CN102435140A - 一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法，通过激光跟踪仪自带水平仪找正大地水平，得到跟踪仪所在地水平面，再通过高精度经纬仪找出正“北”方位，用调整好的经纬仪测量按照一定要求安放的四个靶球的水平角，通过跟踪仪测量四个靶球并将其投影到水平面内，得到水平面内四点之间的相互位置关系，通过计算可得到相应靶球投影点连线与正北方向的水平夹角。最后，使用跟踪仪软件，以相应靶球投影点连线方向和水平面法矢方向为坐标轴，建立坐标系（原点按要求给定），并绕水平面法矢方向旋转水平夹角大小角度，最终得到所需的地理坐标系。使激光跟踪仪具备建立地理坐标系的功能，该方法也可应用其他需要建立地理坐标系的情况。

Description

一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法
技术领域
本发明涉及工业数字测量领域，是一种构建地理坐标系的方法，特别是一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法。
背景技术
地理坐标系，也可称为真实世界的坐标系，是用于确定物体在地球上位置的坐标系。最常用的地理坐标系是经纬度坐标系：以地球的经度和纬度为坐标轴，经度为东西方向，纬度为南北方向。这种坐标系也广泛用于工业数字测量领域。
地理坐标系包含六个基本要素，可由经纬度及右手坐标系原则确定的法矢方向为三个坐标轴，这样确定了坐标系的方向，可满足角度测量的任务。如需测量距离，则需确定具体的坐标系位置，即需要得到确定的坐标原点，通常坐标原点根据五四坐标系原则用GPS等相关设备确定。
工业数字测量中，坐标系的建立有很多方法，包括3-2-1方法、一面两销方法、空间最佳拟合方法等，这些方法虽然具体建系过程不同，但都需要以直接或间接的点、线、面这些基本要素为基础。工业测量中要建立地理坐标系，必须得到以这些基本元素表示的地理坐标系的经纬度方向及坐标原点，但是大多工业数字测量用高精度测量仪器并不具备得到经纬度方向的能力。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的在于提出一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法，本方法是一种通过结合使用激光跟踪仪（自带水平仪）和经纬仪，快速高精度地建立地理坐标系的方法，满足高精度工业测量需求。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法，采用一台激光跟踪仪和一台经纬仪建立地理坐标系，步骤为：
1）首先调节所述经纬仪的水平方向和竖直方向，找到正北方向，并将所述经纬仪置零；
2）调节所述激光跟踪仪，通过其自带的水平仪，使其找正水平面，通过所述激光跟踪仪软件可得到此时所述激光跟踪仪所在水平面及其相对于地心的法矢方向，即所述激光跟踪仪所在点与地心连线方向，找正后得到的水平面作为基准水平面P；
3）在所述经纬仪所在空间任意布置2个所述激光跟踪仪的靶球A和靶球B，并分别在靶球A、B与所述经纬仪原点所在大致方向放置两个靶球C和D，对靶球C和D的具体位置没有严格要求；
4) 调节所述经纬仪对准所述靶球A的中心，测量其对应的水平角                                                ，固定此时水平角，转动所述经纬仪的竖直角到一定位置，移动靶球C及微调所述经纬仪的竖直角，使所述经纬仪对准靶球C的中心，以确保所述靶球A和C投影到水平面P后处于同一直线上；
5）调节所述经纬仪对准所述靶球B的中心，测量其对应的水平角
Figure 427426DEST_PATH_IMAGE002
，固定此时水平角，转动所述经纬仪的竖直角到一定位置，移动靶球D及微调所述经纬仪的竖直角，使所述经纬仪对准靶球D的中心，以确保所述靶球B和D投影到水平面P后处于同一直线上；
6）运用所述激光跟踪仪测量所述四个靶球A、B、C和D，并将其投影到水平面P内，得到四个投影点A、B、C和D的坐标值，投影后得到的四个点的水平角与对应的四个靶球的水平角没有发生变化；通过所述激光跟踪仪软件计算出点A、C连线和点B、D连线在水平面P内的交点
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE003
， 
Figure 469200DEST_PATH_IMAGE003
与A、B构成三角形，若以
Figure 248937DEST_PATH_IMAGE004
为X轴建立坐标系，需求出
Figure 644146DEST_PATH_IMAGE004
与正北方向夹角；AB连线与正北方向交于点E，AB连线与正北方向夹角为角
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE005
；为求出角
Figure 84617DEST_PATH_IMAGE005
，由所述激光跟踪仪软件计算得到内
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE007
、、
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE009
的长度、
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 769187DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE013
； 
