CN103063203B - 大地测量系统和操作大地测量系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种大地测量系统，包括：第一测量单元和第二测量单元。第一和第二测量单元的每一个被构造为执行测量以获取各自测量单元的定位数据。该系统进一步包括第一倾角仪，用于获取第一倾角仪的倾角数据，该倾角数据表示在第一测量单元测量的垂直倾角；以及第二倾角仪，用于获取第二倾角仪的倾角数据，该倾角数据表示在第二测量单元测量的垂直倾角。该大地测量系统被构造为，根据第一倾角仪和第二倾角仪的倾角数据，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角。

Description

大地测量系统和操作大地测量系统的方法

对相关申请的交叉引用

本申请要求2011年10月18日在德国提交的、名称为“GEODAETISCHES MESSSYSTEM UND VERFAHERN ZUMBETREIBEN EINES GEODAETISCHEN MESSSYSTEMS”的德国专利申请第102011116303.8号的优先权，其全部内容在此以引用方式并入本文。

技术领域

本发明涉及一种大地测量系统，和一种操作大地测量系统的方法。特别地，本发明涉及一种大地测量系统，其包括地面测量仪器，以及用于全球导航卫星系统的天线和接收器。

背景技术

目前，使用全球导航卫星系统的大地测量方法可达到亚厘米级定位精度。该精度尤其通过使用如差分测量(differential measurement)方法或多通道接收器的技术来实现。在差分测量方法中，同时进行使用两个装置的测量。多通道接收器可接收多个卫星的信号。

使用全球导航卫星系统以进行大地测量的另一个好处是不需要个别测量仪器之间的视线连接。而且，与相似精度的地面测量相比，天气和一天的时间状况对于这种测量不太重要。

然而，在障碍物的近邻位置，全球导航卫星系统的信号接收可能会比较差。所述障碍物例如可以是叶子或砖砌结构。

因此，应用不同测量技术的结合(例如地面测量技术和使用全球导航卫星系统的测量系统的结合)是有利地。

发明内容

本发明提供了一种用于高效执行大地测量的大地测量系统。本发明进一步提供了一种用于操作这种大地测量系统的方法。

实施例提供了一种大地测量系统，包括：第一测量单元和第二测量单元；其中第一和第二测量单元中的每一个被构造为执行测量以获取各自测量单元的定位数据。该大地测量系统进一步包括第一倾角仪，用于获取第一倾角仪的倾角数据，该倾角数据表示在第一测量单元测量的垂直倾角；以及第二倾角仪，用于获取第二倾角仪的倾角数据，该倾角数据表示在第二测量单元测量的垂直倾角。该大地测量系统构造为，根据第一倾角仪和第二倾角仪的倾角数据，确定在相对于大地测量系统的垂直调整(verticaladjustment)的水平面中第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角(orientation angle)。

因此，提供了一种大地测量系统，其允许获取有关第一测量单元相对于第二测量单元的方向的信息。

该大地测量系统例如可由多个大地测量单元组成，多个大地测量单元彼此可拆卸地连接。在测量单元被分开并且重新连接之后，该大地测量系统可在相对于大地测量系统垂直调整的水平面中确定测量单元之间的相对方向角。大地测量系统可包括耦合系统，其被构造为使得第二测量单元可拆卸地耦合到第一测量单元。该耦合系统可包括螺纹连接、锁定连接和/或夹紧连接。该第一和/或第二测量单元可被构造为手提式单元，其可拆卸地连接到剩余的大地测量系统上。

该第一和/或第二测量单元可被构造为使得它们的位置可适应于单个用户的需要，如身体大小。当用户改变至少一个测量单元的位置之后，该大地测量系统可以确定在水平面中第一倾角仪相对于第二倾角仪的相对方向角。

第一测量单元可包括卫星测量系统，其被构造为通过接收全球导航卫星系统的信号来进行定位。第二测量单元可以是地面测量仪器，例如距离测量系统、经纬仪和/或全站仪。该距离测量系统可以是光电距离测量系统，尤其是激光距离测量仪器。根据定位数据可以确定大地坐标。定位数据例如是：通过卫星测量系统获得的距离测量系统与目标的距离，目标的水平角度，目标的垂直角度，测点的位置和/或高度数据。

通过确定第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角，可以将第一测量单元的定位数据和第二测量单元的定位数据与共同的坐标系关联起来。举例来说，第一测量单元是卫星测量系统，以及第二测量单元是地面测量系统。因此，基于相对方向角，可确定本地坐标系相对于全球坐标系的位置和方向。

而且，通过使用两个倾角仪的倾角数据，可能提高一个测量单元的定位精度。举例来说，第一倾角仪测量大地测量系统的杆或三脚架的垂直倾角，而第二倾角仪测量距离测量系统的距离测量轴的垂直倾角，该距离测量系统连接到杆或三脚架。基于确定的相对方向角，可以根据测得的三脚架或杆的倾角，校正距离测量单元的测得的距离。因此，可以获得准确的距离测量，即使杆或三脚架处于不完善的垂直调整中。

该第一和/或第二倾角仪可以是双轴倾角仪。第一和第二测量轴可定义一测量平面。该第一和第二测量轴可彼此垂直地定向。

第一和/第二倾角仪可以是电子加速度计。特别地，该倾角仪可以是微机电(MEMS)加速度计。该微机电加速度计可以是弹簧质量系统，其包括一个或多个表示“弹簧”的二氧化硅网(silica web)，每一个二氧化硅网都是几微米宽。该质量也可以由二氧化硅组成。

第一和/或第二倾角仪可构造为液位倾斜传感器。该液位倾斜传感器可被构造使得相对于其余的倾斜传感器，测量液面(如液-气表面)的倾斜。液位倾斜传感器可包括电的或电子的探测器。液位倾斜传感器可被构造使得激光束在液面反射以及由位置灵敏探测器检测该反射的激光束。该位置灵敏探测器可包括CMOS传感器和CCD传感器。美国专利7,388,658 B2中公开了液位倾斜传感器的示例性实施例，该专利的全部内容在此以引用方式并入本文。

