CN110849338A - 一种控制网测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种控制网测量方法，其包括如下过程：在已有的控制网中增加布设n个基准点，这些基准点呈直线排列；为待测量控制网预设一条基准线；分别测量n个基准点与基准线在水平面上的偏距；在控制网的m个控制点处和基准线的n个基准点处放置测量目标；在q个预设站点处架设测量设备并利用测量设备测量获取各个预设站点处其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值；采用平差求解的算法解算出m个控制点的坐标。本申请的控制网测量方法，引入基准线对控制网进行约束，采用平差求解的算法解算出控制网中各个控制点的坐标，具有很高的绝对点位精度。

Description

一种控制网测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种控制网测量方法。

背景技术

在进行粒子直线加速器、高铁导轨等设备的安装与定位操作中，由于这些设备呈直线形式布置，故要求在几百米甚至上公里的范围内将所有设备都准直到一条直线上。为了提供设备安装、调整、监测的定位基准，需要在空间布设精密准直控制网，控制网由若干控制点组成，一般在墙面和地面均匀布设。在对设备进行安装之前，首先需要对准直控制网进行测量，从而建立起高精度的安装定位基准，因此，准直控制网的测量精度决定了设备安装定位的精度。直线控制网网形狭长、首尾不闭合，由于测量误差会一站一站累积传递，导致直线控制网容易发生扭曲，故无法获得高精度的直线控制网坐标，无法保证设备整体的直线度要求。

发明内容

本申请提供一种控制网测量方法，其包括如下过程：

在已有的控制网中增加布设n个基准点，这些基准点呈直线排列；

为待测量控制网预设一条基准线；

在基准点处放置相应的准直目标，分别测量n个基准点与基准线在水平面上的偏距；

在控制网的m个控制点处和基准线的n个基准点处放置测量目标；

在q个预设站点处架设测量设备并利用测量设备测量获取各个预设站点处其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值；

求解控制点坐标：基于测量得到的n个基准点与基准线在水平面上的偏距、q个预设站点分别对应的控制点观测值和q个预设站点分别对应的基准点观测值，采用平差求解的算法解算出m个控制点的坐标。

本申请的控制网测量方法，引入基准线对控制网进行约束，采用平差求解的算法解算出控制网中各个控制点的坐标，具有很高的绝对点位精度。

附图说明

图1为实施例一的附加基准线约束的控制网测量方法流程示意图；

图2为实施例一的待测量控制网示意图；

图3为基准线位置设计示意图；

图4为实施例一的基准线及基准点示意图；

图5为实施例一的工具经纬及光学瞄准球形目标示意图；

图6为激光准直仪及激光位置探测球形目标示意图；

图7为实施例一的基准柱示意图；

图8为实施例一的基准柱示意图；

图9为实施例一的预设站点及测量设备设置示意图；

图10为实施例一的激光跟踪仪第一站测量示意图；

图11为实施例一的激光跟踪仪第二站测量示意图；

图12为实施例一的激光跟踪仪第七站测量示意图；

图13为实施例一的激光跟踪仪全部站位测量示意图；

图14为实施例一的激光跟踪仪仪器坐标系示意图；

图15为实施例一的激光跟踪仪仪器坐标系及控制网全局坐标系示意图；

图16为实施例一的基准线在直线控制网全局坐标系下的示意图；

图17为实施例一的矩阵B的表达式；

图18为基准点及激光跟踪仪设置示意图；

图19为其它实施方式的待测量控制网示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

本文中m、n、q、k、i、j等字母均表示大于等于1的整数。

实施例一：

如图2所示为本实施例已有的待测量三维精密控制网，用于作为设备的安装、调整、监测的基准，其中设置了m个控制点P₁…P_m，控制点等间距分布于两条相互平行的直线上，即两条直线上的控制点沿待安装设备所在场地的地面及墙面按照一定间距均匀布设、立体分布，从而包围整个待安装设备。可以看出从待安装设备的前端到末端沿整个直线场地按照截面分为若干段，每个截面在地面分布有2个控制点。令图2中控制网的延伸方向为纵向，令与控制网延伸方向垂直的方向为横向，两条直线上各取一点组成一对控制点，每一对控制点的连线都与横向方向同向，在纵向方向设置有一对接一对的控制点使得控制网朝纵向方向不断延伸，例如P₁、P₂为一对控制点且处于一个截面中，P₃、P₄为一对控制点且处于一个截面中。

