CN107860401B - 一种用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置及方法。测量装置包括定向系统、数据采集判读系统、数据处理修正系统、控制系统、水准仪和CCD自准直仪；水准仪用于为CCD自准直仪提供水平基面；CCD自准直仪固安在经纬仪载车平台底座上与水准仪相对设置；定向系统用于获取预定方向与CCD自准直仪的CCD靶面X轴在水平面上投影的夹角，即偏向角Φ；数据采集判读系统用于采集CCD自准直仪输出的晃动和变形误差及定向系统输出的偏向角Φ并发送给数据处理修正系统；数据处理修正系统对数据处理后输出修正量给控制系统；控制系统根据修正量实时修正光电经纬仪的方位角和俯仰角。本发明使经纬仪在应用时摆脱固定点位的限制，布站更灵活，成本低，效率高。

Description

一种用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种修正光电经纬仪指向值的测量装置及方法。

背景技术

光电经纬仪是现代靶场中获取外弹道数据的重要测量设备，具有很高的测角精度，使用时需要将设备布设在固定点位上并进行精确调平，才能实现对目标的精确测量。参见图1，目前在使用光电经纬仪4前，需要根据测试任务选择并建设固定点位(图1中混凝土基座1、地基环2和混凝土墩座3)，然后将光电经纬仪4运至固定点位处(小型经纬仪采用多人抬至固定点位上，而大型经纬仪必须用吊车或专用载车的落座装置将其放置在固定点位上)，再进行固紧和仪器调平等繁杂的准备工作才能开展跟踪测量。

目前光电经纬仪的使用方式存在以下几个问题：

1、机动灵活性差、难以按时完成测量任务

光电经纬仪固定点测量方式极大的限制了其使用范围和机动性能。由于受到现有点位的数量和位置限制而无法满足目前多样性测试任务灵活布站的要求。试验任务多在人迹稀少的野外进行，道路状况复杂，导致大型吊车和专用经纬仪载车经常无法通过并到达点位，难以按时完成测量任务。

2、工作效率低

目前固定点位方式，由于要将光电经纬仪由运输车辆安装在带有地基环的固定点位上，操作流程复杂，需要大量人力物力协同保障，准备时间较长，工作效率极低。

3、经济成本高

由于事先要修建固定点位和道路，动用吊车或配备专用经纬仪载车，而且准备过程中要多人协同作业才能完成经纬仪落座工作，固定点位和道路需要定期维护，所以直接导致经济成本居高不下。

发明内容

本发明的目的在于解决背景技术中的问题，而提供一种用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置及方法，通过CCD自准直仪和水准仪配合使用，实时测量光电经纬仪载车平台的晃动和变形误差，对光电经纬仪的指向进行实时修正，使得经纬仪在应用时摆脱固定点位的限制，从而避免了固定点位限制所带来的弊端。

本发明的技术方案是：

一种用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，包括定向系统、数据采集判读系统、数据处理修正系统和控制系统；其特殊之处在于：还包括水准仪、CCD自准直仪；

水准仪放置在地面上用于为所述CCD自准直仪提供水平基面；

CCD自准直仪固定安装在光电经纬仪载车平台的底座上，与所述水准仪相对设置；

定向系统固定安装在光电经纬仪上，或者固定安装在光电经纬仪载车平台上，用于获取预定方向与所述CCD自准直仪的CCD靶面X轴在水平面上投影的夹角，即偏向角Φ；

数据采集判读系统用于采集CCD自准直仪输出的晃动和变形误差以及定向系统输出的偏向角Φ，并发送给数据处理修正系统；数据处理修正系统对收到的数据进行处理后输出修正量给控制系统；控制系统根据收到的修正量实时修正光电经纬仪的方位角和俯仰角。