倾角数据可表示倾角仪的测量平面的倾斜角和/或倾斜方向。该倾斜角可定义为倾角仪的测量平面相对于重力水平面(即垂直于重力向量定向的平面)的倾斜角度。该倾斜方向可定义为在重力水平面中的单位向量，其中倾斜方向定向在相对于重力水平面的测量平面的梯度方向上。第一和第二倾角仪的倾角数据表示各自测量单元的垂直倾角的测量。测量单元的垂直倾角例如可以根据倾角数据的校准而获得。该校准建立了倾角仪的倾角与倾斜方向以及测量单元倾角与的倾斜方向之间的关系。

第一和第二倾角仪可为相同的设计。因此，可以直接将第一倾角仪的倾角数据与第二倾角仪的倾角数据进行比较。或者，在将第一倾角仪的倾角数据与第二倾角仪的倾角数据进行比较之前，对倾角数据应用函数，使得转换后的倾角数据是可比较的。举例来说，第一倾角仪的测量范围可以不同于第二倾角仪的测量范围，并且该函数针对不同测量范围进行校正。

刚体具有六个运动自由度。该六个运动自由度，例如，由三个平移的坐标值和三个旋转角度值来表示。在平移中，刚体的所有点都移动相同平移向量。该三个平移的坐标值一起定义了刚体的位置。在旋转中，刚体的所有点关于旋转轴转动一个角度。该三个旋转角度定义了刚体的方向。刚体的方向可由偏摆(yaw)、俯仰(pitch)和滚转(roll)表示，或由欧拉角表示。

相对方向角位于水平面中。相对于大地测量系统的垂直调整定义该水平面。也就是说，在与大地测量系统的垂直调整处的水平面相对应的平面中测量相对方向角。该垂直调整可以是标准方向或参考方向，在该方向执行大地测量。该相对方向角例如可以是第一倾角仪的第一测量轴在水平面上的投影与第二倾角仪的第一测量轴在水平面上的投影之间的角度。

根据进一步的实施例，该大地测量系统构造为根据第一和第二倾角仪的倾角数据，确定在水平面中第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角，其中在大地测量系统的至少两个不同方向上获得倾角数据。

大地测量系统的该至少两个不同方向可以是相对于重力方向的两个不同方向。该至少两个方向可以被选择为使得通过大地测量系统关于平行于重力方向的轴旋转，它们不能被相互转换。

根据进一步的实施例，该大地测量系统进一步被构造为根据在该至少两个不同方向上第一倾角仪的倾角数据和/或第二倾角仪的倾角数据，在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中确定参考方向。该大地测量系统可以进一步被构造为在水平面中确定相对于参考方向的第一倾角仪的方向角。而且，该大地测量系统可被构造为在水平面中确定相对于参考方向的第二倾角仪的方向角。

根据一个实施例，大地测量系统进一步构造为在大地测量系统的第一和第二方向上，获取第一倾角仪的倾角数据和第二倾角仪的倾角数据。在第一方向中第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向，可以与在第二方向中第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向相等。该大地测量系统可进一步构造为，根据第一和第二倾角仪在第一方向上和第二方向上的倾角数据来确定相对方向角。

因此，提供一种大地测量系统，其允许简单且快速地确定相对方向角。该大地测量系统可随着大地测量系统从第一方向到第二方向的方向变化同时进行平移运动。

相对于第一方向的第二方向可以是这样，使得对于第一和/或第二倾角仪的第一和/或第二测量轴，在第一和在第二方向上的测量轴垂直倾角之间的绝对差值超过最小角度。该最小角度例如可以是5度，或10度，或15度。或者，相对于第一方向的第二方向可以是这样，使得对于第一和/或第二倾角仪的测量平面，在第一和在第二方向上的测量平面的垂直倾斜角之间的绝对差值大于5度，大于10度，或大于15度。

根据进一步的实施例，大地测量系统被构造为在大地测量系统的多个方向上获取第一倾角仪和第二倾角仪的倾角数据，以及从在多个方向上获取的已获取倾角数据中，选择在第一和第二方向上的第一倾角仪和第二倾角仪的倾角数据。

因此，提供一种大地测量系统，其例如允许在测量过程中，确定第一方向和第二方向的倾角数据。该大地测量系统可被构造为选择第一和第二方向，使得确定相对方向角时的误差尽可能小。

根据进一步的实施例，确定相对方向角进一步包括：为第一和第二倾角仪中的每一个，确定在第一和第二方向之间的各自倾角仪的倾角数据的变化或差值。

确定该变化可包括将函数应用到第一方向的倾角数据和第二方向的倾角数据。因此，可以确定函数值，其代表方向的变化。例如，倾角数据的变化可包括确定第一方向的倾角数据值和第二方向的相应倾角数据值之间的差值。该倾角数据值例如可以是倾角仪的第一或第二测量轴的倾角。该大地测量系统可被构造为使得根据倾角数据的变化，可确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中的参考方向。

根据进一步的实施例，为了确定相对方向角，该大地测量系统进一步构造为，根据第一方向上第一倾角仪的倾角数据和第二方向上第一倾角仪的倾角数据之间的变化，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第一倾角仪的方向角。该大地测量系统进一步构造为，根据第一方向上第二倾角仪的倾角数据和第二方向上第二倾角仪的倾角数据之间的变化，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第二倾角仪的方向角。

在第一方向上的倾角数据和在第二方向上的倾角数据之间的变化，可以是在第一方向上的倾角数据和在第二方向上的倾角数据之间的差值。第一倾角仪和/或第二倾角仪的方向角可以是相对于参考方向的方向角。该大地测量系统可构造为根据第一和/或第二倾角仪的倾角数据可确定参考方向。