在本申请的其他实施方式中，控制网还可以是其它形式，如图19所示，控制网的m个控制点等间距或非等间距分布于多条沿纵向方向的直线上；从多条直线上各取一点组成一组控制点且每一组控制点的连线都与横向方向同向，一组控制点处于一个截面中；在纵向方向上，控制点一组接一组地设置使得控制网朝纵向方向不断延伸。

如图1所示，本实施例的附加基准线约束的直线形控制网高精度测量方法包括如下过程：

St1、测量偏距过程：

St1.1、在已有的待测量控制网中增加布设n个基准点L₁…L_n，这些基准点呈直线排列，并为待测量控制网预设一条基准线。

基准线由工具经纬仪的光学视线表示，或者由激光准直仪的激光束表示，或者由空间紧绷的一条直线表示。基准线可以如图3所示的线段A₁B₁被设计处于控制网的范围外，或者如图3所示的线段A₂B₂处于控制网的范围内，或者如图3所示的线段A₃B₃跨越控制网的范围内和范围外。

优选地，如图4所示，本实施例中基准线设定于控制网的中线上且与控制网的延伸方向同向。

St1.2、在基准线的一端设置具有高准直性的准直设备，在基准线的n个基准点处放置准直目标。

本领域技术人员可以根据实际需求灵活选择作为准直设备的产品及其对应的准直目标，例如，如图5所示，准直设备可以采用工具经纬仪L₀₁，则准直目标为光学瞄准球形目标L₀₂；或者，如图6所示，准直设备可以采用激光准直仪L₀₃，则准直目标为激光位置探测球形目标L₀₄。本实施例采用工具经纬仪作为准直设备，本领域技术人员应当理解，本申请中任何采用工具经纬仪的地方都可以替换为激光准直仪。与激光跟踪仪相比，准直设备即工具经纬仪或激光准直仪具有更好的准直性、方向性。

如图4(b)所示，工具经纬仪L₀₁架设在控制网的中线上、基准线的一端，如图4(a)所示，工具经纬仪可以产生一条固定方向的很直的直线，使得基准点L₁…L_n所连成的直线沿着设备安装所在场地中线方向。

放置基准点准直目标的具体方式为，在基准线即控制网中线上的每个基准点处都设置基准柱，如图7所示，基准柱由柱体01、平移台02、靶标座03组成，如图8所示，靶标座03安装在平移台02上，平移台02安装在柱体01上，平移台02可以带着靶标座03在柱体01上进行位移调节。靶标座上配合放置工具经纬仪的目标即光学瞄准球形目标，其带有十字或圆形刻画，十字交点或圆心与球心同心，其表现形式有很多种，最常用的为垂准镜。在采用激光准直仪作为准直设备时，靶标座上则配合放置激光准直仪的目标即激光位置探测球形目标。靶标座优选为锥窝结构，能够磁吸住光学瞄准球形目标或激光位置探测球形目标，光学瞄准球形目标或激光位置探测球形目标的球心即代表了该基准点的位置。

St1.3、分别测量n个基准点处准直目标与基准线在水平面上的偏距。

测量偏距的一种方式是采用一个准直设备和n个准直目标，利用该准直设备逐一测量n个准直目标的偏距。

利用工具经纬仪依次瞄准基柱上的目标，如果基准柱上的目标不在工具经纬仪的水平视线上，则调节基准柱上的平移台，使得基准柱上的目标中心都调整到工具经纬仪的水平视线上，测量每个靶标座上的工具经纬仪目标中心到水平视线的偏距

并记录。最后将准直目标移除。

理想状态下，基准柱上的目标中心都应处于工具经纬仪的水平视线上。实际操作中，则需测量并记录每个工具经纬仪目标中心到水平视线的偏距。若某个工具经纬仪目标中心到水平视线的偏距为零，则表示该目标中心很理想地处于工具经纬仪的水平视线上，实际操作中，为了避免精确调整，通常直接测量偏距值。

测量偏距的另一种方式是：在基准线的第一个基准点处放置准直目标，利用准直设备测量该准直目标与准直设备在水平面上的偏距；然后取下该准直目标，并在第二个基准点处放置该准直目标，利用准直设备测量该准直目标与准直设备在水平面上的偏距…最后在基准线的第n个基准点处放置该准直目标，利用准直设备测量该准直目标与准直设备在水平面上的偏距。最后将准直目标移除。这种方式只需要用到一个准直设备和一个准直目标。