进一步地，上述CCD自准直仪输出的晃动和变形误差为与光电经纬仪固连的载车平台的纵摇角P和横摇角R，修正后的光电经纬仪的方位角A和俯仰角E分别为：

式中，A'、E'分别为光电经纬仪坐标系下光电经纬仪的方位角和俯仰角。

优选地，上述定向系统固定安装在光电经纬仪上。

进一步地，上述定向系统为GPS定位定向系统或者指北仪。

进一步地，上述CCD自准直仪包括通过壳体封装于一起的光源、分划板、第一透镜、分光镜、第二透镜、第三透镜和CCD；所述光源、分划板、第一透镜和分光镜沿同一光路依次设置，分光镜将入射其上的光束分为两路，所述第二透镜和水准仪沿其中一路光路依次设置，所述第三透镜和CCD沿另一路光路依次设置。

进一步地，上述水准仪为水平反射镜或水银水准器。

本发明同时提供了一种对光电经纬仪的指向值进行实时修正的方法，包括以下步骤：

1)将光电经纬仪、CCD自准直仪固定安装在光电经纬仪载车平台上，将定向系统固定安装在光电经纬仪载车平台上或者固定安装在光电经纬仪上，将水准仪放置在地面上；

2)测量前系统标定；

3)在光电经纬仪工作过程中实时获取CCD自准直仪输出的晃动和变形误差以及定向系统输出的偏向角Φ；

4)根据步骤3)获取的数据计算修正量；

5)根据所述修正量实时修正光电经纬仪的方位角和俯仰角。

进一步地，上述步骤2)中，若定向系统固定安装在光电经纬仪上，则只需标定CCD自准直仪和光电经纬仪的倾斜误差；若定向系统固定安装在光电经纬仪载车平台上，则需要标定CCD自准直仪和光电经纬仪的倾斜误差，以及标定光电经纬仪和光电经纬仪载车平台安装航向角度误差。

进一步地，上述步骤3)中CCD自准直仪输出的晃动和变形误差具体为与光电经纬仪固连的载车平台的纵摇角P和横摇角R；所述纵摇角P和横摇角R根据CCD自准直仪的激光光斑脱靶量Δx和Δy计算。

进一步地，经上述步骤5)修正后，光电经纬仪的方位角A和俯仰角E分别为：

式中，A'、E'分别为光电经纬仪坐标系下光电经纬仪的方位角和俯仰角。

本发明相比现有技术的优点是：

1、本发明用于光电经纬仪载车平台的倾斜量测量，能对光电经纬仪指向值进行实时修正，所以光电经纬仪在载车平台上就可进行高精度测量，无需落座使用，因此光电经纬仪在应用时摆脱固定点位的限制，可根据测试任务灵活布站，从而极大地拓宽了光电经纬仪的适用范围。

2、本发明采用高分辨率的CCD自准直仪作为采样装置，所获取的倾斜量精度较高，测量频率远大于载车平台晃动频率，从而可以保证光电经纬仪在不落到固定点位上也能达到测量精度要求。

3、采用本发明能够保证光电经纬仪不落座也能达到测量精度要求，省略了固定点位的建设环节，降低了对道路的要求，在使用过程中无需再将光电经纬仪落到地基环，节约了经济成本，提高了工作效率。

附图说明

图1是现有技术光电经纬仪使用时固定点位示意图；

图2是本发明的使用时布置位置示意图；

图3是本发明的结构原理框图；

图4是光电经纬仪载车平台倾斜量的空间坐标系图；

图5是CCD自准直仪的原理及其与水准仪的相对位置示意图；

图中标号：1-混凝土基座，2-地基环，3-混凝土墩座，4-光电经纬仪，5-光电经纬仪载车平台，6-CCD自准直仪，61-光源，62-分划板，63-第一透镜，64-第二透镜，65-第三透镜，66-分光镜，67-CCD，7-水准仪。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

