CN111578968A - 一种新型垂线偏差修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电测量技术领域，提供一种新型垂线偏差修正方法，本发明利用测站的垂线偏差参数，将测得的角度参数直接修正到大地坐标下，故能够快速进行垂线偏差修正，计算方法简单易懂，仅对待测区域进行垂线偏差一次测量就可完成偏差修正，不用进行复杂的天文和大地坐标转换，效率提升显著且工作量小。

Description

一种新型垂线偏差修正方法

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种测控设备外场试验过程中的 垂线偏差修正方法。

背景技术

垂线偏差是指真实重力矢量偏离参考方向的角度。根据参考方向定义的不 同，垂线偏差有两种定义方法：以参考椭球面法线为参考方向定义的垂线偏差 为天文大地垂线偏差(也称为Helmert垂线偏差)；以正常重力矢量方向为参考 方向定义的垂线偏差为重力垂线偏差(也称为Molodensky垂线偏差)。天文大 地垂线偏差与重力垂线偏差之间存在微小的差异是由正常重力线随高度变化的 弯曲引起的，这个差值可以从理论算出，两种垂线偏差可以相互换算，本文提 到的垂线偏差统一采用天文大地垂线偏差的定义，垂线偏差产生的原理示意图 如图1所示。

垂线偏差表示大地水准面的倾斜，其实质是天文坐标和大地坐标的(经纬 度)偏差，在高程上表现为高程异常。垂线偏差的大小一般在3″到10″之间， 最大的可以达到30″，所以它的影响不可忽视。

垂线偏差的测量方法主要有天文大地测量法和GPS/水准测量法，这两种方 法通过有效的观测手段直接得到垂线偏差；另外，还可以采用已知的重力异常 和重力梯度数据，根据垂线偏差和重力异常及重力梯度的关系直接估算相应的 垂线偏差值。

国军标给出的天文大地测量方法的基本原理是用天文观测法确定测量点的 天文坐标，同时，GPS用于测量观测点的大地坐标，利用获得的天文和大地坐 标即可计算垂线偏差。因为该方法要求提供站点和标志物的天文测量结果，在 完整的天文坐标系下完成目标测量，进而在地心坐标系下完成天文和大地坐标 转换，所以该方法需要进行复杂的天文测绘工作，耗时长，难以满足机动布站 测量的要求。

天文坐标测绘复杂度较高，需要长期天文观测和精密复杂的计算，而大地 坐标坐标可以使用基于载波相位测量的卫星定位技术，通过一个小时以内的观 测即可得到厘米级的测量精度。因此，现在试验测绘工作中普遍使用的就是大 地坐标。

在实际操作中，设备落座以后，调平操作的最终结果是使得垂直轴与重力 线平行，如果站址坐标和方位标、距离标都使用大地测量数据，而基于该状态 测得的目标方位角和俯仰角是天文坐标体系下的，则会造成坐标系的混乱导致 数据难以进一步被转换利用。

地面上所有水平方向的观测都是以垂线为依据的，而在参考椭球面上则要 求以该点的法线为依据。因此在测站上，把以垂线为依据的地面观测的水平方 向值归算到椭球面上以法线为依据的方向值而应加的修正定义为垂线偏差修 正。

发明内容

本发明目的在于解决测控设备高精度测量要求垂线偏差修正困难且测量耗 时的技术问题。

为达到上述目的解决上述技术问题，本发明提供一种可应用于测控设备外 场试验过程中的新型垂线偏差修正方法，技术方案主要包括以下步骤：

步骤1、垂线偏差测量

对待测点进行天文坐标测量，将垂线偏差分解为ξ和η，通过天文大地测量 方法测量待测点的ξ和η：

ξ：垂线偏差南北分量，垂线相对法线向北偏出为正，″；

η：垂线偏差东西分量，垂线相对法线向东偏出为正，″；

步骤2、垂线偏差计算

定义参数：I——垂线误差带来的测控设备轴偏，″；α_H——垂线偏差倾斜 方向的方位角，°；

垂线偏差倾斜方向的方位角α_H情况确定如下：

η和ξ符号同为正时，α_H位于第I象限；

η符号为负且ξ符号为正时，α_H位于第II象限；

η和ξ符号同负时，α_H位于第III象限；

η符号为正且ξ符号为负时，α_H位于第IV象限。

这两个参数用垂线偏差的数据来表示为：

I＝sqrt(ξ²+η²)

α_H＝tan^-1(η/ξ)

步骤3、垂线偏差修正量计算

对测量值进行修正，按下式计算方位角和俯仰角的修正量。

其中，

—方位角修正量，″；

—俯仰角修正量，″。

步骤4、垂线偏差修正

对测量值进行修正，按下式计算修正后的方位角和俯仰角。

式中，A_c——修正后方位角，°；E_c——修正后俯仰角，°。

本发明的有效收益在于：

1、本发明提出了一种可应用于测控设备的垂线偏差修正方法，该方法仅对 待测区域进行垂线偏差一次测量，因为垂线偏差在小范围内变化极小，传统方 法因为方位标和站点均为天文坐标，所以站点位置变动时需要重新进行天文坐 标测量，耗时长。

2、该方法利用测站的垂线偏差参数，将测得的角度参数直接修正到大地坐 标下，故能够快速进行垂线偏差修正，且计算方法简单易懂，不用进行复杂的 天文和大地坐标转换，工作量小。

附图说明

图1是垂线偏差产生原理示意图；

其中：1-参考椭球面，2-似大地水准面，3-高程异常，4-垂线偏差；

图2是垂线偏差带来的测控设备轴偏示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的实现过程给予详细的解释和说明。