根据进一步的实施例，该大地测量系统进一步构造为，根据第一倾角仪在水平面中确定的方向角和第二倾角仪在水平面中确定的方向角之间的比较或差值，确定相对方向角。

根据进一步的实施例，该大地测量系统进一步构造为，根据相对方向角，以及进一步根据第一测量单元的定位数据和/第二测量单元的定位数据，确定大地坐标。

因此，例如可以将第一测量单元的定位数据合并和/或补充到第二测量单元的定位数据。因此，可实现确定大地坐标时的更高精度。

所述大地坐标可以是测点的大地坐标。测点可以是大地测量系统的一个位置或大地测量系统的一个目标点。在该目标点，可设置目标。

根据进一步的实施例，该大地测量系统构造为，根据相对方向角，确定相对于第二测量单元的定位数据的坐标系的、第一测量单元定位数据的坐标系的位置和方向。

根据进一步的实施例，该第一测量单元包括用于全球导航卫星系统的天线和接收器。附加地或可替代地，该第二测量单元包括地面测量仪器。

因此，例如可以将通过使用导航卫星的信号获取的定位数据匹配或补充到由地面测量仪器获取的定位数据。因此，可以根据相对方向角确定相对于全球坐标系的本地坐标系的位置和方向。

该地面测量仪器可包括距离测量系统、经纬仪、视距仪和/或全站仪。

实施例提供了一种操作大地测量系统的方法，其中该大地测量系统包括第一倾角仪，用于获取针对第一倾角仪的两个测量轴的第一倾角仪的倾角数据；以及其中，该大地测量系统包括第二倾角仪，用于获取针对第二倾角仪的两个测量轴的倾角数据。该方法可包括：在第一方向上设置大地测量系统；获取在第一方向上的第一和第二倾角仪的倾角数据；在第二方向上设置大地测量系统；获取在第二方向上的第一和第二倾角仪的倾角数据。第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向在第一方向上与在第二方向上可以相同。该方法可进一步包括，根据在第一和第二方向上的第一和第二倾角仪的倾角数据，在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中确定第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角。该方法进一步包括，根据相对方向角，由大地测量系统确定大地坐标。

已描述的关于大地测量系统特点和优点，如果适用的话，将被应用到操作大地测量系统的方法中，并且反之亦然。

根据进一步的实施例，确定相对方向角包括，在大地测量系统的至少两个相互不同的方向上，获取第一和第二倾角仪的倾角数据。

根据进一步的实施例，确定相对方向角进一步包括在水平面中确定参考方向，该水平面相对于大地测量系统的垂直调整；其中，根据第一和/或第二倾角仪的倾角数据进行参考方向的确定。

根据进一步的实施例，确定相对方向角进一步包括，在水平面中确定第一倾角仪的方向角，该水平面相对于大地测量系统的垂直调整，并且方向角相对于参考方向。该实施例进一步包括，在水平面中确定第二倾角仪的方向角，该水平面相对于大地测量系统的垂直调整，并且方向角相对于参考方向。

根据一个实施例，该方法进一步包括：确定第一倾角仪的测量平面相对于第二倾角仪的测量平面的倾斜角；附加地或可替代地，该方法进一步包括，确定第一倾角仪的测量平面相对于第二倾角仪的测量平面的倾斜方向。根据第一和第二倾角仪在第一和/或第二方向上的倾角数据，和/或根据相对方向角，可以确定倾斜角和倾斜方向中的每一个。

根据进一步的实施例，该方法进一步包括，根据相对方向角，相对于第二测量单元调整第一测量单元。

实施例提供了一种大地测量系统，包括：距离测量系统，用于在距离测量系统的测量位置处沿着距离测量系统到位于大地测量系统一定距离处的目标的距离测量轴进行距离测量。大地测量系统可进一步包括基体组件，其通过大地测量系统的铰接连接件连接到距离测量系统。该基体组件可包括：可设置在测点处的参考点；以及被构造为用于距离测量系统的目标区域的表面区域。该铰接连接件可被构造为，如此设置距离测量系统使得距离测量轴沿着直线连接距离测量系统与表面区域。根据距离测量系统测得的到表面区域的距离的测量值，可确定距离测量系统相对于参考点的测量位置。

因此，提供一种大地测量系统，其允许高精度地确定距离测量系统相对于参考点的位置。

该测量位置可定义为相对于基体组件的位置，其中距离测量系统对目标进行距离测量，该目标设置在距离大地测量系统的一定距离处。该基体组件可包括三脚架、杆、天线外壳和/或扁平头。

该铰接连接件可包括一个或多个接头。例如，铰接连接件可包括球形接头和/或旋转轴。铰接连接件可构造为使得通过操作该铰接连接件，距离测量系统可如此设置使得距离测量轴沿着直线连接距离测量系统与表面区域。铰接连接件可被构造使得距离测量轴的垂直角度是可变的。铰接连接件可被构造使得距离测量轴关于某一点旋转。

距离测量轴沿着直线连接距离测量系统与表面区域。该直线可以是单条直线，即，不是弯曲的或有角的。短语“在距离测量系统和表面区域之间”可定义为在距离测量系统的光学组件与表面区域之间，在该光学组件处，激光束离开距离测量系统。在对位于大地测量系统一定距离处的目标进行距离测量期间，激光束也在该光学组件处离开距离测量系统。

该距离测量系统可以是光电距离测量系统，特别是激光距离测量装置。该距离测量轴可以是激光束的轴。该距离测量系统可以是大地测量系统的视距仪或全站仪的一部分。

该基体组件可包括杆，三脚架和/或天线外壳。该大地测量系统可包括耦合系统，其构造为使得距离测量系统可拆卸地连接到大地测量系统的基体组件上。该耦合系统可包括螺纹连接、锁定连接和/或夹紧连接。大地测量系统可构造为，使得距离测量系统可在相对于参考点的不同位置连接到基体组件上。因此，该距离测量系统可适应于用户的需要，如身体大小。该大地测量系统可包括导轨系统，其构造为使得距离测量系统沿着导轨系统的导轨可滑动地位移。

该参考点可以是大地测量系统的一部分，其可布置在测点处。例如，该参考点可以是杆的尖端。

或者，该参考点可以是空间区域，其相对于基体组件有恒定的位置。该基体组件可调整或可定位使得参考点与测点重合。举例来说，基体组件可包括三脚架和扁平头，其中扁平头相对于测点可调整。