参见图2和图3，本发明所提供的用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，通过测量光电经纬仪载车平台5的倾斜量变化对光电经纬仪指向值进行实时修正，包括水准仪7、CCD自准直仪6、定向系统、数据采集判读系统、数据处理修正系统和控制系统。水准仪7和CCD自准直仪6相对设置(参见图2)，其中，水准仪7放置在地面上用于为CCD自准直仪6提供水平基面，CCD自准直仪6固定安装在光电经纬仪载车平台5的底座上；定向系统固定安装在光电经纬仪上，或者固定安装在光电经纬仪载车平台5上，用于获取预定方向与所述CCD自准直仪6的CCD靶面X轴在水平面上投影的夹角，即偏向角Φ；数据采集判读系统用于采集CCD自准直仪6输出的晃动和变形误差以及定向系统输出的偏向角Φ，并发送给数据处理修正系统；数据处理修正系统对收到的数据进行处理后输出修正量给控制系统；控制系统根据收到的修正量实时修正光电经纬仪的方位角和俯仰角。水准仪7可以是水平反射镜或水银水准器；定向系统可以是GPS定位定向系统或者指北仪；数据采集判读系统、数据处理修正系统和控制系统均为现有单元。

参见图5，CCD自准直仪6包括通过壳体(图中未示出)封装于一起的光源61、分划板62、第一透镜63、分光镜66、第二透镜、第三透镜和CCD67。光源61、分划板62、第一透镜63和分光镜66沿同一光路依次设置，分光镜66将入射其上的光束分为两路，沿其中一路依次设置所述第二透镜64和水准仪7，沿另一路依次设置所述第三透镜65和CCD67。

本发明的工作原理：

光电经纬仪4的姿态主要由以下三个参数确定，参见图4：

偏向角Φ：预定方向(如正北方向)与CCD自准直仪6的CCD靶面X轴(以下简称基线)在水平面上的投影的夹角，该值由定向系统给出；

与光电经纬仪4固连的光电经纬仪载车平台5的纵摇角P：基线与水平面之间的夹角；

与光电经纬仪4固连的光电经纬仪载车平台5的横摇角R：载车平台绕已经纵倾的基线的旋转角度。

由于光电经纬仪4固连的光电经纬仪载车平台5经过调平，而且刚性较好，所以纵摇角P和横摇角R均为较小角度，因此横摇角R可以用CCD自准直仪6中CCD的靶面Y轴与水平面之间的夹角测量值来代替。

对光电经纬仪4的方位角和俯仰角的修正过程就是坐标系的转换过程，即由大地坐标系到光电经纬仪4坐标系的转换，该转换可以看成是由三个平面旋转顺序变换组成，而且是三个矩阵的乘积。所以可以按照先偏向，再纵摇，最后横摇的顺序来进行，表示为偏向角Φ→纵摇角P→横摇角R，坐标系转换矩阵T为：

所以大地坐标系下某坐标点(x，y，z)和经纬仪坐标系下对应点(x`，y`，z`)的关系式如下：

由于

又因为

所以得到坐标变换公式如下：

同理可以推导得到坐标反变换公式如下，即修正后光电经纬仪4的指向值：

其中，A'、E'分别为光电经纬仪4坐标系下光电经纬仪4的方位角和俯仰角，A、E分别为大地坐标系下光电经纬仪4的方位角和俯仰角。

本发明的工作过程：

首先，将光电经纬仪4、CCD自准直仪6固定安装在光电经纬仪载车平台5上，将定向系统固定安装在光电经纬仪载车平台5上或者固定安装在光电经纬仪4上，将水准仪7通过升降装置放置在地面上并经过一定时间的稳定过程以消除专用经纬仪载车车体晃动对水准仪7的影响。

然后，进行测量前系统标定；若定向系统固定安装在光电经纬仪4上，则只需标定CCD自准直仪6和光电经纬仪4的倾斜误差；若定向系统固定安装在光电经纬仪载车平台5上，则需要标定自准直仪和光电经纬仪4的倾斜误差，以及标定光电经纬仪4和光电经纬仪载车平台5安装航向角度误差。具体标定方法均为现有已知方法。

第三步，在光电经纬仪4工作过程中同步实时获取CCD自准直仪6激光光斑的脱靶量Δx、Δy，计算出纵摇角P和横摇角R；同步实时获取定向系统输出的偏向角Φ。根据脱靶量Δx、Δy计算出纵摇角P和横摇角R的方法为本领域常规计算方法。