Figure 887184DEST_PATH_IMAGE014
内，由余弦定理得：
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE015
于是
Figure 267612DEST_PATH_IMAGE016
，在
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE017
Figure 129258DEST_PATH_IMAGE018
中，
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE019
，
因此，
Figure 652643DEST_PATH_IMAGE020
；
7）通过所述激光跟踪仪软件建立地理坐标系，以水平仪所得的法矢方向为Z轴，
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE021
所在直线为X轴，原点可按实际需要，根据GPS等相关设备提供的坐标点确定，建立完成后将所建坐标系绕Z轴旋转
Figure 708586DEST_PATH_IMAGE022
角，即可得最后需要的地理坐标系。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点：
通过使用一台经纬仪定出正北方向，然后运用激光跟踪仪测量软件建立地理坐标系的方法克服了激光跟踪仪不具备找北功能的缺点，同时，结构相对简单，计算容易，精确高；本方法中靶球的安放没有严格的要求，可根据现场实际情况来确定靶球安放的具体位置；本方法对于其他不具备高精度建立地理坐标系的测量仪器有一定的借鉴作用。
附图说明
图1是本方法建立地理坐标系的步骤流程图。
图2是本方法建立地理坐标系的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施作进一步详细描述，
例如测量某坦克炮管在地理坐标系里的空间定位，控制其弹着点精度。测量需在地理坐标系下完成，采用两台激光跟踪仪在静态及动态情况下测量坦克炮管的首尾两端，得到其方向向量，计算其在地理坐标系下的空间水平角和竖直角。首先需为激光跟踪仪建立地理坐标系， 如图1和图2所示，采用一台激光跟踪仪和一台经纬仪建立地理坐标系，步骤为：
1）调节所述经纬仪的水平方向和竖直方向，找到正北方向，并将所述经纬仪置零；后面步骤即为将此方向引入跟踪仪中；
2）调节所述激光跟踪仪，通过其自带的水平仪，使其找正水平面，通过所述激光跟踪仪软件可得到此时所述激光跟踪仪所在水平面及其相对于地心的法矢方向，即所述激光跟踪仪所在点与地心连线方向，找正后得到的水平面作为基准水平面P；
3）在所述经纬仪所在空间任意布置2个所述激光跟踪仪的靶球A和靶球B，并分别在靶球A、B与所述经纬仪原点所在大致方向放置两个靶球C和D，对靶球C和D的具体位置没有严格要求；
4) 调节所述经纬仪对准所述靶球A的中心，测量其对应的水平角
Figure 950212DEST_PATH_IMAGE001
=72.410°，固定此时水平角，转动所述经纬仪的竖直角到一定位置，移动靶球C及微调所述经纬仪的竖直角，使所述经纬仪对准靶球C的中心，以确保所述靶球A和C投影到水平面P后处于同一直线上；
5）调节所述经纬仪对准所述靶球B的中心，测量其对应的水平角
Figure 349969DEST_PATH_IMAGE002
=27.046°，固定此时水平角，转动所述经纬仪的竖直角到一定位置，移动靶球D及微调所述经纬仪的竖直角，使所述经纬仪对准靶球D的中心，以确保所述靶球B和D投影到水平面P后处于同一直线上；
6）运用所述激光跟踪仪测量所述四个靶球A、B、C和D，并将其投影到水平面P内，得到四个投影点A、B、C和D的坐标值（A（150.138，-157.598，0.000），B（-10.928，-183.008,0.000），C（356.795，-176.952,0.000），D（100.576，-183.824,0.000）），投影后得到的四个点的水平角与对应的四个靶球的水平角没有发生变化；通过所述激光跟踪仪软件计算出点A、C连线和点B、D连线在水平面P内的交点
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE023
（-68.957，-87.342,0.000）， 
Figure 993440DEST_PATH_IMAGE024
与A、B构成三角形，若以
Figure 954705DEST_PATH_IMAGE021
为X轴建立坐标系，需求出
Figure 683626DEST_PATH_IMAGE021
与正北方向夹角；AB连线与正北方向交于点E，AB连线与正北方向夹角为角
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE025
；为求出角
Figure 887075DEST_PATH_IMAGE025
，由所述激光跟踪仪软件计算得到
Figure 385052DEST_PATH_IMAGE006
内
Figure 782798DEST_PATH_IMAGE007
、
Figure 733436DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 615942DEST_PATH_IMAGE009
的长度
Figure 719158DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 661706DEST_PATH_IMAGE011
、
Figure 99641DEST_PATH_IMAGE012