该表面区域包括反射区域和/或目标标记。该反射区域可包括反射器和/或反射器箔。该表面区域可构造为使得距离测量系统的激光束的冲击位置在表面区域上是可见的。举例来说，用户调整距离测量系统的方向使得距离测量系统的光斑位于目标标记的中心处。

根据一个实施例，大地测量系统构造为，根据距离测量系统和表面区域之间已经确定的距离，可以确定距离测量系统相对于参考点的测量位置。

根据一个实施例，大地测量系统构造为，使得距离测量系统与基体组件的参考点和/或表面区域连接。举例来说，该参考点是大地测量系统的一部分，如杆的尖端，并且经由杆将距离测量系统连接到参考点。

大地测量系统可构造为，使得距离测量系统可拆卸地连接到基体组件。该大地测量系统可包括将距离测量系统连接到基体组件上的耦合系统。

根据进一步的实施例，铰接连接件包括至少一个旋转接头，其如此构造使得距离测量系统的旋转运动引导距离测量轴离开与大地测量系统一定距离处的目标，并且到达表面区域上。举例来说，该旋转接头可包括一个或多个旋转轴。

根据进一步的实施例，基体组件包括天线外壳，其中天线外壳包括表面区域。因此，提供一种大地测量系统，其中天线外壳用于确定距离测量系统相对于参考点的位置。在天线外壳中，可设置卫星大地测量系统的天线和/或卫星大地测量系统的接收器。

根据进一步的实施例，基体组件包括杆；其中参考点布置在杆的第一端；和/或其中基体组件包括天线外壳，其设置在杆的第二端；其中该天线外壳包括表面区域或该表面区域位于天线外壳上。

举例来说，杆的长度在1.70m到2.20m之间。表面区域可位于面向距离测量系统的天线外壳表面的一部分上。

上述的实施例结构无需按照它们作为单独实施例描述的那样严格地实施，而是不同实施例的特征可自由组合在一起。

附图说明

根据接下来参照附图对示例性实施例的详细描述，前述以及其它有利特征将更加明显。应注意的是，不是所有可能的实施例都必须展示每一个或任何的这里确定的优势。

图1示出了根据第一示例性实施例的大地测量系统的示意图；

图2为操作大地测量系统的示例性方法的流程图；

图3为示出了如何根据第一倾角仪的倾角数据和第二倾角仪的倾角数据确定水平面中的相对方向角的示意图；

图4A示意性示出了根据第二示例性实施例的大地测量系统；以及

图4B示意性示出了当距离测量系统的测量位置被确定时，根据第二实施例的大地测量系统。

具体实施方式

图1示出了根据第一示例性实施例的大地测量系统1。该大地测量系统1包括作为第一测量单元的卫星测量系统10。该卫星测量系统构造成接收来自全球导航卫星系统(GNSS)的卫星的信号，并且根据这些信号产生定位数据。基于该定位数据，可确定测点的大地坐标。该测点可以是位置32，在此处设置大地测量系统1的参考点31。或者，该测点可以是目标点，其设置在距离大地测量系统1一定距离处。

该卫星测量系统10包括天线12和接收器13。卫星测量系统10设置在杆30的第一端，以使得卫星测量系统10和杆30具有相对于彼此的固定位置和方向。举例来说，杆30的长度在1.70m和2.20m之间。在杆的第二端，设置大地测量系统1的参考点31。该参考点31可接触到测点32以进行测量。

为了进行测量，用户40必须保持大地测量系统1在一个方向上，该方向以小于10度或小于5度或小于1度或小于0.5度的偏离垂直调整。该垂直调整可定义为大地测量系统的、用于进行测量以确定定位数据的标准方向。该垂直调整可以是第一和/或第二测量单元的垂直调整。在图1所示的大地测量系统1中，大地测量系统的垂直调整由杆30的轴A的垂直方向(即，沿着天顶向量V或沿着重力向量)限定。在垂直方向，由天线12测量的点的水平位置与参考点31的水平位置向对应。因此，可以根据卫星测量系统10的定位数据，来确定测点32的大地坐标。

大地测量系统1包括第一倾角仪11，其构造为测量杆30的倾斜角和倾斜方向。根据确定的倾斜角和已知的从参考点31到天线12的距离L1，可确定在重力水平面中的、天线12的水平位置和参考点32的水平位置之间的距离的绝对值。

大地测量系统1进一步包括方位角传感器14，其构造为确定地理北方向和/或网格北方向。因此，可以确定相对于地理北方向或相对于网格北方向的、天线12的水平位置和参考点32的水平位置之间的方向。或者，天线12和接收器可构造为根据接收的卫星信号可确定网格北方向和/或地理北方向。

卫星大地测量系统10构造成获取定位数据并且根据定位数据可确定大地坐标。大地测量系统1的计算和存储单元50可进行大地坐标的计算。附加地或可替代地，定位数据可被传送到计算大地坐标的中央处理单元(未示出)。

根据方位角方向、方位角传感器14的数据以及第一倾角仪11的倾角数据，可计算大地坐标，其中大地坐标针对杆30与垂直方向的方向偏离进行校正，该垂直方向为大地测量系统的标准方向。因此，由于杆30不需要位于精确垂直方向上以便测量，可以更准确地确定大地坐标，和/或可在很短的时间内执行测量。

大地测量系统1进一步包括作为第二测量单元的地面测量仪器。在图1所示的示例性实施例中，地面测量仪器为距离测量系统20，例如光电距离测量系统，其构造成确定沿着距离测量轴DMA到目标(未示出)的距离，该目标设置在距离大地测量系统1的一定距离处。在该目标处，沿着距离测量轴传播的光被反射。距离测量系统20可构造为不采用反射器执行距离测量。或者，该目标包括反射器。

该距离测量系统20设置在参考点31和卫星测量系统10之间的杆30上。距离测量系统20可构造为手提式单元，其可由用户40从杆30上拆卸。举例来说，在那些可由卫星测量系统10无干扰地接收导航卫星信号的区域中，可进行测量而不需要使用距离测量系统20。

