經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)技術(shù)及其在定向測(cè)量中的應(yīng)用

1、經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)技術(shù)及其在定向測(cè)量中的應(yīng)用張耀民（西安科技大學(xué) 西安 710054）摘 要：為了解決工業(yè)設(shè)備高精定向測(cè)量問題，諸如：實(shí)驗(yàn)室內(nèi)北向基準(zhǔn)建立和子午線標(biāo)定、慣導(dǎo)測(cè)試設(shè)備引北，以及轉(zhuǎn)臺(tái)軸向定向、精度測(cè)試、零位置偏差、和射頻天線定向、發(fā)射場(chǎng)定向等問題，筆者提出了經(jīng)緯儀（或全站儀）同步對(duì)向觀測(cè)方法，并被我國(guó)大地天文測(cè)量規(guī)范中所采用。此方法多次在設(shè)備精密定向測(cè)量項(xiàng)目中得到成功運(yùn)用。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，此方法是實(shí)現(xiàn)高精定向非常有效實(shí)用的方法；基本消除了對(duì)中誤差、調(diào)焦誤差、十字絲偏差對(duì)定向誤差的影響。筆者提出的高精度定向方法，亦可應(yīng)用于高精度隧道和礦井貫通測(cè)量。關(guān)鍵詞：同步對(duì)向觀測(cè)法 定向測(cè)量 北向

2、基準(zhǔn)測(cè)定 子午線標(biāo)定 設(shè)備引北 工業(yè)測(cè)量1 引言所謂定向測(cè)量，就是測(cè)定目標(biāo)方向的方位角，包括方位的傳遞。方位有相對(duì)的，也有要求相對(duì)于真北的絕對(duì)方位。對(duì)于設(shè)備定向，諸如：慣性導(dǎo)航試驗(yàn)設(shè)備、隧道挖掘盾構(gòu)設(shè)備、鉆探設(shè)備等，簡(jiǎn)單的說就是測(cè)定和放樣設(shè)備目標(biāo)面的法線方向的方位角。常規(guī)測(cè)量技術(shù)常常用于測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)的地理坐標(biāo)，對(duì)于方向則通過兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)來計(jì)算。而測(cè)量工業(yè)設(shè)備的方向，則因?yàn)閳?chǎng)地和設(shè)備參考面的限制，缺乏有效的高精度的測(cè)量方法。為了檢測(cè)設(shè)備，一般需要在室內(nèi)建立一個(gè)方位基準(zhǔn)，基準(zhǔn)精度常常要求高達(dá)角秒級(jí)。工業(yè)設(shè)備，諸如：慣導(dǎo)設(shè)備測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)，常常位于室內(nèi)，把方位傳遞到室內(nèi)，如果測(cè)量?jī)x器對(duì)中誤差哪怕只有，則5m

3、的室內(nèi)距離內(nèi)引起方向誤差高達(dá)4。即便采用強(qiáng)制對(duì)中措施，這樣需要埋設(shè)儀器觀測(cè)臺(tái)，既費(fèi)工，也存在對(duì)中誤差，而且傳統(tǒng)觀測(cè)辦法在試驗(yàn)室內(nèi)短距離內(nèi)還存在相當(dāng)大的調(diào)焦誤差。我國(guó)軍用天文測(cè)量規(guī)范1附加了子午線標(biāo)定的一種定向方法，并規(guī)定了把經(jīng)緯儀作為準(zhǔn)直平行光管目標(biāo)觀測(cè)的方法，這是一種雙臺(tái)經(jīng)緯儀非實(shí)時(shí)同步的對(duì)向觀測(cè)方法，尚存在一定缺陷：1) 在幾個(gè)測(cè)回觀測(cè)過程中，用一個(gè)盤位的經(jīng)緯儀作準(zhǔn)直光管目標(biāo)，目標(biāo)的氣象誤差和十字絲偏差影響很大；2) 觀測(cè)了多個(gè)測(cè)回后仍需要按平均讀盤位置再照準(zhǔn)，失去了多測(cè)回觀測(cè)意義；3) 由于方位傳遞角度是獨(dú)立觀測(cè)的，另外存在粗差時(shí)，不容易被發(fā)現(xiàn)，故此不能有效評(píng)定和檢驗(yàn)方位傳遞最終目標(biāo)的方

