CN110146052B - 一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统，属于天文导航技术领域，包括以下步骤：S1：得到待测平面均匀分布点的三坐标；S2：计算得出平面俯仰角和在全站仪坐标系下的水平方位角；S3：求出太阳与真北的夹角。本发明由于采用了全站仪代替传统的经纬仪来对平面进行定向测量，这样能够使定向测量过程更加简单，容易操作；而且在系统中采用最新的太阳星历模型和岁差‑章动模型，使星体位置精度达到毫角秒级，可以方便地测量平面法线真北方位角和平面的俯仰角；还采用了基于Mtalab软件编写的应用程序对采集到的数据进行计算处理，使系统的自动化程度大大提高，可以满足测量的自动化和信息化要求。

Description

一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统

技术领域

本发明涉及天文导航技术领域，具体涉及一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统。

背景技术

在目前大地天文测量工作中，现有技术研制了一种基于卫星授时器、高精度电子经纬仪与计算机处理终端的新型天文定位定向系统，此系统操作相对简便，具有自动生成星表、观测数据采集、平差解算、成果报表等功能，可用于天文经纬度与方位角、垂线偏差测量以及子午线、陀螺仪标定等工作。

其测量原理主要是使用经纬仪测定目标点的水平方位角，再测定太阳的水平方位角同时记录下测量时间，根据定位三角形，由球面三角公式计算出此时太阳与真北的夹角，然后根据目标点和太阳的水平方位角差值，得出地面直线和真北夹角，完成地面直线星体位置功能。

但是上述的天文定向测量方法在使用时还是会存在一定的不足，该天文定向测量方在测量时自动化程度不够高，不能够很好地满足测量的自动化和信息化要求，而且测量精度有时难以达到要求，不利于测量定向工作的进行，因此，提出一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何更方便地对平面进行定向并提高定向过程的自动化程度，提供了一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法。

2、本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：

S1：得到待测平面均匀分布点的三坐标

将全站仪设立的坐标系设为世界坐标系，使用全站仪测量待测平面均匀分布的点，获得这些点的三坐标；

S2：计算得出平面俯仰角和在全站仪坐标系下的水平方位角

将上述步骤S1中获得的各个点的三坐标传输到计算机中，利用最小二乘法原理拟合出平面公式，得出平面法向量，然后计算平面法向量在全站仪坐标系中的水平方位角，同时计算出拟合平面与垂直于水平面的平面夹角，得出拟合平面的俯仰角；

S3：求出太阳与真北的夹角

利用全站仪测量太阳的水平方位角，同时精确记录此时测量的时间，从IERS(国际地球自转和参考系服务)网站获得测量时间转换为力学时的预测值，进而计算太阳视位置和太阳时角，通过定位三角形公式求得太阳与真北的夹角；

S4：求得待测平面法线的真北方位角

在全站仪坐标系下，求出待测平面法线和太阳水平方位角之间的差值，最后得出待测平面法线的真北方位角。

优选的，在所述步骤S3中，太阳视位置用坐标(α，δ)表示，其中α，δ分别表示太阳的赤经和赤纬，太阳时角用t表示。

优选的，所述太阳视位置的数值计算取自依巴谷星表，所述依巴谷星表的精度为毫角秒级。

优选的，在所述步骤S3中，在全站仪测量太阳的水平方位角时，测量时间(UTC)取自网络授时。

优选的，在所述步骤S4中，定位三角形公式如下：

其中，δ、t、

分别为太阳赤纬、太阳时角和测站纬度。

一种基于全站仪的平面法线天文定向测量系统，包括计算机、全站仪与通信模块；

所述计算机，用于对已采集的数据进行处理；

所述全站仪，用于测量待测平面均匀分布的点并获得这些点的三坐标、测量太阳的水平方位角以及记录测量时的时间并计算太阳视位置和太阳时角，由于采用了全站仪代替传统的经纬仪来对平面进行定向测量，这样能够使定向测量过程更加简单，容易操作；

所述通信模块，用于将由所述全站仪测量采集的数据传输给所述计算机；

所述计算机通过所述通信模块与所述全站仪实现通信连接。

优选的，所述通信模块为串口转网口通信模块，所述串口转网口通信模块为TTL电平带RJ45联网模块、RS232联网模块与RS485/422联网模块中任一种。

优选的，所述基于全站仪的平面法线天文定向测量系统中使用的岁差-章动模型采用IAU2000决议的简化模型，所述简化模型的精度为毫角秒级，在系统中采用最新的太阳星历模型和岁差-章动模型，使星体位置精度达到毫角秒级，可以方便地测量平面法线真北方位角和平面的俯仰角。

