型野外天文測量系統(tǒng)的原理與方法.ppt

新型天文測量系統(tǒng) 原理與方法,王若璞 測繪學(xué)院測量與導(dǎo)航工程系,實(shí)用天文學(xué),主要內(nèi)容,電子經(jīng)緯儀簡介 新型天文測量系統(tǒng)的組成及工作原理 新舊系統(tǒng)對(duì)比 軟件使用簡介,電子經(jīng)緯儀簡介,電子經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 光柵度盤測角原理 編碼度盤測角原理 動(dòng)態(tài)度盤測角原理 聯(lián)機(jī)通訊與在線控制技術(shù) Leica經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)記錄格式,徠卡（Leica）儀器:,TC-常規(guī)型全站儀 TM-步進(jìn)電機(jī) TCR-無棱鏡反射 TCA-智能型全站儀 TDM-工業(yè)測量 TCRM TCRA,TTheodolite Total Station CClassic RReflectorless total station M-Motorized total station AAutomatic taget recognition,徠卡TM5000電子經(jīng)緯儀,電子經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu),光柵度盤測角原理,1、光柵與莫爾條紋,光柵（optical grating）是用玻璃、樹脂或金屬制成的表面具有密集等寬等距線條的光學(xué)元件。,光柵參數(shù)：一是單位毫米長度范圍內(nèi)的線條數(shù)，稱為線條密度；二是相鄰線條之間的距離，稱為光柵距 。,2、光柵增量式測角原理,（1）光柵與莫爾條紋,橫向莫爾條紋的生成：,橫向莫爾條紋的放大作用：,B,莫爾條紋的位移發(fā)大作用：當(dāng)光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距W時(shí)，條紋移動(dòng)一個(gè)寬度周期B。,莫爾條紋的特性： 莫爾條紋的移動(dòng)量與光柵的移動(dòng)量相對(duì)應(yīng)； 莫爾條紋具有位移放大作用； 莫爾條紋具有平均光柵誤差的作用； 莫爾條紋便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和數(shù)字化測量。,光柵度盤,編碼度盤測角原理,編碼度盤主要可分為二大類，一是碼區(qū)度盤；二是條碼度盤。,一、碼區(qū)度盤測角原理 1二進(jìn)制編碼度盤測角,編碼度盤上分成若干寬度相同的同心圓環(huán)，這種圓環(huán)稱為編碼度盤的“碼道n” ；在碼道數(shù)目一定的條件下，整個(gè)編碼度盤又可以分成數(shù)目一定、面積相等的扇形區(qū)，稱為編碼度盤的“碼區(qū)S”,2、編碼度盤測角原理,分辨率與碼道數(shù)的關(guān)系：,碼道數(shù)、分辨率有限，需采用測微裝置!,各碼道從外到內(nèi)按二進(jìn)制碼的方式處理成透光(1)、不透光(0)或?qū)щ?1)、不導(dǎo)電(0) ，即可形成二進(jìn)制編碼度盤。,角度信息是刻制在玻璃度盤上的，儀器一開機(jī)即可讀取和顯示角度信息，并且關(guān)機(jī)后角度信息不丟失，因此常稱編碼度盤測角為絕對(duì)式測角。,二、條碼度盤測角原理 碼區(qū)度盤是通過多碼道的二進(jìn)制編碼或葛萊循環(huán)碼的方式刻制而成，因多碼道碼區(qū)度盤的加工工藝比較復(fù)雜，成本較高。20世紀(jì)90年代以后，徠卡公司的全站儀普遍采用了一種新的編碼度盤，即條碼度盤。,條碼是由一組按一定編碼規(guī)則排列的條、空符號(hào)，用以表示一定的字符、數(shù)字及符號(hào)組成的信息。條碼系統(tǒng)是由條碼符號(hào)設(shè)計(jì)、制作及掃描閱讀組成的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)。,條碼度盤的測角原理如下圖所示。