大地测量系统1包括第二倾角仪21，其构造为测量距离测量轴的垂直倾斜。举例来说，根据距离测量轴DMA的垂直倾斜，可确定目标物体与距离测量系统20之间的高度差。

大地测量系统1构造为，确定在相对于大地测量系统1的垂直调整的水平面中第一倾角仪11和第二倾角仪21之间的相对方向角。该相对方向角可由一个角度给出。该相对方向角可以是围绕相对于大地测量系统1的垂直调整的纵轴的转角。

通过确定水平面中第一倾角仪11相对于第二倾角仪21的相对方向角，可以确定本地坐标系相对于全球坐标系的位置和方向。该距离测量系统20的定位数据与本地坐标系有关。卫星大地测量系统10的定位数据与全球坐标系有关。

计算和存储单元50与卫星大地测量系统10、方位角传感器14和距离测量系统20进行信号通信。计算和存储单元50从这些部件接收数据并将该数据存储在计算和存储单元50的存储器(未示出)中。计算和存储单元50进一步构造为计算接收到的数据，以及在显示器51上向用户显示相应结果。经由键盘52，用户可输入命令和/或数据，例如用于配置大地测量系统1。

图2为用于操作图1所示的大地测量系统1的示例性方法的流程图。用户在第一方向上设置101大地测量系统1。第一方向例如可以在第一和第二倾角仪11、21(图1所示)的测量范围内自由选择。或者，可选择第一方向以使得第一倾角仪11在该第一方向上测量倾斜角绝对值，该倾斜角绝对值低于预定阈值，例如15度、10度或5度或2度或1度。用户通过键盘输入开始命令后，大地测量系统获取102第一方向上的第一和第二倾角仪的倾角数据。

然后，用户在第二方向上设置103大地测量系统1。该第二方向不同于第一方向。同样，第二方向可在第一和第二倾角仪11、21的测量范围内自由选择。

或者，可选择第二方向以使得，对于第一和/或第二倾角仪11、21的第一和/或第二测量轴，第一方向与第二方向的倾角之间的绝对差值大于最小角度。该最小角度可以例如是15度、10度或5度。由于这样的最小角度的缘故，确定水平面中的相对方向角时的误差可保持很小。

在第二方向上，获取104第一和第二倾角仪11、21的倾角数据。然后，确定105第一方向与第二方向之间的第一倾角仪11的倾角数据的变化。然后，确定106第一方向与第二方向之间的第二倾角仪21的倾角数据的变化。由计算单元确定每一个所述变化。根据该确定的变化，由计算单元执行在相对大地测量系统1的垂直调整的水平面中的第一倾角仪11与第二倾角仪21之间的相对方向角。

大地测量系统1可构造为使得在多个方向上获取第一倾角仪11和第二倾角仪21的倾角数据。根据在多个方向上获取的倾角数据，从多个方向中选择第一和第二方向。

因此，大地测量系统1可构造为在测量期间执行水平面中相对方向角的确定。

图3示意地示出，根据第一倾角仪11(图1所示)的倾角数据和第二倾角仪21(图1所示)的倾角数据，如何确定相对于大地测量系统1的垂直调整的水平面中的水平方向角。

如图3所示，第一坐标系80表示第一倾角仪11的倾角数据，以及第二坐标系统81表示第二倾角仪21的倾角数据。该倾角数据例如可以是电子加速度计的数据值。每一个坐标轴表示各自倾角仪的测量轴。因此，相对于坐标系统的点的坐标代表由该坐标系统表示的倾角仪的倾斜角和倾斜方向。

通过校准第一倾角仪11，可以确定第一坐标系80的一点，该点对应于杆30的垂直方向，即，杆30的轴A垂直定向时的杆30的方向。该点可位于离第一坐标系80的原点一定距离处。

通过确定表示大地测量系统1的垂直调整的该点，可根据第一倾角仪11的倾角数据确定杆30的垂直倾角。

大地测量系统1的垂直调整对应于杆30的轴A的垂直对齐。图3的纸平面对应于相对于大地测量系统1的垂直调整的水平面。图3所示的坐标系80、81的每一个表示各自倾角仪的测量平面在水平面上的投影。由倾角仪的第一和第二测量轴定义倾角仪的测量平面。

第一和第二倾角仪11、21在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中彼此相互偏斜。因此，例如，第一坐标系80的Y坐标轴和第二坐标系81的Y坐标轴形成一个角度，该角度对应于水平面中的第一和第二倾角仪之间的相对方向角。而且，第一倾角仪11的测量平面相对于第二倾角仪21的测量平面具有倾角。因此，第一坐标系80的原点位于离第二坐标系81的原点的一定距离处。

在每一个坐标系中，一点表示相对于垂直方向的、倾角仪的方向的倾角数据值。到该点的向量的绝对值表示倾角仪的倾斜角。该向量的方向表示倾角仪的倾斜方向。

在大地测量系统的第一方向上由第一和第二倾角仪获取的倾角数据值(参照图2所述)，在图3中由用附图标记O1表示的圆圈标记。在大地测量系统的第二方向上获取的倾角数据值由用附图标记O2表示的圆圈标记。

在第二倾角仪的坐标系81中，可定义相对于连接线的角度α _t ，该连接线连接第一方向的倾角数据值与第二方向的倾角数据值：

$\underset{\‾}{{\mathrm{\α}}_t=\arctan \left(\frac{x_{t2}-x_{t1}}{y_{t2}-y_{t1}}\right)},$

其中，x _t1 为第一方向上的第一测量轴的测量值，x _t2 为第二方向上的第一测量轴的测量值，y _t1 为在第一方向上的第二测量轴的测量值，以及y _t2 为第二方向上的第二测量轴的测量值。

该角度α _t 表示在水平面(相对于大地测量系统的垂直调整)中的第二倾角仪的方向角。根据第二倾角仪21的倾角数据在第一和第二方向之间的变化，确定角度α _t 。第二倾角仪21的倾角数据在第一和第二方向之间的变化在水平面(相对于大地测量系统的垂直调整)中定义了一个参考方向。角度α _t 表示第二倾角仪21相对于该参考方向的倾斜角。