，
Figure 644892DEST_PATH_IMAGE013
； 
Figure 117461DEST_PATH_IMAGE026
于是
Figure 230911DEST_PATH_IMAGE016
，在
Figure 782240DEST_PATH_IMAGE017
Figure 201110286506X100002DEST_PATH_IMAGE027
中，
Figure 131182DEST_PATH_IMAGE019
，
因此，
Figure 192679DEST_PATH_IMAGE020
；
于是=1.894°
7）通过所述激光跟踪仪软件建立地理坐标系，以水平仪所得的法矢方向为Z轴，
Figure 515655DEST_PATH_IMAGE021
所在直线为X轴，原点可按实际需要，根据GPS等相关设备提供的坐标点确定，建立完成后将所建坐标系绕Z轴旋转-
Figure 543654DEST_PATH_IMAGE025
角，即可得最后需要的地理坐标系。

Claims (1)

1.一种激光跟踪仪构建地理坐标系的方法，其特征在于，采用一台激光跟踪仪和一台经纬仪建立地理坐标系，步骤为：
1）首先调节所述经纬仪的水平方向和竖直方向，找到正北方向，并将所述经纬仪置零；
2）调节所述激光跟踪仪，通过其自带的水平仪，使其找正水平面，通过所述激光跟踪仪软件可得到此时所述激光跟踪仪所在水平面及其相对于地心的法矢方向，即所述激光跟踪仪所在点与地心连线方向，找正后得到的水平面作为基准水平面P；
3）在所述经纬仪所在空间任意布置2个所述激光跟踪仪的靶球A和靶球B，并分别在靶球A、B与所述经纬仪原点所在大致方向放置两个靶球C和D，对靶球C和D的具体位置没有严格要求；
4) 调节所述经纬仪对准所述靶球A的中心，测量其对应的水平角                                               
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE002
，固定此时水平角，转动所述经纬仪的竖直角到一定位置，移动靶球C及微调所述经纬仪的竖直角，使所述经纬仪对准靶球C的中心，以确保所述靶球A和C投影到水平面P后处于同一直线上；
5）调节所述经纬仪对准所述靶球B的中心，测量其对应的水平角
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE004
，固定此时水平角，转动所述经纬仪的竖直角到一定位置，移动靶球D及微调所述经纬仪的竖直角，使所述经纬仪对准靶球D的中心，以确保所述靶球B和D投影到水平面P后处于同一直线上；
6）运用所述激光跟踪仪测量所述四个靶球A、B、C和D，并将其投影到水平面P内，得到四个投影点A、B、C和D的坐标值，投影后得到的四个点的水平角与对应的四个靶球的水平角没有发生变化；通过所述激光跟踪仪软件计算出点A、C连线和点B、D连线在水平面P内的交点
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE006
， 
Figure 92622DEST_PATH_IMAGE006
与A、B构成三角形，若以
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE008
为X轴建立坐标系，需求出
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE010
与正北方向夹角；AB连线与正北方向交于点E，AB连线与正北方向夹角为角
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE012
；为求出角
Figure 157661DEST_PATH_IMAGE012
，由所述激光跟踪仪软件计算得到内
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE016
、
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE020
的长度
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE022
、
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE026
，； 
Figure 434315DEST_PATH_IMAGE014
内，由余弦定理得：
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE030
于是，在
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE034
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE036
中，
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE038
，
因此，
Figure 201110286506X100001DEST_PATH_IMAGE040
；
7）通过所述激光跟踪仪软件建立地理坐标系，以水平仪所得的法矢方向为Z轴，
Figure 751158DEST_PATH_IMAGE010
所在直线为X轴，原点可按实际需要，根据GPS等相关设备提供的坐标点确定，建立完成后将所建坐标系绕Z轴旋转角，即可得最后需要的地理坐标系。
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