由發(fā)光管發(fā)出的光線通過一定光路照亮度盤上的一組條形碼，該條形碼由一線性CCD陣列識(shí)別，經(jīng)一個(gè)8位A/D（模/數(shù)）轉(zhuǎn)換器讀出，提供大約0.3gon（0.27）精度的概略讀數(shù)。,1發(fā)光管 2光路系統(tǒng) 3條碼度盤 4線性CCD陣列,條碼度盤測角原理,在條形碼的識(shí)別過程中，首先確定CCD陣列上獨(dú)立編碼線的中心位置，適當(dāng)?shù)挠?jì)算方法求得平均值，完成精密測量。 單次測量即可包含大約60條編碼線，改進(jìn)了角度內(nèi)插精度，提高了角度測量的可靠性。,在條碼度盤中，對(duì)徑設(shè)置多個(gè)條碼探測裝置，不僅可提高角度的讀數(shù)精度，而且可消除度盤偏心差，如徠卡的TPS1000系列全站儀(一測回方向中誤差為0.5)。,動(dòng)態(tài)度盤測角原理,動(dòng)態(tài)度盤測角系統(tǒng)主要由光柵度盤及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、與儀器底座連接在一起的固定光柵探測器 和與照準(zhǔn)部連接在一起的活動(dòng)光柵探測器 、以及數(shù)字測微系統(tǒng)等組成。,測量時(shí)，度盤在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)馬達(dá)的帶動(dòng)下，以一定的速度旋轉(zhuǎn)。度盤透光條紋通過光電探測器時(shí)，輸出高電平；不透光條紋，則輸出低電平。隨著度盤的連續(xù)旋轉(zhuǎn)，探測器分別輸出所示的方波信號(hào)。,在度盤轉(zhuǎn)速恒定，測定夾角實(shí)質(zhì)上是測定某一度盤刻劃分別經(jīng)過、兩探測器的時(shí)間差T，即：,數(shù)據(jù)通信與在線控制技術(shù),聯(lián)機(jī)通信與在線控制技術(shù)的意義,實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，指令信息的調(diào)用； 實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)觀測、自動(dòng)記錄和自動(dòng)數(shù)據(jù)處理； 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)測量的自動(dòng)化、智能化。,聯(lián)機(jī)通信與在線控制技術(shù),全站儀與PDA連接,全站儀與陀螺儀,聯(lián)機(jī)通信與在線控制技術(shù),全站儀與計(jì)算機(jī)連接,針腳號(hào)信號(hào)功能 1 :+12V電源 2 :空留 3 :信號(hào)地（GND） 4 :數(shù)據(jù)接收（RXD） 5 :數(shù)據(jù)發(fā)送（TXD）,（b）針腳功能,雷蒙（LEMO）5芯插座,全站儀聯(lián)機(jī)通信,T2000ST3000系列,TPS1000系列,徠卡TPS系列全站儀，支持一套接口指令，通過RS232串口允許用戶直接接收數(shù)據(jù)。GSI指令提供了一套具體的命令，包括對(duì)全站儀的控制操作以及數(shù)據(jù)的交換。GSI在線命令提供了四組基本命令： SET命令，用來設(shè)置儀器參數(shù)。 語法結(jié)構(gòu)：SET/ CONF命令，用來讀取儀器內(nèi)部的設(shè)置。 語法結(jié)構(gòu)：CONF/ PUT命令，用以改變或向全站儀內(nèi)部輸入數(shù)值（如設(shè)置全站儀的角度等）。 語法結(jié)構(gòu)：PUT/ GET命令，用來向全站儀內(nèi)部讀取數(shù)據(jù)（如測量的角度，距離等） 語法結(jié)構(gòu)：GET/n/WI/ 例如，指令：“GET/M/WI11/WI21/WI22”表示讓儀器測量并傳回“點(diǎn)號(hào)”、“水平角”、“垂直角”的數(shù)值內(nèi)容。,Leica經(jīng)緯儀數(shù)據(jù)記錄格式,110001+00000111 21.324+09541390 22.324+27247200 3100+00002601 51.+0000+000 110002+00000112 21.324+09541390 22.324+27247280 3100+00002601 51.