相应地，在第一倾角仪的坐标系中，可定义角度α _s ：

$\underset{\‾}{{\mathrm{\α}}_s=\arctan \left(\frac{x_{s2}-x_{s1}}{y_{s2}-y_{s1}}\right)},$

其中，x _s1 为第一方向上的第一测量轴的测量值，x _s2 为第二方向上的第一测量轴的测量值，y _s1 为第一方向上的第二测量轴的测量值，以及y _s1 为第二方向上的第二测量轴的测量值。

角度α_s表示在水平面(相对于大地测量系统的垂直调整)中的第一倾角仪11的方向角。根据第一倾角仪11的倾角数据在第一和第二方向之间的变化，确定角度α_s。这里，同样由第一倾角仪11的倾角数据在第一和第二方向之间的变化定义一个参考方向。该参考方向对应于为第二倾角仪21确定的参考方向。

如果第一倾角仪11的测量平面相对于第二倾角仪21的测量平面的倾斜角度很小，可根据下述公式计算相对方向角Ω。

Ω＝α _s -α _t

也就是说，在水平面(相对于大地测量系统的垂直调整)中，第一倾角仪11和第二倾角仪21之间的相对方向角Ω被计算为水平面中的确定的第一倾角仪方向角与水平面中的确定的第二倾角仪方向角之间的差值。

大地测量仪器可构造为使得第一倾角仪的测量平面相对于第二倾角仪的测量平面的相对倾斜角小于20度，或小于10度，或小于5度，或小于2度，或小于1度。

以此方式确定相对方向角Ω的先决条件是，在第一和第二方向上，第二倾角仪21相对于第一倾角仪11的方向是相同的。通过验证公式

(s _t2 -x _t1 ) ² +(y _t2 -y _t1 ) ² ＝(x _s2 -x _s1 ) ² +(y _s2 -y _s1 ) ²

可以检查在第一和第二方向上，第二倾角仪21相对于第一倾角仪11的方向是否相同。在已经确定相对方向角Ω后，可以立即例如由计算和存储单元50执行该检查。

第一和第二倾角仪11、21中的每一个可以构造为使得可通过具有优于0.5度的精度的各自的倾角仪确定倾斜角。而且，每一个倾角仪可以构造为以使能可以优于0.57度的精度确定倾斜方向。由于倾角仪具有这些精度，当对每一个测量轴第一和第二方向之间的倾角的绝对差值为15度或更多时，可以优于0.8度的精度进行水平面中相对方向角的确定。

可由计算和存储单元50自动执行水平面中的相对方向角Ω的确定。因此，当距离测量系统10从杆30上拆下，并且在以后适时重新连接时，可以通过上述校准方法快速和可靠地确定第一倾角仪11相对于第二倾角仪22的相对方向角。

在确定水平面中的相对方向角Ω之后，可以校准第一倾角仪11的倾角数据和第二倾角仪21的倾角数据，使得第一坐标系80的坐标轴定向为与第二坐标系81相应的坐标轴平行。这可以以足够的精度来执行，尤其当第一倾角仪11的测量平面相对于第二倾角仪21的测量平面的倾斜角低于15度、或低于10度、或低于5度时。

在根据确定的相对方向角校准第一倾角仪11和第二倾角仪21的倾角数据后，可以确定在第一坐标系80和第二坐标系81的原点之间的距离向量。校准的第一坐标系的坐标轴于是定向为与校准的第二坐标系相应的坐标轴平行。根据第一倾角仪11校准的倾角数据和第二倾角仪21校准的倾角数据(其对应于共同的倾角测量)之间的差值，可确定距离向量。该确定的距离向量表示第一倾角仪的测量平面相对于第二倾角仪的测量平面的倾斜角和倾斜方向。因此，可以确定第一倾角仪11的测量平面相对于第二倾角仪21的测量平面的倾斜角和倾斜方向。

而且，可以想到的是，可基于大地测量系统1的两个以上的方向确定相对方向角Ω。这些不同的方向可包括相对于垂直方向的不同倾斜方向。通过平均或回归，可减小误差。那些低精度的测量，例如在几乎平行于一个倾角仪的测量轴的倾斜方向上的测量，可被排除在外或者可以以更低的权重值加权。

图4A和4B示意性示出了大地测量系统1A的第二示例性实施例。与图1中关于其组成或它们的结构和/或功能所示的大地测量系统的部件相对应的部件，一般由相同的附图标记表示，但这些符图标记增加了额外的字母以示区分。

如图4A所示，大地测量系统1A包括距离测量系统20A。该距离测量系统20A例如可以是光电距离测量系统。距离测量系统20A包括距离测量轴DMA，沿着该轴距离测量系统20A执行距离测量。距离测量系统20A沿着距离测量轴DMA发射激光束。距离测量系统20A进一步构造为使得距离测量轴DMA可指向目标71A，其设置在距离大地测量系统1A的一定距离处。在如图4A所示的示例中，目标71A为房子72A的屋檐，其中测量距离而不使用反射器。或者，目标71A为设置在杆上的反射器。该距离测量轴DMA沿着直线连接距离测量系统20A与目标71A。该直线连续地从距离测量系统20A延伸到目标71A。换句话说，距离测量轴既不是弯曲的也不是有角的。

该大地测量系统1A包括基体组件，该基体组件包括杆30A和天线外壳15A。在天线外壳15A中，设置卫星测量系统的天线和接收器(图4A中未示出)。

该距离测量系统20A通过铰接连接件22A连接到基体组件。距离测量系统20A可构造为可拆卸的手提式单元。距离测量系统20A可构造为使得其可在相对于基体组件的不同位置处(特别是在杆30A不同的轴向位置处)连接到基体组件。图4A中，这由双向箭头40表示。因此，当距离测量系统20A的轴向位置改变后，距离测量系统20A距参考点31A的高度L2可能是未知的。