本发明是基于国军标给出的垂线偏差修正方法，解决测控设备高精度测量 垂线偏差修正困难且测量耗时的技术问题。本发明提供一种可应用于测控设备 外场试验过程中的垂线偏差修正方法，技术方案主要包括以下步骤：

步骤1、垂线偏差测量

将垂线偏差分解为ξ和η，通过天文大地测量方法测量待测点的ξ和η：

ξ：垂线偏差子午分量(南北分量)，垂线相对法线向北偏出为正，″；

η：垂线偏差卯酉分量(东西分量)，垂线相对法线向东偏出为正，″。

因为同一测站点上真实重力矢量与参考椭球面法线之间存在夹角u，该夹角 u通常用南北方向分量ξ和东西分量η表示。垂线偏差在子午圈方向上的分量记 为ξ，称为南-北垂线偏差，它引起重力矢量在参考椭球面北向上的投影分量； 在酉卯圈方向上的分量记为η，称为东-西垂线偏差，它引起重力矢量在参考椭 球面东向上的投影分量。

该步骤应用天文大地测量方法得到待测点的垂线偏差。

步骤2、垂线偏差计算

如图2所示：

I——垂线误差带来的测控设备轴偏，″；

α_H——垂线偏差倾斜方向的方位角，°。

垂线偏差倾斜方向的方位角α_H情况确定如下：

表2判断α_H所在的象限

η的符号	ξ的符号	α<sub>H</sub>的符号
			+	+	I
-	+	II
			-	-	III
+	-	IV

其中：η和ξ符号同正时，α_H位于第I象限；η符号为负且ξ符号为正时，α_H位于第II象限；η和ξ符号同负时，α_H位于第III象限；η符号为正且ξ符号为负 时，α_H位于第IV象限。

这两个参数用垂线偏差的数据来表示就是

I＝sqrt(ξ²+η²)

α_H＝tan^-1(η/ξ)

如此求得偏差角度正好与方位角定义方向一致。方位角是从某点的指北方 向线起依顺时针方向至目标方向线间的水平夹角。

该步骤考虑到垂线偏差影响的仅是设备轴偏，从而造成角度测量误差，故 希望找到一种方法，利用测站的垂线偏差参数，将测得的角度参数直接修正到 大地坐标下，可以节省待测点的天文测量工作量。

步骤3、垂线偏差修正量计算

对测量值进行修正，按下式计算方位角和俯仰角的修正量。

式中，

——方位角修正量，″；

——俯仰角修正量，″。

步骤4、垂线偏差修正

对测量值进行修正，按下式计算修正后的方位角和俯仰角。

式中，

A_c——修正后方位角，°；E_c——修正后俯仰角，°。

实施例1：

某型光电经纬仪，口径650mm，焦距4m，视场大小约为0.2°×0.2°，测 站坐标L0＝87.60065917，B0＝41.69350967，H0＝1162.574，测量方位角A_i＝60°， 测量俯仰角E_i＝30°。按如下步骤实施本发明公布的方法：

(1)垂线偏差测量

垂线偏差可分解为ξ和η，通过天文大地测量方法测量待测点的ξ和η：

ξ＝14.4280″：垂线偏差子午分量(南北分量)，垂线相对法线向北偏出为正；

η＝-2.9274″：垂线偏差卯酉分量(东西分量)，垂线相对法线向东偏出为正。

(2)垂线偏差计算

I——垂线误差带来的测控设备轴偏，″；

α_H——垂线偏差倾斜方向的方位角，°。

垂线偏差倾斜方向的方位角α_H情况确定如下：

表1判断α_H所在的象限

η的符号	ξ的符号	α<sub>H</sub>的符号
			+	+	I
-	+	II
			-	-	III
+	-	IV

这两个参数用垂线偏差的数据来计算就是

I＝sqrt(ξ²+η²)＝14.72″

α_H＝A＝tan^-1(η/ξ)＝-0.20rad＝-11.47°

如此求得偏差角度正好与方位角定义方向一致。方位角是从某点的指北方 向线起依顺时针方向至目标方向线间的水平夹角。

(3)垂线偏差修正量计算

对测量值进行修正，按下式计算方位角和俯仰角的修正量。

式中，

——方位角修正量，″；

——俯仰角修正量，″。

(4)垂线偏差修正

对测量值进行修正，按下式计算修正后的方位角和俯仰角。

式中，

A_c——修正后方位角，°；E_c——修正后俯仰角，°。

上述给出的是依据本发明的思想实现的例子，应当指出，对于本技术领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改 进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种新型垂线偏差修正方法，其特征在于，主要包括如下步骤：

步骤1、垂线偏差测量

对待测点进行天文坐标测量，将垂线偏差分解为ξ和η，通过天文大地测量方法测量待测点的ξ和η：

ξ：垂线偏差南北分量，垂线相对法线向北偏出为正，″；

η：垂线偏差东西分量，垂线相对法线向东偏出为正，″；

步骤2、垂线偏差计算

定义参数：I——垂线误差，″；α_H——垂线偏差倾斜方向的方位角，°；

垂线偏差倾斜方向的方位角α_H情况确定如下：

η和ξ符号同为正时，α_H位于第I象限；

η符号为负且ξ符号为正时，α_H位于第II象限；

η和ξ符号同负时，α_H位于第III象限；

η符号为正且ξ符号为负时，α_H位于第IV象限。

这两个参数用垂线偏差的数据来表示为：

I＝sqrt(ξ²+η²)

α_H＝tan^-1(η/ξ)

步骤3、垂线偏差修正量计算

对测量值进行修正，按下式计算方位角和俯仰角的修正量。

其中，

—方位角修正量，″；

—俯仰角修正量，″。

步骤4、垂线偏差修正

对测量值进行修正，按下式计算修正后的方位角和俯仰角

式中，A_c——修正后方位角，°；E_c——修正后俯仰角，°。

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