр よりも長いため、この問題は発生しません。 τр を決定し、それに真空中の光の速度を掛けると、関係 Р = р + cΔtaтм + cΔtch によって幾何学的距離 р に関連する擬似距離 Р が得られます。ここで、cΔtaтм は大気中での信号遅延です (これは次のようになります)。さまざまな精度で決定されます); c は真空中の光の速度です。 この比率では、未知数は p と Δtch です。 ただし、衛星と受信機の間の幾何学的距離 p は、衛星と受信機の座標で表すことができます。 衛星座標はナビゲーション メッセージからわかっているため、p には XNUMX つの未知の受信機座標 X、Y、Z が含まれており、P の方程式には実際には XNUMX つの未知数 (X、Y、Z、At、...) が含まれています。 最大 XNUMX つの衛星を同時に測定することにより、XNUMX つの未知数を含む XNUMX つの方程式系が得られ、その解から受信機の目的の座標が求められます。 Δtch の値の一定性を維持するには同時性が必要です。 コード測定の精度は、XNUMX 台の受信機を使用する差動方式を使用することで大幅に向上します。そのうちの XNUMX 台（ベース）は既知の座標を持つ点に設置され、P コードで継続的に動作します。 彼によって測定された擬似距離は、座標から計算された「基準」距離と比較されます。 結果として生じる差、または差分補正は、測定値を補正するために探査機に送信されます。 差分法では最大数デシメートルの精度が得られます。 位相測定は XNUMX つの受信機で実行され、受信機自体の座標ではなく、同じ名前のそれらの座標の差が決定される相対的な測定です。 位相測定モードは、コード測定ナビゲーション モードよりもはるかに高い精度を提供するため、測地と呼ばれます。 この場合、測定されるのは衛星から受信機までの信号伝播時間ではなく、この時間中の搬送周波数発振の位相シフトです。 ただし、測定からは、衛星 S から受信機 R までの距離で「進行する」位相シフトの合計 φSR = 2 N + Δφ を取得することはできず、その小数部分 Δφ (2π 未満) のみを取得できます。 完全な位相サイクルの未知の数 N は、衛星から受信機までの距離内に収まる整数の波長の数です。 距離が長く（20 km）、波長が短い（000 cm）ため、N は 20 億のオーダーであり、単位あたりの誤差は 100 cm の範囲の誤差を与えるため、正確に決定する必要があります。この問題を解決するために、ソフトウェアによって実行される測定結果の数学的処理が主な役割を担うものが開発されています。 位相測定から位相擬似距離が得られますが、Δtch の値の解釈は若干異なります。 コード測定中に衛星と受信機のクロックの非同期を反映している場合、位相測定中は衛星と受信機の基準発振器の非同期発振の結果であり、これを bf で示します。 もちろん、Δtch と δφ は互いに厳密に関係しています: δφ = 2πf ·Δtch。 δφを除外するには、XNUMX つの衛星で測定を実行すれば十分です。 δφ の値は、δφS - δφR (つまり、衛星と受信機の発電機の振動の初期位相の差) として表すことができます。 XNUMX つの衛星を XNUMX つの離間した受信機で同時に観測した場合、結果の差には観測された衛星の δφS の値が含まれません。 同じ受信機が XNUMX 番目の衛星を観測する場合、差にはこの XNUMX 番目の衛星の δφS の値が除外されます。 ここで差分の差、いわゆる XNUMX 番目の差を補うと、両方の受信機の δφR の値が除外されます。 XNUMX 番目の差分法は、高精度測地測定の主な方法です。 第 1 フェーズの擬似距離差には、2 つの衛星 12 と 12、および 13 つの受信機 A と B の座標が含まれています。これを P14 と表します。 点 A と点 B で XNUMX つの衛星の位相擬似距離の測定を実行すると、PXNUMX、PXNUMX、および PXNUMX の XNUMX つの独立した方程式を作成できます。この方程式では、点 A と点 B の同じ座標の XNUMX つの差が未知数として機能します。 -ХB)、(YА - YB)、(ZA - ZB)。 このような連立方程式を解くことで、底辺 AB の長さを求めることができます。また、受信機の XNUMX つが既知の座標を持つ点に配置されている場合 (実際にそうである)、XNUMX 番目の点の座標は簡単に見つかります。得られた差分から。 搬送周波数で位相測定を行うには、搬送周波数を符号変調から解放する必要があります。 これは、衛星からの信号を二乗する（それ自身で乗算する）ことによって達成され、その結果、180°の位相変化が360°の変化に変わります。つまり、位相キーイングが削除され、搬送波が（XNUMX倍の周波数で）復元されます。 。 位相測定では、センチメートル単位、場合によってはミリメートルレベルの精度が得られます。 記事の範囲では、多くの興味深い詳細を強調することはできませんが、読者が新しい現代科学、ジオトロニクスの成果についての一般的なアイデアを受け取ったことを願っています。 著者: A.N. ゴルベフ、博士。 技術。 科学、教授。 モスクワ国立測地学地図作成大学
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現代のラジオエレクトロニクスの成果を貫通しない人間の活動の領域に名前を付けるのは困難です。 最も古代の科学のXNUMXつである測地学、つまり「地球を測定する」科学も忘れてはいけません。
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