+0000+000 110003+00000113 21.324+09541400 22.324+27247260 3100+00002600 51.+0000+000,徠卡全站儀測量數(shù)據(jù)塊示例,在GSI數(shù)據(jù)格式中，除“.”外，其它數(shù)據(jù)位都有具體含義：,新系統(tǒng)的組成及工作原理,系統(tǒng)組成工作原理,系統(tǒng)主要由高精度電子經(jīng)緯儀、掌上型便攜機(jī)、GPS天文計(jì)時(shí)器等組成。,系統(tǒng)組成工作原理,該系統(tǒng)重量輕，體積小，自動(dòng)化程度高，穩(wěn)定性好，抗干擾能力強(qiáng)。實(shí)現(xiàn)了星表自動(dòng)生成、觀測自動(dòng)尋星、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、成果自動(dòng)處理等功能。工作效率比傳統(tǒng)方法提高幾倍到十幾倍。,多星近似等高法同時(shí)測定經(jīng)緯度,傳統(tǒng)觀測方法都是基于T4的，不適合于電子經(jīng)緯儀，為此，本文研制了多星近似等高法，此方法是在多星等高法的基礎(chǔ)上發(fā)展形成的，但其與多星等高法有著很大的不同，它采用的是近似等高，每顆星可采十幾個(gè)到幾十個(gè)數(shù)據(jù)（多星等高法只能采一個(gè)或5個(gè)），大大增加了數(shù)據(jù)量；使用GPS OEM板進(jìn)行授時(shí)，用計(jì)算機(jī)進(jìn)行守時(shí)，用電子經(jīng)緯儀進(jìn)行測量。此方法使操作過程變得簡單易行，提高了作業(yè)效率。,由球面三角公式中的邊余弦公式，可以得到天頂距z，測站經(jīng)緯度，恒星的赤經(jīng)、赤緯，時(shí)角t之間的關(guān)系式如下： 其中 其中S為觀測瞬間的格林尼治真恒星時(shí)，由觀測瞬間的UTC時(shí)刻T觀化算得到。 化算方法為：根據(jù)時(shí)間頻率公報(bào)（實(shí)時(shí)解算時(shí)用預(yù)報(bào)值，事后解算用精確公報(bào)），將UTC時(shí)刻T觀化算為T觀 ，再將其化為平恒星時(shí)，在加赤經(jīng)章動(dòng)，將其化為真恒星時(shí)S。,基本原理,恒星的赤經(jīng)、赤緯可由視位置計(jì)算程序從星表中加改正得到。天頂距z由觀測得到。因此，其中只含未知數(shù) ， 。 在使用高度數(shù)據(jù)前，對(duì)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行大氣折射改正： 準(zhǔn)真實(shí)高度觀測高度大氣折射差,對(duì)多顆星進(jìn)行觀測，其方程式可以寫為：,新舊系統(tǒng)對(duì)比,傳統(tǒng)一等天文測量設(shè)備,常規(guī)天文測量儀器,DKM3A 經(jīng)緯儀,T4 經(jīng)緯儀,Y/JGT-01系統(tǒng)硬件組成,電子經(jīng)緯儀,計(jì)時(shí)器,測量控制終端,Y/JGT-01系統(tǒng)軟件組成,新型天文測量設(shè)備,傳統(tǒng)天文測量設(shè)備,實(shí)現(xiàn)了一等天文測量主設(shè)備的更新?lián)Q代,T4 TM5100A 儀器重量 105kg 17kg 儀器安置 專用基墩 通用腳架 儀器整平 人工 自動(dòng)補(bǔ)償 尋星照準(zhǔn) 人工 自動(dòng)驅(qū)動(dòng) 觀測數(shù)據(jù) 人工讀數(shù) 自動(dòng)采集,T4 與 TM5100A 的性能比較,傳統(tǒng)天文測量設(shè)備,新型天文測量設(shè)備,系統(tǒng)的自動(dòng)定向和被測目標(biāo)的自動(dòng)尋星功能,“多星近似等高法同時(shí)測定經(jīng)緯度”的原理、方法和技術(shù),用計(jì)算機(jī)內(nèi)部晶振作為測量的時(shí)間基準(zhǔn),用衛(wèi)星授時(shí)技術(shù)取代BPM短波授時(shí),BPM短波收時(shí)器,整個(gè)