4、向精度。筆者在制定大地天文測(cè)量規(guī)范2國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，對(duì)高精度定向技術(shù)進(jìn)行了研究，通過主持完成的子午線標(biāo)定項(xiàng)目3，把所研究的雙臺(tái)經(jīng)緯儀高精度同步對(duì)向觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)子午線標(biāo)定，并納入了大地天文測(cè)量規(guī)范國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)防工業(yè)設(shè)備定向方面，諸如：慣性導(dǎo)航設(shè)備需要建立室內(nèi)北向基準(zhǔn)，慣導(dǎo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的零方向或軸向需要指向一定的方向；射頻仿真試驗(yàn)室的天線（高達(dá)幾百和上千個(gè)）需要分布在球形陣面上，并要求指向球心，有些需要真北方位，球心轉(zhuǎn)臺(tái)零方向需要對(duì)準(zhǔn)球形陣面零位置；慣導(dǎo)試驗(yàn)產(chǎn)品需要確定真北方向；慣導(dǎo)試驗(yàn)轉(zhuǎn)臺(tái)需要檢測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)的精度；導(dǎo)彈和航天器發(fā)射需要精密定位和定向。隨著我國(guó)國(guó)防及載人航天航空事業(yè)的發(fā)展，迫切需要高精度的

5、定向測(cè)量技術(shù)支持。隨著隧道挖掘機(jī)的出現(xiàn)，隧道開挖段有時(shí)超過規(guī)范距離，近年來，在我國(guó)出現(xiàn)了超過20km單向貫通的特長(zhǎng)水利隧道開挖段，超出了標(biāo)準(zhǔn)的要求，這對(duì)于隧道控制網(wǎng)建立、貫通測(cè)量精度提出了很高要求；礦井隧道通常很長(zhǎng)，傳統(tǒng)的貫通測(cè)量常常需要加測(cè)陀螺方位，以控制方向誤差；而采用陀螺定向的聯(lián)系測(cè)量速度慢、設(shè)備昂貴、可靠性常常無法檢驗(yàn)。應(yīng)用經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)技術(shù)，可以提高方向精度，從而可有條件地取消陀螺方向控制。2 同步對(duì)向觀測(cè)方法2.1 基本原理和方法利于平行光管原理，把經(jīng)緯儀（或全站儀，下同）對(duì)無窮遠(yuǎn)調(diào)焦，以照亮的經(jīng)緯儀十字絲作為觀測(cè)目標(biāo)，兩臺(tái)經(jīng)緯儀分別在盤左右位置實(shí)時(shí)同步進(jìn)行互相照準(zhǔn)觀測(cè)讀數(shù)。此

6、法優(yōu)點(diǎn)是：當(dāng)觀測(cè)一個(gè)夾角時(shí)可控制兩個(gè)方向目標(biāo)成像在無窮遠(yuǎn)，無需調(diào)焦，因此不含調(diào)焦誤差；由于分別度盤左右觀測(cè)，所以可以基本消除十字絲偏差影響。.此方法過程中應(yīng)注意一下幾點(diǎn)：a) 起始和最終目標(biāo)最好采用平面鏡，采用野外觀測(cè)標(biāo)志時(shí)，盡量使調(diào)焦在無窮遠(yuǎn)處；b) 事先通過調(diào)焦觀察，盡量使兩臺(tái)儀器對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡中心區(qū)域，以避免兩臺(tái)儀器對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡邊緣時(shí)，使得兩臺(tái)儀器相互對(duì)無窮遠(yuǎn)照準(zhǔn)產(chǎn)生的平行視準(zhǔn)線發(fā)生畸變；c) 一個(gè)角度半測(cè)回觀測(cè)過程中，不得調(diào)焦，以便消除調(diào)焦誤差；d) 一方對(duì)準(zhǔn)好對(duì)方十字絲時(shí)，意味著另一方也已對(duì)準(zhǔn)好，因此一方可提前設(shè)置度盤和望遠(yuǎn)鏡等待另一方照準(zhǔn)觀測(cè)并讀數(shù)，以便加快觀測(cè)速度；e) 最好采用準(zhǔn)直經(jīng)

7、緯儀，采用非準(zhǔn)直經(jīng)緯儀時(shí)，要采用施加光源措施；f) 要選用對(duì)向照準(zhǔn)時(shí)望遠(yuǎn)鏡無窮遠(yuǎn)成像質(zhì)量好的儀器，注意個(gè)別類型儀器對(duì)向觀測(cè)十字絲成像不在無窮遠(yuǎn)附近。2.2 高精度方向傳遞聯(lián)測(cè)方法如圖1所示：把方向XA的方位角高精度傳遞到Y(jié)B，或更遠(yuǎn)，可采用同步對(duì)向觀測(cè)法進(jìn)行高精度方位角聯(lián)測(cè)，其觀測(cè)過程如下：a) 兩臺(tái)經(jīng)緯儀在盤左位置分別觀測(cè)各自平面鏡；b) 兩臺(tái)經(jīng)緯儀在盤左位置對(duì)向觀測(cè)；c) 兩臺(tái)經(jīng)緯儀在盤右位置分別觀測(cè)各自平面鏡；d) 室內(nèi)兩臺(tái)經(jīng)緯儀在盤右位置對(duì)向觀測(cè)；e) 重復(fù)a)d)步驟連續(xù)觀測(cè)N個(gè)測(cè)回。圖1：經(jīng)緯儀方向傳遞同步對(duì)向觀測(cè)示意圖如圖2所示為雙臺(tái)經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)時(shí)的視線示意圖，其中X1Y3