大地测量系统1A包括导轨系统，导轨系统包括导轨26A和导向托架24A。导轨26A沿着杆30A设置。导向托架24A可由防脱落螺丝(screwlock)25A锁定。

大地测量系统1A包括铰接连接件22A。距离测量系统20A经由铰接连接件22A连接到基体组件。该铰接连接件22A包括旋转轴。通过铰接连接件，距离测量系统20A可相对于基体组件运动。大地测量系统1A可构造为使得铰接连接件22A与基体组件之间的距离，特别是铰接连接件22A的旋转轴与基体组件之间的距离，在所有方向和位置都是恒定的，在这些方向和位置距离测量系统20A可连接到基体组件。特别地，铰接连接件与杆30A之间的距离可以在相对于杆30A的所有轴向位置是恒定的。该距离可以是铰接连接件22A与基体组件之间的最小距离。

如图4B所示，铰接连接件22A构造为使得距离测量系统20A可如此布置以使距离测量系统20A沿着直线连接距离测量系统20A与表面区域16A。换句话说，距离测量轴沿着直线连接距离测量系统20A与表面区域16A，该直线既不是弯曲的也不是有角的。距离测量系统20A可通过旋转运动设置在该位置和方向。该旋转运动在图4B中由箭头23A示意性地表示。

表面区域16A构造为距离测量系统20A的目标表面。例如，表面区域16A可包括反射器箔(reflector foil)，在其上距离测量系统20A的激光束被反射。表面区域16A可包括目标标记。因此，用户可如此设置距离测量系统20A使得由距离测量系统20A的激光束引起的、在表面区域16A上的光斑位于目标标记的中心处。

该铰接连接件22A包括一个或多个旋转接头。如图4B所示的旋转轴相对于大地测量系统1A的垂直调整水平地定向。该距离测量系统20A可包括多个旋转轴，所述多个旋转轴构造为通过旋转运动，使距离测量轴DMA可以从目标71A导向到表面区域16A。

在如图4B所示的距离测量系统20A的位置中，距离测量系统20A和表面区域16A之间的距离是可测量的。在测量到被设置在距离大地测量系统1A一定距离处的目标71A的距离的过程中，距离测量系统20A的测量位置和测量方向由图4B中的附图标记27A表示。

距离测量系统20A可进一步包括倾角仪。该距离测量系统可构造为使得根据测得的倾角仪20A的倾角，可确定距离测量系统20A与表面区域16A之间的距离。

该大地测量系统1A构造为，根据测得的到表面区域16A的距离，可确定相对于参考点31A的测量位置27A。因此，可以准确地确定测点32与目标71A之间的距离D(图4A所示)。例如，由距离测量轴DMA导向到表面区域16A引起的距离测量系统20A的位置和方向的变化，可以是恒定的或已知的。特别地，在距离测量系统20A相对于基体组件的所有位置和方向上，从基体组件到铰接连接件的距离可以是恒定的。

因此，通过测量到表面区域16A的距离，可确定距离测量系统20A相对于参考点31A的测量位置27A。

基体组件构造为使得表面区域16A稳固地连接到参考点31A。因此，通过距离测量系统20A到表面区域16A的距离测量，可高精度地确定距离测量系统20A相对于参考点31A的测量位置27A。

按照在大地测量系统1A的垂直调整中的测量，距离测量系统20A设置在距离参考点31A的高度L2处，该高度低于表面区域16A距离参考点31A的高度L1。因此，可以在距离大地测量系统1A的垂直轴的较大径向距离处设置表面区域16A，而不阻碍用户到参考点31A和测点32的视野。在如图4A和4B所示的大地测量系统1A中，垂直轴由杆30A的轴给出。表面区域16A距离垂直轴的较大径向距离进一步允许简单的铰接连接件设计。

Claims (21)

1.一种大地测量系统，包括：

第一测量单元和第二测量单元；其中第一和第二测量单元中的每一个构造为执行用于获取各自测量单元的定位数据的测量；

第一倾角仪，用于获取第一倾角仪的倾角数据，该倾角数据表示在第一测量单元测量的垂直倾角；以及

第二倾角仪，用于获取第二倾角仪的倾角数据，该倾角数据表示在第二测量单元测量的垂直倾角；

其中大地测量系统构造为，根据第一倾角仪和第二倾角仪的倾角数据，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第一倾角仪与第二倾角仪之间的相对方向角。

2.根据权利要求1的大地测量系统，其中大地测量系统进一步构造为在大地测量系统的第一和第二方向上，获取第一倾角仪的倾角数据和第二倾角仪的倾角数据；

其中，在第一方向中第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向，与在第二方向中第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向相同；以及

其中，大地测量系统进一步构造为，根据第一和第二倾角仪在第一方向上和第二方向上的倾角数据确定相对方向角。

3.根据权利要求2的大地测量系统，其中，为了确定相对方向角，大地测量系统进一步构造为

根据第一方向上第一倾角仪的倾角数据与第二方向上第一倾角仪的倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第一倾角仪的方向角；以及

根据第一方向上第二倾角仪的倾角数据和第二方向上第二倾角仪的倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第二倾角仪的方向角。

4.根据权利要求1-3中任意一项的大地测量系统，其中，大地测量系统进一步构造为，根据相对方向角，以及进一步根据第一测量单元的定位数据和/或第二测量单元的定位数据，确定大地坐标。

