定向测量-经纬仪同步对向观测技术

测绘信息网摘要：为了解决工业设备高精定向测量问题，诸如：实验室内北向基准建立和子午线标定、惯导测试设备引北，以及转台轴向定向、精度测试、零位置偏差、和射频天线定向、发射场定向等问题，笔者提出了经纬仪（或全站仪）同步对向观测方法，并被我国大地天文测量规范中所采用。此方法多次在设备精密定向测量项目中得到成功运用。实测结果表明，此方法是实现高精定向非常有效实用的方法；基本消除了对中误差、调焦误差、十字丝偏差对定向误差的影响。笔者提出的高精度定向方法，亦可应用于高精度隧道和矿井贯通测量。关键词：同步对向观测法定向测量北向基准测定子午线标定设备引北工业测量1引言所谓定向测量，就是测定目标方向的方位角，包括方位的传递。方位有相对的，也有要求相对于真北的绝对方位。对于设备定向，诸如：惯性导航试验设备、隧道挖掘盾构设备、钻探设备等，简单的说就是测定和放样设备目标面的法线方向的方位角。常规测量技术常常用于测量目标点的地理坐标，对于方向则通过两个点的坐标来计算。而测量工业设备的方向，则因为场地和设备参考面的限制，缺乏有效的高精度的测量方法。为了检测设备，一般需要在室内建立一个方位基准，基准精度常常要求高达角秒级。工业设备，诸如：惯导设备测试转台，常常位于室内，把方位传递到室内，如果测量仪器对中误差哪怕只有0.1mm，则5m的室内距离内引起方向误差高达4″。即便采用强制对中措施，这样需要埋设仪器观测台，既费工，也存在对中误差，而且传统观测办法在试验室内短距离内还存在相当大的调焦误差。我国军用天文测量规范[1]附加了子午线标定的一种定向方法，并规定了把经纬仪作为准直平行光管目标观测的方法，这是一种双台经纬仪非实时同步的对向观测方法，尚存在一定缺陷：1)在几个测回观测过程中，用一个盘位的经纬仪作准直光管目标，目标的气象误差和十字丝偏差影响很大；2)观测了多个测回后仍需要按平均读盘位置再照准，失去了多测回观测意义；3)由于方位传递角度是独立观测的，另外存在粗差时，不容易被发现，故此不能有效评定和检验方位传递最终目标的方向精度。笔者在制定大地天文测量规范[2]国家标准时，对高精度定向技术进行了研究，通过主持完成的子午线标定项目[3]，把所研究的双台经纬仪高精度同步对向观测技术应用于室内子午线标定，并纳入了大地天文测量规范国家标准。国防工业设备定向方面，诸如：惯性导航设备需要建立室内北向基准，惯导试验转台的零方向或轴向需要指向一定的方向；射频仿真试验室的天线（高达几百和上千个）需要分布在球形阵面上，并要求指向球心，有些需要真北方位，球心转台零方向需要对准球形阵面零位置；惯导试验产品需要确定真北方向；惯导试验转台需要检测转动的精度；导弹和航天器发射需要精密定位和定向。随着我国国防及载人航天航空事业的发展，迫切需要高精度的定向测量技术支持。随着隧道挖掘机的出现，隧道开挖段有时超过规范距离，近年来，在我国出现了超过20km单向贯通的特长水利隧道开挖段，超出了标准的要求，这对于隧道控制网建立、贯通测量精度提出了很高要求；矿井隧道通常很长，传统的贯通测量常常需要加测陀螺方位，以控制方向误差；而采用陀螺定向的联系测量速度慢、设备昂贵、可靠性常常无法检验。应用经纬仪同步对向观测技术，可以提高方向精度，从而可有条件地取消陀螺方向控制。2同步对向观测方法2.1基本原理和方法利于平行光管原理，把经纬仪（或全站仪，下同）对无穷远调焦，以照亮的经纬仪十字丝作为观测目标，两台经纬仪分别在盘左右位置实时同步进行互相照准观测读数。此法优点是：当观测一个夹角时可控制两个方向目标成像在无穷远，无需调焦，因此不含调焦误差；由于分别度盘左右观测，所以可以基本消除十字丝偏差影响。.此方法过程中应注意一下几点：a)起始和最终目标最好采用平面镜，采用野外观测标志时，尽量使调焦在无穷远处；b)事先通过调焦观察，尽量使两台仪器对准望远镜中心区域，以避免两台仪器对准望远镜边缘时，测绘信息网使得两台仪器相互对无穷远照准产生的平行视准线发生畸变；c)一个角度半测回观测过程中，不得调焦，以便消除调焦误差；d)一方对准好对方十字丝时，意味着另一方也已对准好，因此一方可提前设置度盘和望远镜等待另一方照准观测并读数，以便加快观测速度；e)最好采用准直经纬仪，采用非准直经纬仪时，要采用施加光源措施；f)要选用对向照准时望远镜无穷远成像质量好的仪器，注意个别类型仪器对向观测十字丝成像不在无穷远附近。2.2高精度方向传递联测方法如图1所示：把方向XA的方位角高精度传递到YB，或更远，可采用同步对向观测法进行高精度方位角联测，其观测过程如下：a)两台经纬仪在盘左位置分别观测各自平面镜；b)两台经纬仪在盘左位置对向观测；c)两台经纬仪在盘右位置分别观测各自平面镜；d)室内两台经纬仪在盘右位置对向观测；e)重复a)~d)步骤连续观测N个测回。错误!图1：经纬仪方向传递同步对向观测示意图如图2所示为双台经纬仪同步对向观测时的视线示意图，其中X1Y3方向为X台仪器对准Y台仪器十字丝无穷远成像方向，X1Y2方向为Y台仪器望远镜中心无穷远成像方向，反方向也一样。图2：经纬仪同步对向观测时的视线示意图设盘左的观测值为L，盘左的观测值为R、照准的十字丝偏差为，并忽略其2C影响，则：1802180R-RL-L2180RRLaLXAYBXYXBXYXBAYXYYXY测绘信息网对于多测站的方位传递测量的方位角计算和导线测量计算机基本类似。另外对于根据方位基准对实验室的转台和产品的定向也是类似的。应当指出对于大地和天文方位角传递测量，应顾及子午线收敛角改正，这样必须概略测定导线边长，以便改正。3典型应用3.1室内定向基准测定为了惯导产品和检测设备定向，往往需要在室内建立高精度方位或子午方向基准，常用测量方法是采用北极星任意时角法测定天文方位角，也就是通过观测任意时刻的北极星的水平度盘位置并记录观测时刻，来测定被测方向的天文方位角。