若基准线采用空间中紧绷的一条直线，则还可以利用游标卡尺或者其他仪器测量准直目标至基准线的平面偏距。

St2、放置测量目标及全视野测量控制点、基准点过程：

St2.1、在控制网的m个控制点处和基准线的n个基准点处放置测量目标。

放置基准点测量目标的具体方式为，在每个基准点处都设置基准柱，如图7所示，基准柱由柱体01、平移台02、靶标座03组成，如图8所示，靶标座03安装在平移台02上，平移台02安装在柱体01上，平移台02可以带着靶标座03进行位移调节，靶标座上配合放置基准点测量目标。

放置控制点测量目标的具体方式为，在每个控制点处都设置靶标座，靶标座上配合放置控制点测量目标。

测量设备选用激光跟踪仪，采用自由设站的方式进行设站，本实施例中激光跟踪仪架设在控制网的中线上。控制点测量目标为激光跟踪仪反射球(即角隅反射球形目标)，即控制点处的靶标座上配合放置激光跟踪仪反射球；基准点测量目标也为激光跟踪仪反射球，即基准点处的靶标座上配合放置激光跟踪仪反射球。激光跟踪仪是一种适用于大尺寸、高精度的三维空间测量的球坐标测量系统，具有方便、高效的特点，在测量领域应用广泛。采用激光跟踪仪进行测量与运算的原理为：首先通过其内置的电子水平传感器将仪器调整水平，获取测量仪器至控制点/基准点的水平角、垂直角、斜距，再根据这些观测值，计算得到控制点/基准点在铅锤坐标系下的三维坐标。激光跟踪仪需要配合反射球使用，反射球将激光跟踪仪发射的激光原路返回。

锥窝结构的靶标座能够磁吸住反射球，反射球的球心即代表了该控制点/基准点的位置。

St2.2、如图9所示，分别在q个预设站点先后设置测量设备并测量获取测量设备预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值。

当激光跟踪仪在站点T_k设站完毕后，对于放置了反射球的控制点P_i，读取控制点观测值即激光跟踪仪至反射球的水平角

垂直角

斜距

对于放置了反射球的基准点L_j，读取基准点观测值即激光跟踪仪至反射球的水平角

垂直角

斜距

本领域技术人员应当理解，q个预设站点的分布无要求，既不要求q个预设站点必须分布于一条直线上，也不要求q个预设站点等间距分布。优选地，预设站点T₁…T_q等间距分布于基准线所在的直线上，故预设站点的排布也处于控制网的中线上且与控制网的延伸方向同向，某个站点处于纵向方向上两个控制点之间的中线与基准线的交点上，例如站点T₂处于P₁、P₃之间的中线与基准线的交点上，站点T₃处于P₃、P₅之间的中线与基准线的交点上......

激光跟踪仪的预设观测范围为该激光跟踪仪最大观测视野所覆盖的范围。

假设控制点总共有12个，则基准点可以设计为6个，预设站点可以设计为7个。激光跟踪仪在其最大观测视野所覆盖的范围内可以测量到所有控制点测量目标和基准点测量目标。

如图10为激光跟踪仪第一站测量的示意图，激光跟踪仪摆放的第一站在控制网起始端外部水平架设，激光跟踪仪对其视野即测量量程范围内的所有控制点和基准点进行测量。

如图11所示为激光跟踪仪第二站测量的示意图，激光跟踪仪摆放的第二站在控制网第1段和第2段控制点间设站，即为两个控制点的中线上(P₁和P₃的中线)，激光跟踪仪对所有控制点和基准点进行测量。

经过第一站至第六站，如图12所示为激光跟踪仪第七站测量的示意图，激光跟踪仪摆放的第七站在控制网末尾端外部设站，激光跟踪仪对所有控制点和基准点进行测量。

如图13所示为激光跟踪仪全部站位进行测量的示意图，激光跟踪仪对所有控制点和基准点测量完毕后，通过得到的各站位仪器对控制点和基准点测量获得的边、角观测值，进行平差计算，即可得到控制网中各控制点的坐标。

本实施例是将测量设备先设置在第一个预设站点并测量该测量设备预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值，再将该测量设备设置在第二个预设站点并测量其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值…最后将该测量设备设置在第q个预设站点并测量其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值。

