способ барометрического нивелирования
Классы МПК: | G01C5/06 с помощью барометрических устройств |
Автор(ы): | Шануров Геннадий Анатольевич, Глумов Виктор Павлович, Вольперт Марк Иосифович |
Патентообладатель(и): | Шануров Геннадий Анатольевич, Глумов Виктор Павлович, Вольперт Марк Иосифович |
Приоритеты: |
подача заявки:
1992-01-08 публикация патента:
20.02.1995 |
Использование: в области геодезии, в частности в способах создания высокого обоснования для обеспечения топографических, геологических и геофизических съемок. Изобретение позволяет повысить точность барометрического нивелирования. Сущность изобретения состоит в том, что в двух точках, превышение между которыми необходимо определить, измеряют температуру, давление воздуха и парциальное давление водяных паров. Затем из измеренного полного давления воздуха вычитают для каждой станции парциальное давление водяных паров, величина которого является случайной функцией времени и места измерений. Превышение же вычисляют по любой известной барометрической формуле, где влажность в данном случае будет равна нулю. Для повышения точности метеопараметры измеряют на одинаковой высоте над станцией, одновременно измеряют ускорение силы тяжести.
Формула изобретения
СПОСОБ БАРОМЕТРИЧЕСКОГО НИВЕЛИРОВАНИЯ, при котором измеряют на двух станциях полное давление воздуха, на первой станции дополнительно измеряют температуру воздуха и парциальное давление водяных паров и по полученным данным с учетом барического коэффициента определяют превышение между первой и второй станциями, отличающийся тем, что дополнительно измеряют ускорение силы тяжести на первой и второй станциях, температуру и парциальное давление на второй станции, причем парциальное давление и температуру на первой и второй станциях измеряют на одинаковой высоте над центрами станций, производят уточнение барического коэффициента с учетом измеренных значений ускорения силы тяжести, а перед определением превышения, полное давление воздуха на первой и второй станциях уменьшают на величину, соответствующую парциальному давлению водяных паров.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к геодезии, в частности к способам создания высотного обоснования для обеспечения топографических, геологических и геофизических съемок. Известен способ барометрического нивелирования, заключающийся в том, что на обеих станциях измеряют полное давление воздуха Р1 и Р2, кроме того, на первой станции измеряют температуру воздуха t1 и парциальное давление водяных паров l1. По этим данным вычисляют превышение h между станциями. Для этого используют барометрическую формулуh= K





Р - среднее значение давления;
l - среднее значение парциального давления водяных паров оценивается величиной l1. Для вычисления превышения можно также использовать формулу Бабине
h =