8、方向?yàn)閄臺(tái)儀器對(duì)準(zhǔn)Y臺(tái)儀器十字絲無窮遠(yuǎn)成像方向，X1Y2方向?yàn)閅臺(tái)儀器望遠(yuǎn)鏡中心無窮遠(yuǎn)成像方向，反方向也一樣。圖2：經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)時(shí)的視線示意圖設(shè)盤左的觀測(cè)值為L(zhǎng)，盤左的觀測(cè)值為R、照準(zhǔn)的十字絲偏差為，并忽略其2C影響，則： 對(duì)于多測(cè)站的方位傳遞測(cè)量的方位角計(jì)算和導(dǎo)線測(cè)量計(jì)算機(jī)基本類似。另外對(duì)于根據(jù)方位基準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)臺(tái)和產(chǎn)品的定向也是類似的。應(yīng)當(dāng)指出對(duì)于大地和天文方位角傳遞測(cè)量，應(yīng)顧及子午線收斂角改正，這樣必須概略測(cè)定導(dǎo)線邊長(zhǎng)，以便改正。3 典型應(yīng)用3.1 室內(nèi)定向基準(zhǔn)測(cè)定為了慣導(dǎo)產(chǎn)品和檢測(cè)設(shè)備定向，往往需要在室內(nèi)建立高精度方位或子午方向基準(zhǔn)，常用測(cè)量方法是采用北極星任意時(shí)角法測(cè)定天文方

9、位角，也就是通過觀測(cè)任意時(shí)刻的北極星的水平度盤位置并記錄觀測(cè)時(shí)刻，來測(cè)定被測(cè)方向的天文方位角。如圖3所示，可利用兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行同步對(duì)向觀測(cè)方法，把室外測(cè)定的天文方位實(shí)時(shí)傳遞到室內(nèi)基準(zhǔn)臺(tái)上的平面鏡面法向方向。圖3 天文定向觀測(cè)示意圖實(shí)測(cè)中可采用如下程序：a) 室內(nèi)經(jīng)緯儀在盤左觀測(cè)平面鏡b) 在盤左位置上室內(nèi)外經(jīng)緯儀相互對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)；c) 在盤左位置上，觀測(cè)北極星并記錄時(shí)刻；d) 繼續(xù)在盤左位置上觀測(cè)北極星并記錄時(shí)刻；e) 繼續(xù)在盤左位置上觀測(cè)室內(nèi)經(jīng)緯儀；f) 換盤右位置上室內(nèi)外經(jīng)緯儀相互對(duì)準(zhǔn)觀測(cè)；g) 然后在盤右位置上，觀測(cè)北極星并記錄時(shí)刻；h) 繼續(xù)在盤右位置上觀測(cè)北極星并記錄時(shí)刻；i) 繼續(xù)在盤

10、右位置上觀測(cè)室內(nèi)經(jīng)緯儀；j) 室內(nèi)經(jīng)緯儀在盤右位置觀測(cè)平面鏡；k) 轉(zhuǎn)入a)，重復(fù)N測(cè)回。3.2 轉(zhuǎn)臺(tái)零位置測(cè)定如圖4所示：射頻陣列實(shí)驗(yàn)室的轉(zhuǎn)臺(tái)水平度盤零位置方向一般需要對(duì)準(zhǔn)射頻陣面設(shè)施中心零位置，因此首先需要測(cè)定其差值。利用分別設(shè)置在轉(zhuǎn)臺(tái)中心和地面的兩臺(tái)經(jīng)緯儀進(jìn)行對(duì)向觀測(cè)，測(cè)定方位點(diǎn)到地面準(zhǔn)值經(jīng)緯儀的角度，以及地面準(zhǔn)值經(jīng)緯儀到轉(zhuǎn)臺(tái)中心方向和轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品安裝面的法方向的角度，從而可確定轉(zhuǎn)臺(tái)零位置的陣面方位。圖4 轉(zhuǎn)臺(tái)零位置測(cè)定示意圖具體的測(cè)試過程如下：1) 在分別在轉(zhuǎn)臺(tái)中心和轉(zhuǎn)臺(tái)旁邊的堅(jiān)實(shí)地面上安置經(jīng)緯儀；2) 分別在度盤左右位置觀測(cè)已知方位點(diǎn)和地面經(jīng)緯儀方向；3) 在地面經(jīng)緯儀上分別在盤左右位置