本实施例中，激光跟踪仪采用单站全测的方式，对控制网中所有控制点和基准点都进行测量，在当前站测量完毕后，搬至下一站，保持合理的站与站之间的距离，使得这站的仪器被上一站仪器的测量范围包围住，相邻两站所测的公共控制点越多越好，保证相邻两站测量具有至少3个公共控制点。在本发明其他的实施方式中，对于超长控制网，受激光跟踪仪测量量程限制，若激光跟踪仪在一个站位上无法测量到所有的控制点，则采用多站搭接的方式进行测量，对其视野及测量量程范围内的所有控制点和基准点都进行测量。

在本发明的其他实施方式中，也可以是同时在q个预设站点设置对应的q个测量设备，分别利用每个测量设备测量各自预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值，测量设备的设置方式如图13所示。

St3、求解控制点坐标过程：

附加基准线约束的控制网解算基于测量得到的n个准直目标与基准线在水平面上的偏距、q个预设站点分别观测的控制点观测值和q个预设站点分别观测的基准点观测值，采用平差求解的算法解算出m个控制点的坐标。

如图14与图15所示，直线控制网全局坐标系为空间直角坐标系，定义水平面为XY平面，激光跟踪仪仪器中心点T为原点，竖直方向为Z轴方向，各控制点的坐标均为全局坐标系下的坐标。全局坐标系的X轴或Y轴的指向可以由人为或者工程定义，每一站激光跟踪仪的仪器坐标系都不一样，与仪器架设的状态有关。X轴与Y轴垂直，即X轴确定后，在水平面上与X轴垂直的方向为Y轴；或者，Y轴确定后，在水平面上与Y轴垂直的方向为X轴。

激光跟踪仪仪器坐标系以激光跟踪仪仪器中心点T为原点，以竖直方向的轴为第一轴Z_T轴，以激光跟踪仪的零方向为第二轴X_T轴，在水平面上与X_T轴垂直的方向为Y_T轴，激光跟踪仪的零方向是指激光跟踪仪水平方向观测值为零的方向，一般特定指向跟踪仪的基点。激光跟踪仪T对控制点P进行观测，可获得仪器中心至控制点测量目标在仪器坐标系下的控制点观测值，即水平方向观测量α(水平角观测值，图中控制点P水平面投影点与T点的连线同X_T轴的夹角)，天顶距观测量β(垂直角观测值，图中控制点P与T点的连线同Z_T轴的夹角)，斜距S(图中控制点P与T点的连线长度)。激光跟踪仪T对基准点L进行观测，可获得仪器中心至基准点目标在仪器坐标系下的基准点观测值，即水平方向观测量α(水平角观测值，基准点L水平面投影点与T点的连线同X_T轴的夹角)，天顶距观测量β(垂直角观测值，基准点L与T点的连线同Z_T轴的夹角)，斜距S(基准点L与T点的连线长度)。

本实施例中，直线控制网布设的m个控制点分别为P₁…P_m，在全局坐标系下每个控制点的坐标为

基准线的n个基准点分别L₁…L_n，在全局坐标系下每个基准点的坐标为

为了求得P₁…P_m点的坐标，先采用工具经纬仪对基准点L_j进行观测，再采用激光跟踪仪对控制点P_i和基准点L_j进行观测，激光跟踪仪经历了q个预设站点，各站仪器的中心分别为T₁…T_q，在全局坐标系下坐标为

以下详述附加基准线约束的控制网解算过程：

St3.1、激光跟踪仪水平方向函数模型与误差方程：

如图15所示，在全局坐标系下，TP的方位角即TP’与TY的夹角，激光跟踪仪的零方向的方位角为TX_T与TY的夹角W_T，两者相减即为激光跟踪仪测量得到的TP水平方向α_TP。图15中的P’点为某控制点P在水平面的投影点。

对于预设站点T_k处测量的控制点P_i，激光跟踪仪的水平方向观测值

可以由仪器及各点的坐标得到如下相应的观测方程，

对于预设站点T_k处测量的基准点L_j，激光跟踪仪的水平方向观测值

可以由仪器及各点的坐标得到如下相应的观测方程，

其中，W_Tk为第k站时激光跟踪仪T_k的定向角，即仪器水平码盘置零时，零方向在全局坐标系下的方位角。

公式中各参量采用的是真值(或估计值)的表示形式，例如

的真值表示形式为

将上式进行泰勒级数展开，得到如下平差方程。

以及，

其中，

其中，以0作为上标的参量表示这个参量的近似值，一个函数的泰勒级数展开为这个函数的近似值加上这个函数的一阶导(忽略二阶导及以上)。把待求的参数都写成参数的近似值加上参数的微小量，最终求解参数的微小量即可；例如W＝W⁰+w，W为待求参数，W⁰为W的近似值，w为微小量。