5.根据权利要求1-3中任意一项的大地测量系统，

其中，第一测量单元包括用于全球导航卫星系统的天线和接收器；和/或

其中，第二测量单元包括地面测量仪器。

6.根据权利要求1-3中任意一项的大地测量系统，其中第二测量单元包括

距离测量系统，用于在距离测量系统的测量位置处沿着距离测量系统到设置在离大地测量系统的一定距离处的目标的距离测量轴进行距离测量；以及

基体组件，其通过大地测量系统的铰接连接件连接到距离测量系统；

其中，该基体组件包括：

参考点，其与测点可接触；以及

表面区域，其构造为用于距离测量系统的目标区域；

其中，铰接连接件构造为，可如此设置距离测量系统使得距离测量轴沿着直线连接距离测量系统与表面区域；

其中，通过由距离测量系统进行的到表面区域的距离的测量，可确定距离测量系统相对于参考点的测量位置。

7.根据权利要求6的大地测量系统，其中基体组件包括天线外壳，其中天线外壳包括表面区域。

8.根据权利要求6的大地测量系统，其中基体组件包括杆；

其中参考点布置在杆的第一端；和/或

其中基体组件包括天线外壳，其设置在杆的第二端；其中天线外壳包括表面区域。

9.根据权利要求6的大地测量系统，其中距离测量系统设置在距离参考点一定高度处，该高度低于在大地测量系统的垂直调整中测量的表面区域的高度。

10.一种大地测量系统，包括：

第一倾角仪，具有两个测量轴；以及

第二倾角仪，具有两个测量轴；

其中大地测量系统构造为在大地测量系统的第一和第二方向上，获取第一倾角仪的倾角数据和第二倾角仪的倾角数据；

其中在第一方向上第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向，与在第二方向上第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向相同；

其中大地测量系统进一步构造为，根据在第一和第二方向上第一和第二倾角仪的倾角数据，确定在相对于大地测量系统垂直调整的平面中第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角。

11.根据权利要求10的大地测量系统，其中，为了确定相对方向角，大地测量系统进一步构造为

根据第一倾角仪在第一方向上的倾角数据与第一倾角仪在第二方向上的倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的平面中第一倾角仪的方向角；

根据第二倾角仪在第一方向上的倾角数据与第二倾角仪在第二方向上倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的平面中第二倾角仪的方向角。

12.一种操作大地测量系统的方法，其中，大地测量系统包括第一倾角仪，用于获取第一倾角仪针对第一倾角仪的两个测量轴的倾角数据；

其中，大地测量系统包括第二倾角仪，用于获取针对第二倾角仪的两个测量轴的倾角数据；

其中，该方法包括：

在第一方向上定位大地测量系统；

获取在第一方向上第一和第二倾角仪的倾角数据；

在第二方向上定位大地测量系统；

获取在第二方向上第一和第二倾角仪的倾角数据；

其中，在第一方向上，第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向与在第二方向上相同；

根据第一和第二倾角仪在第一和第二方向上的倾角数据，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角；以及

根据相对方向角，由大地测量系统确定大地坐标。

13.根据权利要求12的方法，进一步包括：

确定相对于第二倾角仪的测量平面的、第一倾角仪的测量平面的倾斜角，和/或相对于第二倾角仪的测量平面的、第一倾角仪的测量平面的倾斜方向；

其中，根据第一和第二倾角仪在第一和/或第二方向上的倾角数据，和/或根据相对方向角，确定倾斜角和倾斜方向中的每一个。

14.根据权利要求12或13的方法，其中确定相对方向角进一步包括：

根据第一倾角仪在第一方向上的倾角数据与第一倾角仪在第二方向上倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的平面中第一倾角仪的方向角；

根据第二倾角仪在第一方向上的倾角数据与第二倾角仪在第二方向上的倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的平面中第二倾角仪的方向角。

15.一种操作大地测量系统的装置，其中，大地测量系统包括第一倾角仪，用于获取第一倾角仪针对第一倾角仪的两个测量轴的倾角数据；

其中，大地测量系统包括第二倾角仪，用于获取针对第二倾角仪的两个测量轴的倾角数据；

其中，该装置包括：

用于在第一方向上定位大地测量系统后获取在第一方向上第一和第二倾角仪的倾角数据的第一模块；

用于在第二方向上定位大地测量系统后获取在第二方向上第一和第二倾角仪的倾角数据的第二模块；以及

用于根据第一和第二倾角仪在第一和第二方向上的倾角数据，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的水平面中第一倾角仪和第二倾角仪之间的相对方向角的第三模块，

其中，在第一方向上，第一倾角仪相对于第二倾角仪的方向与在第二方向上相同，所述大地测量系统根据相对方向角确定大地坐标。

16.根据权利要求15的装置，进一步包括：

用于确定相对于第二倾角仪的测量平面的、第一倾角仪的测量平面的倾斜角，和/或相对于第二倾角仪的测量平面的、第一倾角仪的测量平面的倾斜方向的第四模块；

其中，根据第一和第二倾角仪在第一和/或第二方向上的倾角数据，和/或根据相对方向角，确定倾斜角和倾斜方向中的每一个。

17.根据权利要求15或16的装置，其中确定相对方向角进一步包括：

根据第一倾角仪在第一方向上的倾角数据与第一倾角仪在第二方向上倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的平面中第一倾角仪的方向角；

根据第二倾角仪在第一方向上的倾角数据与第二倾角仪在第二方向上的倾角数据之间的差值，确定在相对于大地测量系统的垂直调整的平面中第二倾角仪的方向角。

18.一种大地测量系统，包括：

距离测量系统，用于在距离测量系统的测量位置处沿着距离测量系统到设置在离大地测量系统的一定距离处的目标的距离测量轴进行距离测量；

基体组件，其通过大地测量系统的铰接连接件连接到距离测量系统，

其中，该基体组件包括：

参考点，其设置在测点处；以及

表面区域，其构造为用于距离测量系统的目标区域；

其中，铰接连接件构造为，可如此设置距离测量系统使得距离测量轴沿着直线连接距离测量系统与表面区域；

其中，通过由距离测量系统进行的到表面区域的距离的测量，可确定距离测量系统相对于参考点的测量位置。

19.根据权利要求18的大地测量系统，其中基体组件包括天线外壳，其中天线外壳包括表面区域。

20.根据权利要求18的大地测量系统，其中基体组件包括杆；

其中参考点布置在杆的第一端；和/或

其中基体组件包括天线外壳，其设置在杆的第二端；其中天线外壳包括表面区域。

21.根据权利要求18-20中任意一项的大地测量系统，其中距离测量系统设置在距离参考点一定高度处，该高度低于在大地测量系统的垂直调整中测量的表面区域的高度。