第五章2精密测角仪器

1、上一讲应掌握的内容上一讲应掌握的内容一、建立国家平面大地控制网的方法一、建立国家平面大地控制网的方法 常规大地测量法常规大地测量法: :三角测量法、三角测量法、导线测量法、导线测量法、 三边测量及边角同测法三边测量及边角同测法 天文测量法天文测量法（测拉普拉斯点）（测拉普拉斯点） 现代定位新技术：现代定位新技术：主要是主要是GPSGPS测量，测量， 另外，甚长基线干涉测量系统另外，甚长基线干涉测量系统(VLBI)(VLBI) 、 激光测卫激光测卫(SLR)(SLR)、惯性测量系统、惯性测量系统(INS)(INS)等等二、建立国家平面大地控制网的基本原则二、建立国家平面大地控制网的基本原则 大地

2、控制网应分级布设、逐级控制大地控制网应分级布设、逐级控制 大地控制网应有足够的精度大地控制网应有足够的精度 大地控制网应有一定的密度大地控制网应有一定的密度 大地控制网应有统一的技术规格和要求大地控制网应有统一的技术规格和要求三、国家平面大地控制网的布设方案三、国家平面大地控制网的布设方案 一等三角锁、二等全面网、三、四等插网、插点一等三角锁、二等全面网、三、四等插网、插点 1982年完成了全国天文大地网的整体平差工作。网中包括一年完成了全国天文大地网的整体平差工作。网中包括一等三角锁系，二等三角网，部分三等网，总共约有等三角锁系，二等三角网，部分三等网，总共约有5万个大万个大地控制点，网中离

3、大地点最远点的点位中误差为地控制点，网中离大地点最远点的点位中误差为0.84m。四、四、利用现代测量技术建立的国家大地测量控制网利用现代测量技术建立的国家大地测量控制网 92中国中国GPS大会战大会战（ 27个点，个点，地心坐标地心坐标定位精度优于定位精度优于0.1m ） 96 GPS A级网级网（ 3333个主站，个主站，2323个副站，个副站， 优于优于0.1m ） 国家高精度国家高精度GPS B级网级网（ 818个点，个点，相对精度优于相对精度优于0.07m ） 全国全国GPS一、二级网一、二级网（ 40余个点、余个点、 500多个点，多个点，中误差中误差2cm ） 中国地壳运动观测网络

4、中国地壳运动观测网络（ 25站连续基准网和站连续基准网和1 000站区域网）站区域网） 共同构成我国坐标框架（三维地心坐标系）共同构成我国坐标框架（三维地心坐标系） 20002000国家大地坐标系国家大地坐标系( (与与WGS84WGS84坐标系极为接近坐标系极为接近) )上一讲应掌握的内容上一讲应掌握的内容五、国家平面大地控制网的布设五、国家平面大地控制网的布设包括以下工作：技术设计，实地选点，建造觇标，标石埋设，外业测量（主要是角度测量，另外天文测量、重力测量、基线测量），平差计算（早期分区平差，最后整体平差，在椭球面上平差并转化为6带坐标和新54北京坐标系）等。上一讲应掌握的内容上一讲应

5、掌握的内容全国天文大地网的整体平差 全国天文大地网天文大地网整体平差于1982年全部完成。网中包括一等、二等和部分三等三角网和导线网，共计约有5万万个大地控制点，约31万万个方向观测值，还包括467条起始边，458个拉普拉斯方位角。 该在1980年大地坐标系年大地坐标系的参考椭球面上进行的，方向观测值和边长都归算到参考椭球面上。按照完全独立的两种方案来进行两种方案来进行平差平差计算：分区坐标参数平差法和条件联系平差法。两种平差结果几乎完全一致(坐标最大差为4.8cm)，网中离大地点最远最远点的点位中误差为点的点位中误差为0.84m。 全部网点平差后将大地经纬度换算成的6带及3带的高斯平面直角坐

6、标。还将化算为新54 北京坐标系的坐标。天文大地网同时存在三种坐标系的坐标值（三种坐标系的坐标值（L，B；x80, y80; x新新64, y新新64 ）5.4.1 精密测角仪器精密测角仪器经纬仪经纬仪一、精密经纬仪的分类一、精密经纬仪的分类 按度盘结构分为：按度盘结构分为：光学经纬仪光学经纬仪和和电子经纬仪电子经纬仪。 按测角精度，一测回方向中误差按测角精度，一测回方向中误差的大小分为：的大小分为：1 1、高精度经纬仪高精度经纬仪： 1 1 ，用于一、二等三角测量用于一、二等三角测量 一等三角测量一等三角测量 北光北光J J07 07 ，Wild TWild T4 4 二等三角测量二等三角测

7、量 北光北光J J1 1 、 Wild TWild T3 3, , 苏光苏光DJDJ1 1 等等 2 2、中等精度经纬仪中等精度经纬仪： 2 2 ，用于三、四等三角测量用于三、四等三角测量 北光北光DJDJ2 2 、 Wild TWild T2 2, , 苏光苏光J J2 2、西光、西光DJDJ2 2 等等 3 3、普通经纬仪普通经纬仪（与全站仪与全站仪）：）： 5 5 DJ DJ6 6，J J6 6，J J1515等等等等 D:D:大地大地 ,J:,J:经纬仪经纬仪, ,右边的数值表示精度等级。右边的数值表示精度等级。 T:T:为德语为德语TheodolitTheodolit的第一个字母。的