令

以及，

则水平方向的误差方程如下，

其中，ρ″表示将弧度转换成角度秒，其值为(180*3600/π)。

St3.2、激光跟踪仪垂直角函数模型与误差方程：

对于预设站点T_k处测量的控制点P_i，激光跟踪仪的垂直角观测值

以及对于预设站点T_k处测量的基准点L_j，激光跟踪仪的垂直角观测值

可以由仪器及各点的坐标得到相应的观测方程如下，

将上式进行泰勒级数展开，得到平差方程为如下，

其中，

令则垂直角的误差方程如下，

St3.3、激光跟踪仪斜距测量函数模型与误差方程：

对于预设站点T_k处测量的控制点P_i，激光跟踪仪的斜距观测值

以及对于预设站点T_k处测量的基准点L_j，激光跟踪仪的斜距观测值

可以由仪器及各点的坐标得到相应的观测方程如下，

将上式进行泰勒级数展开，得到平差方程如下，

令

则斜距的误差方程如下，

St3.4、工具经纬仪或激光准直仪测量获得的基准点与基准线的偏距测量函数模型与误差方程：

如图16所示，对于工具经纬仪或激光准直仪建立的基准线，提出采用法线式来表达其在直线控制网全局坐标系下的直线方程即R＝XcosΦ+YsinΦ，其中R为全局坐标系原点到直线的垂直距离(也用r表示)，Φ为法线与X轴正方向的夹角。

对于工具经纬仪或激光准直仪的偏距观测值

可以由各基准点的坐标及基准线的直线方程建立相应的观测方程如下，

将上式进行泰勒级数展开，得到平差方程为如下，

令

则偏距的误差方程如下，

St3.5、间接平差的函数模型及误差方程的矩阵形式：

本实施例中激光跟踪仪在每一站都测量全部点，联合式(4)-(13)，那么可得到误差方程的矩阵形式如下，

其中，共有3(m+n)q+n个观测方程，有3(m+n)+4q+2个未知参数，包括控制点P_i的坐标改正数

基准点L_j的坐标改正数激光跟踪仪测站中心T_k的坐标改正数

激光跟踪仪每一站的定向角的改正数

基准线的改正数

其中，V的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×1，B的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×[3(m+n)+4q+2]，

的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×[3(m+n)+4q+2]，1的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×1。B的表达式也可详见图17。

待求未知参数的近似值如下，

待求未知参数的平差值如下，

St3.6、随机模型：

由于带有误差的观测量是一种随机变量，因此，在对误差方程进行平差求解时需要考虑其随机模型。随机模型是描述平差问题中的随机量及其相互间统计相关性质的模型。在上述平差函数模型中，认为观测量

是随机量，模型中的参数是非随机量，因此，随机模型是指观测量的方差阵如下，

式中，Q为观测量的协因数阵，P为观测量的权阵，P与Q互为逆阵，

为单位权方差。

在平差前，根据仪器的标称精度来定权。本实施例中激光跟踪仪水平方向测角精度为σ_α，垂直方向测角精度为σ_β，测距精度为σ_S；工具经纬仪的偏距测量精度为σ_O，由于上述观测量相互之间都是独立的，所以认为权阵P为对角阵，如下式所示。定权时，单位权方差

可以是任意选定的某一个常数。

St3.7、平差解算及精度：

由于存在多余观测数，采用最小二乘原理进行平差求解，并对不同的观测值赋予不同的权重，则式(14)中的

须满足V^TPV＝min的要求，那么可以得到，

将上式得到的与待求未知参数的近似值X⁰相加即可得到各控制点和基准点在全局坐标系下的坐标。

至公式(24)，各个控制点的坐标即解算出来，X为解算出的包含各个控制点的坐标的矩阵。

St3.8、定权合理性检验：

将式(23)代入式(14)，可以得到每个观测值的改正数如下，

V＝B(B^TPB)^-1B^TPl-l (25)

单位权方差

的估值如下，

待求参数X的方差阵如下，

从公式(25)开始，先计算每个观测值的改正数，是为了计算得到公式(26)单位权方差的最佳估值，通过比较单位权方差的最佳估值与单位权方差的初值(即St3.6过程中任意选定的那个常数)，二者应该大致相同，如果不相同，则说明上述权矩阵定的不合理，则应该在St3.6随机模型过程重新定权。