如图3所示，可利用两台经纬仪进行同步对向观测方法，把室外测定的天文方位实时传递到室内基准台上的平面镜面法向方向。图3天文定向观测示意图实测中可采用如下程序：a)室内经纬仪在盘左观测平面镜b)在盘左位置上室内外经纬仪相互对准观测；c)在盘左位置上，观测北极星并记录时刻；d)继续在盘左位置上观测北极星并记录时刻；e)继续在盘左位置上观测室内经纬仪；f)换盘右位置上室内外经纬仪相互对准观测；g)然后在盘右位置上，观测北极星并记录时刻；h)继续在盘右位置上观测北极星并记录时刻；i)继续在盘右位置上观测室内经纬仪；j)室内经纬仪在盘右位置观测平面镜；k)转入a)，重复N测回。3.2转台零位置测定如图4所示：射频阵列实验室的转台水平度盘零位置方向一般需要对准射频阵面设施中心零位置，因此首先需要测定其差值。利用分别设置在转台中心和地面的两台经纬仪进行对向观测，测定方位点到地面准值经纬仪的角度，以及地面准值经纬仪到转台中心方向和转台产品安装面的法方向的角度，从而可确定转台零位置的阵面方位。测绘信息网转台零位置测定示意图具体的测试过程如下：1)在分别在转台中心和转台旁边的坚实地面上安置经纬仪；2)分别在度盘左右位置观测已知方位点和地面经纬仪方向；3)在地面经纬仪上分别在盘左右位置观测转台中心经纬仪方向；4)卸下转台中心的经纬仪，把转台转到面向地面经纬仪方向，并把转台产品安装面法向对准地面经纬仪；5)在产品安装面3-4个位置上放置镜面，利用准直原理，在地面经纬仪观测镜面法向；6)计算转台零位置的方位角。转台零位置的阵面方位角按下式计算：ZZFFALLLLAA)()(12式中：A─转台零位置的方位角；FA─方位点的阵面方位角；FL─方位点的度盘位置观测值；1L─中心经纬仪方向的度盘观测值；2L─地面准直经纬仪方向的度盘观测值；ZL─转台产品安装面法向的度盘位置观测值；ZA─准直方向的转台水平方位。4实测结果多年来，笔者承接了多家单位的北向基准建立、子午线标定、射频天线定向安装测试、转台置换和定向及转动精度检测项目，成功地运用了双台经纬仪高精度同步对向观测相对定向方法，配合天文方位角和GPS结合的绝对定向方法以及纯GPS绝对定向方法，顺利地完成了多类型高精度定向项目。在室内超短距离上克服了对中误差、调焦误差、十字丝偏差，使得建立的室内北向基准精度可高达0.5″（方向经两站传递多测回结果算得的中误差）。另外通过复测也发现有的单位所建的旧子午线因没有采用有效的方向传递方法致使精度非常低。这里给出几个有代表性的运用双台经纬仪高精度同步对向观测方法进行定向的实测结果。测绘信息网、2所示为天文方位基准的实测结果。室内天文方位测定结果表1测回观测方位角°’”传递水平角°’”镜面方位角°’”备注13175626.8440302.315929.1时间段123175629.1440302.815931.933175629.3440302.815932.143175628.6440302.315930.953175631.2440301.515932.763180537.4435350.815928.2时间段273180540.3435351.115931.483180538.9435352.615931.593180539.0435351.615930.6103180539.7435351.215930.9113180538.3435351.615929.9123180537.6435350.715928.3平均值顾及子午线收敛改正后15930.615930.9镜面法向一测回中误差±1.47″测量结果中误差±0.42″一年后的复测结果测回观测方位角°’”传递水平角°’”镜面方位角°’”备注13153337.0462554.015931.0时间段123153338.6462552.615931.233153340.4462552.815933.243153340.1462551.715931.853153336.3462551.415927.763153339.7462551.415931.173153343.4462549.915933.183153339.4462548.415927.893160851.2455040.215931.4时间段2103160850.0455042.415932.4113160849.3455042.615931.9123160850.3455042.015932.3平均值顾及子午线收敛改正后15931.215931.5镜面法向一测回中误差±1.78测量结果中误差±0.51注：采用仪器LaicaTM51100A、TD5005A，室外天文观测环境。测绘信息网测回观测方位角°’”传递水平角°’”镜面方位角°’”备注11634459.6154814.453593314.05时间段121634454.9154813.653593308.5531634452.0154816.603593308.6041634458.0154813.553593311.5551634459.7154809.403593309.1061634501.6154811.103593312.7071634458.3154813.503593311.8081634501.0154813.4535933144591634452.8154815.253593308.05101634444.3154827.503593311.80111634924.3154349.903593314.20时间段2121634915.7154354.703593310.40131634916.115