8、第一个字母。二、精密角度测量仪器的特点二、精密角度测量仪器的特点1.精密光学经纬仪的主要特点精密光学经纬仪的主要特点 ( (与普通经纬仪相比与普通经纬仪相比) )角度标准设备角度标准设备 度盘及其读数系统都由光学玻璃组成，水平度盘和垂直度盘(竖盘)共用同一个附着在望远镜筒旁边的读数显微镜和光学测微器光学测微器，并实现双面双面( (对径对径) )读数读数。目标照准设备目标照准设备 尺寸较短的内调焦望远镜。一般给出目标的倒像，但现代望远镜大多数给出目标的正像；一般制动及微动螺旋分离设置，现代的则向共轴发展。设有强制归心机构设有强制归心机构，精密光学对点器和对中杆以及快速安平机构等，有的经纬仪设有垂

9、直度盘指标自动归零补偿器，从而提高了仪器精度和测量效率2、精密电子经纬仪的主要特点精密电子经纬仪的主要特点（与光学经纬仪相比）（与光学经纬仪相比） 角度标准设备：角度标准设备： 采用编码度盘及编码测微器的绝对式； 采用光栅度盘并利用莫尔干涉条纹测量技术的增量式。 微处理机是微处理机是全站仪全站仪的中心部件，它的主要功能是：的中心部件，它的主要功能是： 控制和检核各种测量程序； 实现电子测角，并计算竖轴倾斜引起的水平角及竖直角的改正，绝大多数是双面显示； 实现电子测距和计算，对所测距离进行地球曲率和气象改正，并进行相应的数据处理如水平距离、高差及坐标增量的计算等。2、精密电子经纬仪的主要特点精密

10、电子经纬仪的主要特点(续)将观测值及计算结果显示在显示器上或自动记录在电子手簿上或存储器内。 竖轴倾斜自动测量和改正系统是供仪器自动整平及整平剩余误差对水平盘读数和竖盘读数的自动改正。 现代电子经纬仪具有自动观测功能(带有马达伺服装置和CCD摄像镜头，能够自动搜索目标、精密照准、按程序进行测量和记录)。三、电子测角原理三、电子测角原理编码度盘测角系统，增量式光栅度盘测角系统和动态光栅度盘测角系统1.1.编码度盘测角原理编码度盘测角原理编码度盘属于绝对测角系统，因为其角值是度盘已经注记的绝对数字用4位二进制表示角值，则全圆只能刻成24=16个扇形，则度盘刻划值为360/1622.5 2.2.增量

11、式光栅度盘测角原理增量式光栅度盘测角原理 光栅度盘是利用莫尔干涉条纹效应来实现测角的。 光栅度盘莫尔干涉条纹效应 光栅度盘测角原理莫尔干涉条纹效应莫尔干涉条纹效应 一组黑（不透光）白（透光）相间的平行条纹称为直线光栅。将两密度相同的直线光栅相叠，并使它们的刻划相互倾斜一个很小的角度，这时会出现明暗相同的条纹，这就是莫尔干涉条纹莫尔干涉条纹。 两光栅之间的倾角越小则条纹越粗。 当光栅水平移动时，莫尔条纹上、下移动。 只要光栅夹角小，则很小的光栅移动量就会产生很大的条纹移动量。 光栅度盘是利用莫尔干涉条纹效应来实现测角的。光栅度盘测角原理光栅度盘测角原理 经纬仪度盘作成主光栅，另用相同栅距的光栅作

12、为指示光栅，利用干涉条纹可实现测角。 当度盘随照准部转动时，莫尔条纹落在接收管上。度盘每转动一条光栅，莫尔条纹在接收管上移动一周，流过接收管的电流变化一周。当仪器照准零方向时，让仪器的计数器处于零位，而当度盘随照准部转动照准某目标时，流过接收管电流的周期数就是两方向之间所夹的光栅数。 由于光栅之间的夹角是已知，计数器所计的电流周期数经过处理就可以显示出角度值。 如果在电流波形的每一期内再均匀内插n个脉冲，计算器对脉冲进行计数，所得的脉冲数就等于两个方向所夹光栅数的n倍，就相当于把光栅刻划线增加了n倍，角度分辨率也就提高了n倍。3.3.动态光栅度盘测角原理动态光栅度盘测角原理 动态度盘刻有102

13、4条栅线，内含栅线和缝隙，相应为不透光和透光区，其栅距分划值为1265.625秒，设为0。盘上有两个计数光栅，R为固定光栅，安置在度盘外缘；S为可动光栅，随照准部旋转，安置在度盘内缘；为照准某方向后R与S之间的角度。读角时，度盘开始旋转，计取通过两个光栅间的栅条数，即可求得角度值。 n0 + 0 ，即角等于n个周期0和不足整周期的0分划值之和，它们分别由粗测和精测求得。 四、测角仪器的主要误差四、测角仪器的主要误差1、视准轴误差、视准轴误差u仪器的视准轴不与水平轴正交所产生的误差称为视准轴误视准轴误差差。视准轴误差使照准面成圆锥面。 用C表示，常用2C值检查。u产生视准轴误差的主要原因主要原因