在本发明测量及解算的基础上，可以进行以下检核。

检核方案一：

通过将工具经纬仪或激光准直仪引入到测量方法中，可以通过工具经纬仪或激光准直仪检核激光跟踪仪对控制网的测量精度。如果仅仅通过激光跟踪仪的观测来得到控制点的坐标，这种单一种类的仪器造成的系统误差则无法被发现。

具体地，对于只采用激光跟踪仪测量得到控制点坐标的方法，为了验证该方法中激光跟踪仪测量的精度，可以采用另外一种仪器来对其进行检核。方法为：将一部分控制点当作基准点，架设工具经纬仪(或激光准直仪)，瞄准基准点，调整工具经纬仪，将工具经纬仪的视线对准到由第一个基准点及最后一个基准点构成的直线上，再测量其他基准点到这条直线的偏距；同样，根据激光跟踪仪测量获得的基准点坐标，反算出各个基准点到由第一个基准点及最后一个基准点构成的直线的偏距，比较工具经纬仪测量与激光跟踪仪测量并计算得到的偏距结果是否一致，根据比较结果即可验证激光跟踪仪对控制网的测量精度。

检核方案二：

通过建立及布设两列或多列呈直线排列的基准点，采用其中一列或多列基准点参与对直线形控制网的约束平差，计算得到直线形控制网的坐标；利用另一列未参与约束的基准点来对平差得到的直线形控制网坐标进行检核，可以对本发明得到的直线形控制网的精度进行检核。

具体地，对第一列基准点，采用实施例一的方法，通过激光跟踪仪和工具经纬仪(或激光准直仪)两种仪器联合观测，对第二列基准点，只通过激光跟踪仪进行观测，对上述观测值进行整体平差，即计算方法中既列出控制点和基准点的水平角、垂直角、斜距观测方程外，也还列出第一列基准点的偏距观测方程，计算得到所有控制点和基准点的坐标。

采用上述检核方法，对第二列基准点坐标进行检验，即可验证本发明方法的有效性。

在本发明其他的实施方式中，如图18所示，提供了基准点及激光跟踪仪多种灵活的设置方式。

图18(a)中，基准线不预设在控制网中线上，故工具经纬仪、准直目标以及基准点测量目标也都不设置在控制网中线上；图18(b)中，激光跟踪仪不设置在控制网中线上；图18(c)中，基准线不预设在控制网中线上，激光跟踪仪也不设置在控制网中线上；图18(d)中，基准点的数量自由设定，不考虑与控制点的关系；图18(e)中，预设站点的数量自由设定，不考虑与控制点的关系；图18(f)中，基准点和预设站点的数量都自由设定，不考虑与控制点的关系；图18(g)中，基准点的位置自由设定，不要求某一基准点处于其对应一对控制点连线的中点；图18(h)中，预设站点的位置自由设定，不要求某一预设站点处于横向方向上两个控制点之间的中线与基准线的交点上；图18(i)中，基准点与预设站点的位置均自由设定。

现有技术中，直线控制网网形狭长、首尾不闭合，容易造成网形偏摆扭曲，激光跟踪仪的测量精度也限制了直线控制网的精度，从而导致直线控制网的横向精度偏低。对此，本发明充分利用工具经纬仪、激光准直仪等仪器准直性及方向性优异的特点，建立高精度基准线，提出了通过基准线来对直线形控制网进行约束从而提高控制网测量精度的方法。工具经纬仪或激光准直仪等仪器的特点是可以产生一条很直的直线，利用这类仪器将基准点调整到一条直线上，或者是测量各个基准点离直线的偏距，从而通过各个基准点建立并维持起高精度的基准线；尤其是通过高精度的基准线来对控制网的横向进行约束，使得直线控制网的横向精度大大提高。为调整及放置工具经纬仪、激光准直仪的目标，采用了基准柱、平移台与靶标座的搭配，靶标座上即可放置工具经纬仪、激光准直仪、激光跟踪仪等仪器相应的球形测量目标。

本发明利用激光跟踪仪大尺寸测量的优势，提出了激光跟踪仪单站全测的观测方式，对其视野即测量量程范围内的所有控制点都进行测量，除了对近距离的控制点进行小范围测量保证控制网的平滑性外，还对远处的控制点进行大跨度测量保证控制网的整体刚性。通过仪器单站对远处控制点直接大跨度的测量，削弱了多次转站搭接测量带来的误差，提高了控制网的相对和绝对精度；同时控制网的多余观测量也随着增加，提高了控制网的可靠性。