11、觀測(cè)轉(zhuǎn)臺(tái)中心經(jīng)緯儀方向；4) 卸下轉(zhuǎn)臺(tái)中心的經(jīng)緯儀，把轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到面向地面經(jīng)緯儀方向，并把轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品安裝面法向?qū)?zhǔn)地面經(jīng)緯儀；5) 在產(chǎn)品安裝面3-4個(gè)位置上放置鏡面，利用準(zhǔn)直原理，在地面經(jīng)緯儀觀測(cè)鏡面法向；6) 計(jì)算轉(zhuǎn)臺(tái)零位置的方位角。轉(zhuǎn)臺(tái)零位置的陣面方位角按下式計(jì)算：式中：轉(zhuǎn)臺(tái)零位置的方位角；方位點(diǎn)的陣面方位角；方位點(diǎn)的度盤位置觀測(cè)值；中心經(jīng)緯儀方向的度盤觀測(cè)值；地面準(zhǔn)直經(jīng)緯儀方向的度盤觀測(cè)值；轉(zhuǎn)臺(tái)產(chǎn)品安裝面法向的度盤位置觀測(cè)值；準(zhǔn)直方向的轉(zhuǎn)臺(tái)水平方位。4 實(shí)測(cè)結(jié)果（方向經(jīng)兩站傳遞多測(cè)回結(jié)果算得的中誤差）。另外通過復(fù)測(cè)也發(fā)現(xiàn)有的單位所建的舊子午線因沒有采用有效的方向傳遞方法致使精度非常低。這里給

12、出幾個(gè)有代表性的運(yùn)用雙臺(tái)經(jīng)緯儀高精度同步對(duì)向觀測(cè)方法進(jìn)行定向的實(shí)測(cè)結(jié)果。4.1 天文定向結(jié)果如表1、2所示為天文方位基準(zhǔn)的實(shí)測(cè)結(jié)果。室內(nèi)天文方位測(cè)定結(jié)果表1測(cè)回觀測(cè)方位角° ”傳遞水平角° ”鏡面方位角° ”備注1時(shí)間段123456318 05 37.4 時(shí)間段2789101112平均值顧及子午線收斂改正后1 59 30.9 鏡面法向一測(cè)回中誤差±測(cè)量結(jié)果中誤差±一年后的復(fù)測(cè)結(jié)果測(cè)回觀測(cè)方位角° ”傳遞水平角° ”鏡面方位角° ”備注1時(shí)間段123456315 33 39.7 789時(shí)間段2101112平均值顧及子

13、午線收斂改正后1 59 31.5 鏡面法向一測(cè)回中誤差±測(cè)量結(jié)果中誤差±注：采用儀器Laica TM51100A、TD5005A，室外天文觀測(cè)環(huán)境。室內(nèi)天文方位測(cè)定結(jié)果表2測(cè)回觀測(cè)方位角° ”傳遞水平角° ”鏡面方位角° ”備注1時(shí)間段1 2345678359 33 14 4591011時(shí)間段2121315 43 56 65141516171815 43 35 2519平均值顧及子午線收斂改正后鏡面法向一測(cè)回中誤差±測(cè)量結(jié)果中誤差±注：采用儀器WILD T3，室內(nèi)天文觀測(cè)環(huán)境。4.2 方向聯(lián)測(cè)結(jié)果如表3所示為根據(jù)天文方位基準(zhǔn)

14、的聯(lián)測(cè)結(jié)果。方向聯(lián)測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果表3測(cè)回方向2測(cè)回平均值° ”方向3測(cè)回平均值° ”方向4測(cè)回平均值° ”12345678910平均值標(biāo)準(zhǔn)差平均值中誤差加入收斂角改正注：采用儀器WILD T3，室內(nèi)觀測(cè)環(huán)境，不包含起算誤差。5 結(jié)論通過大量的北向基準(zhǔn)和子午線標(biāo)定項(xiàng)目實(shí)測(cè)結(jié)果驗(yàn)證，根據(jù)上述論述，可以得出如下結(jié)論：1) 經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)技術(shù)基本消除了對(duì)中誤差、調(diào)焦誤差、十字絲偏差對(duì)定向誤差的影響； 2) 基準(zhǔn)方位的觀測(cè)成果具有多測(cè)回、多時(shí)間段、多次架設(shè)儀器的方位傳遞觀測(cè)結(jié)果，其測(cè)量結(jié)果是穩(wěn)定和可靠的；3) 利用經(jīng)緯儀同步對(duì)向觀測(cè)技術(shù)在室內(nèi)等超短距離上可實(shí)現(xiàn)1以內(nèi)的高精度方向聯(lián)測(cè)；4) 此方法是實(shí)現(xiàn)超短距離上高精方向聯(lián)測(cè)非常有效、實(shí)用的方法，基