P2 = P1 exp(-


g - ускорение силы тяжести;
Р - универсальная газовая постоянная;
Т - температура воздуха (в кельвинах);
h - искомое превышение, т.е. разность высот станций 1 и 2. Эта формула справедлива, если давление меняется с высотой закономерно без каких-либо случайных отклонений. Вместе с тем известно (3), что влажность воздуха или, точнее, парциальное давление водяных паров l меняется с высотой случайно. Следовательно, полное давление воздуха Р, которое складывается из парциального давления сухого воздуха Рс и парциального давления водяных паров l
P = Pc + l, (4)
также отчасти имеет случайный характер: сухая компонента Рс меняется с высотой строго в соответствии с формулой (3), а влажная l - случайным образом. Если теперь на каждой станции из измеренного полного давления вычесть парциальное давление водяных паров, то получим парциальное давление сухой компоненты воздуха:
Pc = P-l. (5)
Эта операция позволяет исключить из результатов измерений влияние водяных паров, носящее случайный характер, и вместо отношения давлений Р1/Р2 в формуле (1) или разности (Р1-Р2) в формуле (2) использовать соответственно отношение давлений сухих компонент Рс1/Рс2 или их разность (Рс1-Рс2). При выполнении измерений микробаронивелиры располагают на уровне центра пункта, т.е. устанавливают на землю. Температуру и влажность воздуха измеряют психрометром, подвешенным на некоторой высоте над поверхностью земли. Таким образом, метеопараметры измеряют на разных высотах над центром пункта, что в целом искажает значение превышения. Опускать психрометр на уровень микробаронивелира нецелесообразно. В этом случае он попал бы в область резких перепадов температур близ поверхности земли и ошибка превышения лишь увеличилась бы. Как известно, приземной слой, в котором имеют место большие температурные градиенты, простирается до высоты 1,5 м, поэтому для исключения влияния указанного источника ошибок целесообразно измерять метеопараметры, в том числе и давление, на некоторой высоте над поверхностью земли. Практически это означает установку микробаронивелира на штатив высотой порядка 1,5 м. На той же высоте подвешивается и психрометр. Высоту метеоприборов над центрами обоих пунктов измеряют и разность высот учитывают при вычислении превышения. Известные формулы для вычисления превышений в барометрическом нивелировании отличаются значениями барического коэффициента Бабине - 15985 и 16043, в формуле (1) - 18405. Эти различия определяются рядом факторов как систематического, так и случайного характера. Можно видеть, что величина барического коэффициента зависит от силы тяжести и от плотности воздуха. В свою очередь сила тяжести определяется широтой места (систематическая часть) и распределением масс в теле Земли (случайная часть). Плотность воздуха зависит от наличия в нем примесей - случайный фактор. Из сказанного следует, что барический коэффициент К является сложной функцией времени и места наблюдений, эта функция содержит как систематическую компоненту, так и случайную. Поэтому, чтобы повысить точность барометрического нивелирования, целесообразно определять (уточнять) значение барического коэффициента для данного района и именно для того периода, когда эти работы выполняются. Сила тяжести в реальном поле заменяется нормальной силой тяжести. Вместе с тем известно, что различия между реальной и нормальной силой тяжести в некоторых областях земной поверхности велики и это существенно искажает - за счет влияния гравитационных аномалий - значение барического коэффициента. Для исключения влияния этого источника ошибок целесообразно одновременно с барометрическим нивелированием выполнять измерения ускорения силы тяжести. Практически это означает одновременную работу с микробаронивелиром и гравиметром. Измерив ускорение силы тяжести, можно уточнить значение барического коэффициента. Получив же в результате этого уточненное значение превышения, а следовательно, и высоты пункта, можно с большей точностью вычислить, например, аномалию силы тяжести в свободном воздухе или аномалию Буге. Другой подход к уточнению барического коэффициента состоит в следующем. Пусть требуется методом барометрического нивелирования определить отметки точек участка местности, на которой имеется и пункт с известной высотой - репер нивелирной сети. Пусть кроме того, на участке имеется еще один пункт, высота которого известна или измерена с ошибкой, гораздо меньшей ошибки известных способов барометрического нивелирования, например 1-5 см. Это можно сделать геометрическим или тригонометрическим нивелированием, либо использовать еще один пункт геодезической сети, созданной ранее. В любом случае превышение ho между исходными пунктами можно считать величиной известной безошибочно и, используя формулы (1) или (2), получить уточненное значение барического коэффициента
Ko =

или для способа Бабине
K1o =

Уточненное значение барического коэффициента подставляют затем в соответствующую формулу для вычисления превышений и определяют отметки всех остальных точек участка. Лучше всего (хотя и не обязательно), чтобы в качестве исходных точек использовались самая низкая и самая высокая точки участка. Нельзя использовать точки, отметки которых равны или примерно равны. Теоретические оценки и результаты выполненных нами экспериментов показывают, что заявленный способ позволяет существенно повысить точность барометрического нивелирования. Известные способы позволяют определить превышение с ошибкой порядка 1 м. Действительно, пусть парциальное давление водяных паров на двух станциях различается всего на 1 мм рт.ст. Такие и большие различия встречаются, даже если расстояние между станциями всего несколько сотен метров. Нетрудно подсчитать, что в этом случае превышение будет искажено примерно на 10 м. Выполненные нами экспериментальные измерения на реперах, отметки которых отличались на 20-40 м, показали, что заявленный способ имеет ошибку 10-20 см.
Класс G01C5/06 с помощью барометрических устройств