Одна из важнейших задач метрологии состоит в разработке методов и средств измерений. Специфика геодезической метрологии заключается в том, что практически весь комплекс работ по созданию новых и исследованию существующих средств геодезических измерений выполняется в лабораторных условиях, в то время как все геодезические задачи (здесь не будем говорить о специальных задачах) решают в открытом пространстве, в условиях реальной атмосферы. Отмеченная особенность геодезической метрологии закономерно подводит нас к разговору о существовании геодезической метрологии в двух пространствах, одно из которых — «закрытое» (лабораторное) пространство, второе — «открытое» пространство — назовем «геодезическим». Под «геодезическим» пространством будем понимать атмосферу в целом и ее приземный слой (ПСА) в частности. В приземном слое атмосферы выполняется большая часть геодезических измерений, его отличает наибольшая изменчивость и непредсказуемость.
Разработка методов геодезических измерений полностью ориентирована на открытое пространство. Разработка средств геодезических измерений предполагает обязательный выход в открытое пространство. Точность измерений в реальной атмосфере в значительной мере зависит от внешних условий, которые не только искажают результаты измерений, но и служат источником ложной информации о геодезическом приборе и его возможностях. Сказанное позволяет говорить о необходимости разработки двухпространственного метрологического обеспечения геодезического производства и двух задачах, стоящих в этой связи перед исследователями:
- разработка методики учета влияния атмосферы на результаты исследования и эталонирования геодезических приборов;
- разработка методики учета влияния атмосферы на результаты геодезических измерений.
Обе методики должны быть ориентированы на современные средства геодезических измерений — электронные тахеометры, сканеры, лазерные нивелиры, лазерные построители плоскости и т.п., которые отличает высокая точность, универсальный характер, высокий уровень автоматизации. Все современные средства геодезических измерений используют электромагнитное излучение, объектом измерений служат длина и направление траектории распространения излучения. Точность электромагнитных измерений в значительной мере зависит от точности определения показателя преломления слоя воздуха, в котором выполняют измерения. Во всех современных свето- и радиодальномерных приборах предусмотрена возможность коррекции установленного по умолчанию значения показателя преломления за отличие реальных температуры, давления и влажности от их стандартных значений. Во многих приборах вмонтированы метеорологические датчики, которые позволяют при наличии соответствующего программного обеспечения автоматически вводить поправку за реальное состояние атмосферы. Однако на неоднородных и (или) протяженных трассах, при высоких требованиях к точности этих мер будет недостаточно. Остаточное влияние атмосферы может на порядок превосходить приборную погрешность современных геодезических приборов.
Результаты измерения вертикальных углов электронным тахеометром корректируют с помощью коэффициента рефракции. Как правило, он принят равным 0,13. Реальный диапазон изменения коэффициента рефракции от –6 до +6, и его значение, равное +0,13, в ряде случаев может только усугубить проблему. Для двух расположенных рядом трасс на один момент времени угол вертикальной рефракции может составлять +10 и –60′′. Современное программное обеспечение электронных тахеометров позволяет корректировать коэффициент рефракции в пределах от –1 до +1. Вопрос эффективного (с требуемой точностью и с минимальными затратами) определения коэффициента рефракции остается открытым.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что проблему учета влияния атмосферы на результаты измерения расстояний и вертикальных углов ни в коем случае нельзя считать решенной. Принимаемых мер недостаточно для исключения влияния атмосферы, ее остаточное влияние в ряде случаев может превысить как требования к точности, выдвигаемые при решении ряда практических задач, так и приборную погрешность современных геодезических приборов, что не позволяет в полной мере реализовать их потенциальные возможности. Для повышения точности линейных измерений необходимо знать значение показателя преломления или поправку за его отличие от значения, установленного по умолчанию.
Для повышения точности измерения вертикальных углов необходимо знать значение вертикального градиента показателя преломления или его функции — коэффициента рефракции. В случае однородной трассы значения показателя преломления и его градиента достаточно определить в одном пункте (в точке стояния прибора). При выраженной неоднородности следует определять результирующие для трассы значения, которые могут заметно отличаться от точечных значений. Измерения метеоэлементов, выполненные в многочисленных пунктах вдоль траектории позволят определить результирующие значения показателя преломления и угла рефракции, близкие к их истинным значениям, но значительно повысят трудоемкость определения поправок за влияние атмосферы. И хотя с учетом значительной изменчивости ПСА полный отказ от измерения параметров атмосферы недопустим, количество измерений, их объем должны быть адекватными получаемой отдаче по точности.
Встает вопрос оптимальной организации измерений по определению поправок за влияние атмосферы. Необходим наглядный критерий неоднородности трассы, который позволит однозначно решить вопрос о степени ее неоднородности. В качестве такого критерия можно использовать изменчивость факторов, формирующих пространственное распределение метеоэлементов и показателя преломления. Набор формирующих факторов можно свести к минимуму, если отталкиваться от дальности действия современных геодезических приборов. Для их основной массы дальность действия составляет от нескольких десятков метров до нескольких километров. На таких расстояниях сколько-нибудь заметно могут измениться только микромасштабные факторы формирования местных метеорологических полей. Обобщить местные факторы можно одним понятием — тип подстилающей поверхности. Изменение типа подстилающей поверхности вдоль трассы служит сигналом неоднородности воздушного слоя. Изменение типа подстилающей поверхности приводит к изменениям показателя преломления в горизонтальной плоскости. Изменение высоты визирного луча над подстилающей поверхностью приводит к его изменению по вертикали.
Таким образом, для трассы, проходящей над однородной подстилающей поверхностью, измерения параметров атмосферы достаточно выполнить в одном пункте на средней высоте визирного луча. В тех случаях, когда измерения на высоте визирного луча невозможны, и (или) трассу отличает выраженная неоднородность, упростить задачу позволяет предложенная комплексная методика учета влияния атмосферы. Составной частью в разработанную методику входит «геодезическая» модель ПСА, которую можно использовать для редуцирования параметров атмосферы с высоты измерений на среднюю высоту визирного луча, а также для сокращения объема измерений при выраженной неоднородности трассы и в случае большого числа рабочих трасс разного характера в районе выполнения геодезических работ. Методика рассчитана на учет пространственной изменчивости состояния атмосферы в пределах местных полей показателя преломления, что сужает область ее применения до района геодезических работ, размеры которого не превышают десятков километров.
При использовании комплексной методики измерения параметров атмосферы выполняют в одном-двух пунктах в районе работ. Эти пункты располагают над двумя крайними по своим микроклиматическим свойствам поверхностями. Параметры атмосферы для двух крайних поверхностей определяют метеорологическим или геодезическим способом. При использовании метеорологического способа над крайними поверхностями измеряют температуру, давление и влажность воздуха на нескольких уровнях. Измерения на одном уровне позволяют определить фактический показатель преломления, измерения на втором уровне необходимы для получения фактического вертикального градиента показателя преломления, дополнительное измерение одного из метеоэлементов (например — температуры) на третьем уровне дает представление об изменении вертикального градиента с высотой.
При использовании геодезического способа показатель преломления и его градиент определяют по результатам линейных и угловых измерений на заранее подготовленных (эталонных) трассах, расположенных над крайними по своим микроклиматическим свойствам поверхностями. Предварительная подготовка эталонных трасс состоит в определении их длины и угла наклона с требуемой точностью. Геодезический способ более трудоемкий и точный. Его использование оправдано при высоких требованиях к точности и большом объеме геодезических измерений в данном районе работ. Значения показателя преломления и его градиента для прочих (промежуточных) поверхностей вычисляют с помощью переходных коэффициентов.