第四步，根据第三步获取的纵摇角P、横摇角R和偏向角Φ，按照公式(9)对光电经纬仪4作实时坐标系修正，也就是指向值修正，得到光电经纬仪4的真实方位角和俯仰角。

Claims (8)

1.一种用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，包括定向系统、数据采集判读系统、数据处理修正系统和控制系统；其特征在于：还包括水准仪、CCD自准直仪；

水准仪放置在地面上用于为所述CCD自准直仪提供水平基面；

CCD自准直仪固定安装在光电经纬仪载车平台的底座上，与所述水准仪相对设置；

定向系统固定安装在光电经纬仪上，或者固定安装在光电经纬仪载车平台上，用于获取预定方向与所述CCD自准直仪的CCD靶面X轴在水平面上投影的夹角，即偏向角Φ；

数据采集判读系统用于采集CCD自准直仪输出的晃动和变形误差以及定向系统输出的偏向角Φ，并发送给数据处理修正系统；数据处理修正系统对收到的数据进行处理后输出修正量给控制系统；控制系统根据收到的修正量实时修正光电经纬仪的方位角和俯仰角；

所述CCD自准直仪输出的晃动和变形误差为与光电经纬仪固连的载车平台的纵摇角P和横摇角R，修正后的光电经纬仪的方位角A和俯仰角E分别为：

式中，A'、E'分别为光电经纬仪坐标系下光电经纬仪的方位角和俯仰角。

2.根据权利要求1所述的用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，其特征在于：所述定向系统固定安装在光电经纬仪上。

3.根据权利要求1或2所述的用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，其特征在于：所述定向系统为GPS定位定向系统或者指北仪。

4.根据权利要求2所述的用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，其特征在于：所述CCD自准直仪包括通过壳体封装于一起的光源、分划板、第一透镜、分光镜、第二透镜、第三透镜和CCD；所述光源、分划板、第一透镜和分光镜沿同一光路依次设置，分光镜将入射其上的光束分为两路，所述第二透镜和水准仪沿其中一路光路依次设置，所述第三透镜和CCD沿另一路光路依次设置。

5.根据权利要求2所述的用于实时修正光电经纬仪指向值的测量装置，其特征在于：所述水准仪为水平反射镜或水银水准器。

6.一种对光电经纬仪的指向值进行实时修正的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将光电经纬仪、CCD自准直仪固定安装在光电经纬仪载车平台上，将定向系统固定安装在光电经纬仪载车平台上或者固定安装在光电经纬仪上，将水准仪放置在地面上；

2)测量前系统标定；

3)在光电经纬仪工作过程中实时获取CCD自准直仪输出的晃动和变形误差以及定向系统输出的偏向角Φ；

4)根据步骤3)获取的数据计算修正量；

5)根据所述修正量实时修正光电经纬仪的方位角和俯仰角；

修正后的光电经纬仪的方位角A和俯仰角E分别为：

式中，A'、E'分别为光电经纬仪坐标系下光电经纬仪的方位角和俯仰角。

7.根据权利要求6所述的对光电经纬仪的指向值进行实时修正的方法，其特征在于，所述步骤2)中，若定向系统固定安装在光电经纬仪上，标定CCD自准直仪和光电经纬仪的倾斜误差；若定向系统固定安装在光电经纬仪载车平台上，标定CCD自准直仪和光电经纬仪的倾斜误差，以及标定光电经纬仪和光电经纬仪载车平台安装航向角度误差。

8.根据权利要求6所述的对光电经纬仪的指向值进行实时修正的方法，其特征在于，所述步骤3)中CCD自准直仪输出的晃动和变形误差具体为与光电经纬仪固连的载车平台的纵摇角P和横摇角R；所述纵摇角P和横摇角R根据CCD自准直仪的激光光斑脱靶量Δx和Δy计算。

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