优选的，所述基于全站仪的平面法线天文定向测量系统中使用的岁差-章动模型采用IAU2000决议的简化模型IAU2000B，所述简化模型的精度为毫角秒级。

本发明相比现有技术具有以下优点：该基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统，由于采用了全站仪代替传统的经纬仪来对平面进行定向测量，这样能够使定向测量过程更加简单，容易操作；而且在系统中采用最新的太阳星历模型和岁差-章动模型，使星体位置精度达到毫角秒级，可以方便地测量平面法线真北方位角和平面的俯仰角；还采用了基于Mtalab软件编写的应用程序对采集到的数据进行计算处理，使系统的自动化程度大大提高，可以满足测量的自动化和信息化要求。

附图说明

图1本发明实施例一中平面法线天文定向方法的实施流程示意框图；

图2本发明实施例一中平面法线天文定向系统的结构组成示意图；

图3本发明实施例二中天文定向原理图。

图中：1、待测平面；2、太阳；3、全站仪；4、串口转网口通信模块；5、计算机。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例一

如图1所示，本实施例提供了一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法，包括以下步骤：

S1：得到待测平面均匀分布点的三坐标

将全站仪设立的坐标系设为世界坐标系，使用全站仪测量待测平面均匀分布的点，获得这些点的三坐标；

S2：计算得出平面俯仰角和在全站仪坐标系下的水平方位角

将上述步骤S1中获得的各个点的三坐标传输到计算机中，利用基于Mtalab软件编写的应用程序应用最小二乘法原理拟合出平面公式，得出平面法向量，然后计算平面法向量在全站仪坐标系中的水平方位角，同时利用程序计算出拟合平面与垂直于水平面的平面夹角，得出拟合平面的俯仰角，采用了基于Mtalab软件编写的应用程序对采集到的数据进行计算处理，使系统的自动化程度大大提高，可以满足测量的自动化和信息化要求；

S3：求出太阳与真北的夹角

利用全站仪测量太阳的水平方位角，同时精确记录此时测量的时间(UTC)，UTC取自网络授时，从IERS(国际地球自转和参考系服务)网站获得UTC转换为力学时的预测值，进而计算太阳视位置(α，δ)(注：α，δ分别表示太阳的赤经和赤纬)和太阳时角t，通过定位三角形公式求得太阳与真北的夹角A，所述定位三角形公式如下：

其中，δ、t、

分别为太阳赤纬、太阳时角和测站纬度；

S4：求得待测平面法线的真北方位角

在全站仪坐标系下，求出待测平面法线和太阳水平方位角之间的差值，最后得出待测平面法线真北方位角。

如图2所示，本实施例还提供了一种基于全站仪的平面法线天文定向测量系统，包括计算机5、全站仪3与串口转网口通信模块4；所述计算机5，用于通过基于Mtalab软件编写的应用程序完成对已采集数据的计算处理工作；所述全站仪3，用于测量待测平面1均匀分布的点并获得这些点的三坐标，并用于测量太阳2的水平方位角，还用于记录测量时的时间并计算太阳视位置和太阳时角；所述串口转网口通信模块4为RS232联网模块，用于将由所述全站仪3测量采集的数据传输给所述计算机5；所述计算机5通过所述RS232联网模块与所述全站仪3实现通信连接，所述定向系统中使用的岁差-章动模型采用IAU2000决议的简化模型IAU2000B，IAU2000B是根据国际天文学联合会(IAU)2000年第24届大会的有关决议，自2005年起岁差-章动模型采用IAU2000，本系统采用的模型B是IAU2000决议推荐的一个简化的模型，总共包含78项，以IAU2000B模型来对恒星视位置岁差和章动改正，该简化模型的精度为毫角秒级，由于采用了全站仪代替传统的经纬仪来对平面进行定向测量，这样能够使定向测量过程更加简单，容易操作，而且在系统中采用最新的太阳星历模型和岁差-章动模型，使星体位置精度达到毫角秒级，可以方便地测量平面法线真北方位角和平面的俯仰角。

所述基于Matlab软件编写的应用程序应用最小二乘法原理拟合出平面公式并得到平面法向量，详细过程为首先把全站仪测得三坐标输入到程序中，Matlab调用regress函数拟合成平面，以此得出平面的函数表达式，从而得到拟合平面的法线，设置全站仪X轴指向为北向，投影平面法线在XY平面上，计算出投影的平面法线与X轴夹角，此夹角即为平面法线在全站仪坐标下的水平方位角。

在所述全站仪测量太阳2的水平方位角时，测量时间(UTC)，UTC取自网络授时，从IERS(国际地球自转和参考系服务)网站获得UTC转换为力学时的预测值，进而计算太阳视位置和太阳时角，太阳视位置用坐标(α，δ)表示，其中α，δ分别表示太阳的赤经和赤纬，所述太阳时角用t表示。