本发明的附加基准线约束的控制网平差方法，创新性地使用法线式的方式来表达基准线在控制网全局坐标系下的平面直线方程，从而简化了各基准点到基准线的偏距观测方程。将工具经纬仪或激光准直仪的高精度偏距观测方程与激光跟踪仪的角度、距离观测方程联合解算，赋予偏距观测方程较大的权重，利用基准线对控制网进行约束，根据最小二乘原理，从而平差得到高精度的控制网坐标。

本发明能够实现自由设站、单站全测、多站搭接，具有设站灵活性、点位平滑性的优点，能够保证控制网具有很高的相对点位精度，在粒子加速器以及高速铁路的控制网测量中应用广泛，在保证相对点位精度的同时，还能实现很高的绝对点位精度。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (10)

1.一种控制网测量方法，其特征在于，包括：

在已有的控制网中增加布设n个基准点，这些基准点呈直线排列；

为待测量控制网预设一条基准线；

在基准点处放置相应的准直目标，分别测量n个基准点与基准线在水平面上的偏距；

在所述控制网的m个控制点处和所述基准线的n个基准点处放置测量目标；

在q个预设站点处架设测量设备并利用所述测量设备测量获取各个预设站点处其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值；

求解控制点坐标：基于测量得到的n个基准点与基准线在水平面上的偏距、q个预设站点分别对应的控制点观测值和q个预设站点分别对应的基准点观测值，采用平差求解的算法解算出m个控制点的坐标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述在基准点处放置相应的准直目标，分别测量n个基准点与基准线在水平面上的偏距的方式为：

分别在所述控制网中布设的n个基准点处放置对应的n个准直目标，利用准直设备分别测量n个准直目标与基准线在水平面上的偏距；

或者，在所述控制网的第一个基准点处放置准直目标，利用准直设备测量该准直目标与基准线在水平面上的偏距；在所述控制网的第二个基准点处放置该准直目标，利用所述准直设备测量该准直目标与基准线在水平面上的偏距…在所述控制网的第n个基准点处放置该准直目标，利用所述准直设备测量该准直目标与基准线在水平面上的偏距。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述在q个预设站点处架设测量设备并利用所述测量设备测量获取各个预设站点处其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值的方式为：

将测量设备设置在第一个预设站点并测量获取其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值；将该测量设备设置在第二个预设站点并测量获取其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值…将该测量设备设置在第q个预设站点并测量获取其预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值；

或者，分别在q个预设站点设置对应的q个测量设备，分别利用每个测量设备测量获取各自预设观测范围内的控制点观测值和基准点观测值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述基准线由工具经纬仪的光学视线表示，或者由激光准直仪的激光束表示，或者由空间紧绷的一条直线表示；

所述基准线处于所述控制网的范围内，或者处于所述控制网的范围外，或者跨越所述控制网的范围内和范围外。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述控制网的延伸方向为纵向，与所述控制网延伸方向垂直的方向为横向；所述控制网的m个控制点分布于若干条沿纵向方向的直线上，从若干条直线上各取一点组成一组控制点且每一组控制点的连线都与横向方向同向；在纵向方向上，控制点一组接一组地设置使得控制网朝纵向方向不断延伸。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，

所述控制网的m个控制点等间距分布于两条沿纵向方向且相互平行的直线上，从两条直线上各取一点组成一对控制点且每一对控制点的连线都与横向方向同向；

所述基准线设定于所述控制网的中线上且与所述控制网的延伸方向同向。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述测量设备的预设观测范围为该测量设备最大观测视野所覆盖的范围；

放置基准点准直目标/测量目标的方式为：

在各个基准点处设置基准柱，所述基准柱由柱体、平移台、靶标座组成，所述靶标座安装在平移台上，所述平移台安装在柱体上；所述平移台用于带着靶标座进行位移调节；所述靶标座上配合放置基准点准直目标/测量目标；

放置控制点测量目标的方式为：

在各个控制点处设置靶标座，所述靶标座上配合放置控制点测量目标。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，