14、有：望远镜的十字丝分划板安置不正确；望远镜调焦镜运行时晃动；气温变化引起仪器部件的胀缩，特别是仪器受热不均匀使视准轴位置变化。u视准轴误差C对盘左、盘右水平方向观测值的影响大小相等，正负号相反，因此，取盘左、盘右实际读数的中数，可以消除视准轴误差的影响。u由于望远镜的调焦镜运行不正确，也就是运行中有晃动可以引起视准轴位置的变化，所以规定在一测回内不得重新调焦规定在一测回内不得重新调焦。四、测角仪器的主要误差（续）四、测角仪器的主要误差（续）2、水平轴倾斜误差、水平轴倾斜误差 （常用 i角表示）u仪器的水平轴不与垂直轴正交，所产生的误差称为 水平轴倾斜误差水平轴倾斜误差。水平轴倾斜误差使照准面成

15、倾斜面。u产生水平轴（倾斜）误差的主要原因有：仪器左、右两端的支架不等高，水平轴两端轴径不相等都会产生水平轴倾斜误差。u水平轴倾斜误差，对水平方向观测值与目标高度有关，随角增大而增大。在盘左、盘右读数的平均值中可以得到抵消。u仪器的视准轴误差和水平轴倾斜误差是同时存在的，它们的影响将同时反映在盘左和盘右的读数差中。2222 tancoscLRcii 四、测角仪器的主要误差（续）四、测角仪器的主要误差（续）3、垂直轴倾斜误差垂直轴倾斜误差 （常用 v角表示）u设视准轴与水平轴正交，水平轴垂直于垂直轴，仅由于仪器未严格整平，而使垂直轴偏离测站铅垂线一微小角度，这就是垂直轴倾斜误差垂直轴倾斜误差。u

16、由于垂直轴倾斜而引起水平轴倾斜的方向在望远镜倒转前后也是相同的，因而对任一观测方向在盘左、盘右观测结果的平均值中不能消除这种误差的影响。u垂直轴倾斜误差对水平方向观测值的影响，不仅与垂直轴倾斜角v有关，还随着照准目标的垂直角和照准目标的方位不同而不同。u在观测时一般采取以下措施来削减这种误差：尽量减小垂直轴的倾斜角v值；测回间重新整平仪器；对水平方向观测值施加垂直轴倾斜改正数。四、测角仪器的主要误差（续）四、测角仪器的主要误差（续）4、光学测微器行差、光学测微器行差（常用 r表示）u当测微分划盘由0分划线转至最末n0 分划线时，也就是测微分划盘转动了n0格时，度盘分划线应恰好移到半个分格，这是

17、测微器能够正确测定小于度盘最小分格值一半的尾数的一个重要条件。当读数显微镜物镜光具组的位置不正确，使读数显微镜中度盘分格的宽度不能得到正确的放大，这时度盘分划线平移半分格时，测微分划盘往往并不恰好转动n0格，而是转动了格n(n n0 ) n0与n之差就是光学测微器行差。光学测微器行差。u使用中要定期测定光学测微器行差。u当行差 r对于J1型测角仪器应小于1 ，对于J2型测角仪器应小于2 ，如超过上述规定，应在观测成果中施加行差改正数。五、液态双轴补偿系统五、液态双轴补偿系统 垂直轴倾斜误差在光学经纬仪上是不好消除的，担在电子经纬仪中则可采用液体双轴补偿系统予以补偿。 当仪器倾斜时，倾斜传感器的

18、液体形成光楔，从而导致光程不同和光束的位移。 位移的大小感应在CCD阵列的X方向和Y方向上，微处理器根据位移的大小计算仪器的倾斜量。 进而求出水平方向及天顶距观测值的改正数，并把他们加到观测值上，输出改正后的水平方向及天顶距观测值。结束 谢谢谢谢!莫尔干涉条纹效应 一组黑（不透光）白（透光）相间的平行条纹称为直线光栅。将两密度相同的直线光栅相叠，并使它们的刻划相互倾斜一个很小的角度，这时会出现明暗相同的条纹，这就是莫尔干涉条纹莫尔干涉条纹。 两光栅之间的倾角越小则条纹越粗。 当光栅水平移动时，莫尔条纹上、下移动。 只要光栅夹角小，则很小的光栅移动量就会产生很大的条纹移动量。 光栅度盘是利用莫尔干涉条纹效应来实现测角的。莫尔干涉条纹精密角度测量仪器的主要部件精密角度测量仪器的主要部件1、垂直水准器观测棱镜；2、垂直度盘照明反光镜垂直度盘照明反光镜；3、望远镜调焦螺旋；4、十字丝校正螺旋；5、垂直度盘水准器微动螺旋；6、望远镜