所述太阳视位置的数值计算取自依巴谷星表，所述依巴谷星表的精度为毫角秒级，依巴谷星表是欧洲空间局依巴谷天体测量卫星计划的主要成果，依巴谷卫星用以测量恒星视差和自行，依巴谷计划分为依巴谷实验和第谷实验两部分，前者目标是测量120000颗恒星五个天文测量参数，后者测量另外400000颗恒星的天文测量参数及B-V色指数。

所述基于全站仪的平面法线天文定向测量系统中使用的天文经纬度来自全球定位系统(GPS)。

实施例二

如图3所示，本发明天文定向原理图所示，N为北天极，在观测点M(全站仪设置点)观测太阳σ，通过太阳星历模型计算出观测太阳瞬间的位置，得出太阳σ与真北的夹角A。通过全站仪测量太阳σ与目标物B(本系统中MB指的是待测平面的法向量)的水平夹角β，此时目标物B与真北的夹角为a＝A+β。

综上所述，上述两组实施例中的基于全站仪的平面法线天文定向测量方法及系统，由于采用了全站仪代替传统的经纬仪来对平面进行定向测量，这样能够使定向测量过程更加简单，容易操作；而且在系统中采用最新的太阳星历模型和岁差-章动模型，使星体位置精度达到毫角秒级，可以方便地测量平面法线真北方位角和平面的俯仰角；还采用了基于Mtalab软件编写的应用程序对采集到的数据进行计算处理，使系统的自动化程度大大提高，可以满足测量的自动化和信息化要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：得到待测平面均匀分布点的三坐标

将全站仪设立的坐标系设为世界坐标系，使用全站仪测量待测平面均匀分布的点，获得这些点的三坐标；

S2：计算得出平面俯仰角和在全站仪坐标系下的水平方位角

将上述步骤S1中获得的各个点的三坐标传输到计算机中，利用最小二乘法原理拟合出平面公式，得出平面法向量，然后计算平面法向量在全站仪坐标系中的水平方位角，同时计算出拟合平面与垂直于水平面的平面夹角，得出拟合平面的俯仰角；

S3：求出太阳与真北的夹角

利用全站仪测量太阳的水平方位角，同时精确记录此时测量的时间，从国际地球自转和参考系服务网站获得测量时间转换为力学时的预测值，进而计算太阳视位置和太阳时角，通过定位三角形公式求得太阳与真北的夹角；

在所述步骤S3中，定位三角形公式如下：

其中，δ、t、φ分别为太阳赤纬、太阳时角和测站纬度；

S4：求得待测平面法线的真北方位角

在全站仪坐标系下，求出待测平面法线和太阳水平方位角之间的差值，最后得出待测平面法线的真北方位角。

2.根据权利要求1所述的一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法，其特征在于：在所述步骤S3中，太阳视位置用坐标(α，δ)表示，其中α，δ分别表示太阳的赤经和赤纬，太阳时角用t表示。

3.根据权利要求2所述的一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法，其特征在于：所述太阳视位置的数值计算取自依巴谷星表，所述依巴谷星表的精度为毫角秒级。

4.根据权利要求1所述的一种基于全站仪的平面法线天文定向测量方法，其特征在于：在所述步骤S3中，在全站仪测量太阳的水平方位角时，测量时间取自网络授时。

5.一种基于全站仪的平面法线天文定向测量系统，其特征在于：包括计算机、全站仪与通信模块；

所述计算机，用于计算太阳视位置和太阳时角，通过定位三角形公式求得太阳与真北的夹角，再得出方位角；

所述全站仪，用于测量待测平面均匀分布的点并获得这些点的三坐标、测量太阳的水平方位角以及记录测量时的时间并计算太阳视位置和太阳时角；

所述通信模块，用于将由所述全站仪测量采集的数据传输给所述计算机；

所述计算机通过所述通信模块与所述全站仪实现通信连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于全站仪的平面法线天文定向测量系统，其特征在于：所述通信模块为串口转网口通信模块，所述串口转网口通信模块为TTL电平带RJ45联网模块、RS232联网模块与RS485/422联网模块中任一种。

7.根据权利要求5所述的一种基于全站仪的平面法线天文定向测量系统，其特征在于：所述基于全站仪的平面法线天文定向测量系统中使用的岁差-章动模型采用IAU2000决议的简化模型IAU2000B，所述简化模型的精度为毫角秒级。

8.根据权利要求5所述的一种基于全站仪的平面法线天文定向测量系统，其特征在于：所述基于全站仪的平面法线天文定向测量系统中使用的天文经纬度来自全球定位系统。

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