所述测量设备为激光跟踪仪，所述测量目标为反射球；

所述准直设备为工具经纬仪，所述准直目标为光学瞄准球形目标；

或者，所述准直设备为激光准直仪，所述准直目标为激光位置探测球形目标。

9.如权利要求1-7任一项所述的方法，

直线控制网全局坐标系为空间直角坐标系，水平面为XY平面，竖直方向为Z轴方向，各控制点的坐标均为全局坐标系下的坐标，X轴与Y轴垂直；

测量设备的仪器坐标系以测量设备中心点T为原点，以竖直方向为Z_T轴，以测量设备的零方向为X_T轴，在水平面上与X_T轴垂直的方向为Y_T轴；

测量设备T对控制点P进行观测，可获得仪器中心至控制点测量目标在仪器坐标系下的控制点观测值，包括水平方向观测值α即控制点P水平面投影点与T点的连线同X_T轴的夹角，垂直角观测值β即控制点P与T点的连线同Z_T轴的夹角，斜距S即控制点P与T点的连线长度；

测量设备T对基准点L进行观测，可获得仪器中心至基准点测量目标在仪器坐标系下的基准点观测值，包括水平方向观测值α即基准点L水平面投影点与T点的连线同X_T轴的夹角，垂直角观测值β即基准点L与T点的连线同Z_T轴的夹角，斜距S即基准点L与T点的连线长度；

直线控制网布设的m个控制点分别为P₁…P_m，在全局坐标系下每个控制点的坐标为

n个基准点分别L₁…L_n，在全局坐标系下每个基准点的坐标为

测量设备经历了q个预设站点，各站仪器的中心分别为T₁…T_q，在全局坐标系下坐标为

其特征在于，求解控制点坐标的过程如下：

测量设备水平方向函数模型与误差方程：

对于预设站点T_k处测量的控制点P_i，测量设备的水平方向观测值可以由仪器及各点的坐标得到如下相应的观测方程，

对于预设站点T_k处测量的基准点L_j，测量设备的水平方向观测值

可以由仪器及各点的坐标得到如下相应的观测方程，

其中，

为第k站时测量设备T_k的定向角，即仪器水平码盘置零时，零方向在全局坐标系下的方位角；

将上式进行泰勒级数展开，得到如下平差方程；

以及，

其中，

令

以及，

则水平方向的误差方程如下，

其中，ρ″表示将弧度转换成角度秒，其值为(180*3600/π)；

测量设备垂直角函数模型与误差方程：

对于预设站点T_k处测量的控制点P_i，测量设备的垂直角观测值

以及对于预设站点T_k处测量的基准点L_j，测量设备的垂直角观测值可以由仪器及各点的坐标得到相应的观测方程如下，

将上式进行泰勒级数展开，得到平差方程为如下，

其中，

令则垂直角的误差方程如下，

测量设备斜距测量函数模型与误差方程：

对于预设站点T_k处测量的控制点P_i，测量设备的斜距观测值以及对于预设站点T_k处测量的基准点L_j，测量设备的斜距观测值

可以由仪器及各点的坐标得到相应的观测方程如下，

将上式进行泰勒级数展开，得到平差方程如下，

令则斜距的误差方程如下，

准直设备测量获得的基准点与基准线的偏距测量函数模型与误差方程：

对于准直设备的偏距观测值可以由各基准点的坐标及基准线的直线方程建立相应的观测方程如下，

将上式进行泰勒级数展开，得到平差方程为如下，

令

则偏距的误差方程如下，

间接平差的函数模型及误差方程的矩阵形式：

联合式(4)-(13)，可得到误差方程的矩阵形式如下，

其中，V的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×1，B的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×[3(m+n)+4q+2]，的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×[3(m+n)+4q+2]，l的矩阵形式为[3(m+n)q+n]×1；

待求未知参数的近似值如下，

待求未知参数的平差值如下，

随机模型：

随机模型即观测量的方差阵如下，

式中，Q为观测量的协因数阵，P为观测量的权阵，P与Q互为逆阵，

为单位权方差；

测量设备水平方向测角精度为σ_α，垂直方向测角精度为σ_β，测距精度为σ_S；准直设备的偏距测量精度为σ_O，权阵如下式所示；根据仪器的标称精度来定权，单位权方差

可以是任意选定的某一个常数；

平差解算及精度：

采用最小二乘原理进行平差求解，并对不同的观测值赋予不同的权重，则

将上式得到的

与待求未知参数的近似值X⁰相加即可得到各控制点和基准点在全局坐标系下的坐标；

X为解算出的包含各个控制点的坐标的矩阵。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，

还包括定权合理性检验：

将式(23)代入式(14)，可以得到每个观测值的改正数如下，

V＝B(B^TPB)^-1B^TPl-l (25)

单位权方差

的估值

如下，

待求参数X的方差阵如下，

比较单位权方差的估值与单位权方差的初值，若二者不相同，则在所述随机模型的过程重新定权。

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