CN102095402B - 即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法 - Google Patents

Abstract

即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法是一种应用于测绘工作的硬件组合方法、操作流程以及计算公式，该方法是在已知点位经度

的控制点上整平对中全站仪，将光纤陀螺通过锁紧装置固连到全站仪望远镜上，将电源和计算设备与光纤陀螺连接，通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜分别到水平相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜180度，带动光纤陀螺到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺对地球自转角速度分别进行测量，利用测量数据计算东向位置时全站仪视准轴真方位角。本发明结构简单，不需要进行连接误差标定，进行简单操作即可在只有一个控制点情况下实现全站仪定向。

Description

即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法

技术领域

本发明涉及一种定向方法，具体是一种应用于测绘工作的即插即用式光纤陀螺与全站仪组合定向方法，本发明属于机械测绘的技术领域。

背景技术

在测绘工作中，利用全站仪进行碎部点测量或放样时，需要先确定全站仪视准轴的方位角，即进行全站仪定向。现行的全站仪定向方法是把全站仪架设在一个已知控制点上，后视另一个相隔较远的已知控制点，利用两点坐标反算获得全站仪视准轴方位角。GPS定位技术具有点位测量时不需要点间通视的优势，目前已成为进行控制测量的主要手段。现行的全站仪定向方法要求GPS测得控制点间即需要通视又需要相隔一定的距离，这使得GPS技术的优势没能充分发挥，同时也给在通视困难地区的控制点布设带来了难度。因此，实际工作迫切需要一种可行简便的定向方法，实现在只有一个GPS控制点的情况下就可以完成角秒级的全站仪定向，免去需要有一个用于定向的后视点的麻烦。使用现有的角秒级陀螺经纬仪虽能满足上述要求，但由于使用的是机械陀螺，设备笨重且价格昂贵，目前主要用于井下坑道测量。使用该类仪器前需进行仪器常数标定，且定向的操作过程复杂，这都使得其难以在普通测绘工作中推广；况且目前由于全站仪具有经纬仪无法比拟的优点，经纬仪在绝大数测绘工作中已被全站仪取代。

2007年9月12日公开了一种基于光纤陀螺的全站仪组合定向方法(专利号200710020904)，该发明是将光纤陀螺以其轴与全站仪的横轴不超过5度夹角的方式安装到全站仪望远镜上，同时要求光纤陀螺安装到全站仪望远镜上还应满足光纤陀螺能随全站仪望远镜绕全站仪横轴做180度转动。通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜分别到相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜180度，带动光纤陀螺到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺对地球自转角速度分别进行不少于n次重复测量，利用测量数据进行如下过程解算：

-1-

①计算东向位置时全站仪横轴真方位角α₁，具体如下：

${\mathrm{\α}}_1=\frac{1}{2}\arccos [\frac{w_1-w_4}{2w_{\mathrm{ie}}\cos B\·\cos \mathrm{\ξ}}-\mathrm{tgB}\·\mathrm{tg\ξ}]$

式(1)

$+\frac{1}{2}\arccos [\frac{w_2-w_3}{2w_{\mathrm{ie}}\cos B\·\cos \mathrm{\ξ}}-\mathrm{tgB}\·\mathrm{tg\ξ}]$

其中：w_ie为已知地球自转角速度，B为控制点纬度，w₁为东向位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₂为东向抵偿位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₃为西向抵偿位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₄为西向位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，ξ为全站仪给出的自身竖轴倾斜角在横轴方向的投影角；

②利用测站经度B、纬度L，高斯投影中央子午线经度L₀，WGS-84椭球长半轴a、短半轴b，计算本控制点子午线收敛角γ；

$\mathrm{\γ}=l\·\sin B+\frac{l^3}{3}\·\sin B\·{\cos }^{2}B\·(1+3y^2+2\·y^4)+\frac{l^5}{15}\·\sin B\·{\cos }^{4}B\·(2-t^2)$ 式(2)

其中：t＝tgB；

l＝L-L₀；a为WGS-84椭球长半轴；b为WGS-84椭球短半轴；L为本观测点经度；L₀为高斯投影中央子午线经度；

③计算出东向位置时全站仪望远镜视准轴的坐标方位角α₂，即实现全站仪定向，具体如下：

α₂＝α₁+γ+90                式(3)

该发明存在如下不足：首先是“光纤陀螺以其轴与全站仪的横轴不超过5度夹角的方式安装到全站仪望远镜上”这一条件对连接装置的设计与加工要求很高，为防止变形，对连接装置的材料选择也提出了很高的要求；其次，利用式(1)计算结果受安装误差角的影响较大，同时也受到全站仪横轴误差的影响；再者，采用该发明的安装方法，由于安装误差限值较小且连接装置悬臂较长，在工作现场安装难度较大。

光纤陀螺在每次开机后的测量值中都会有一个事先未知的陀螺零偏误差，这会对计算光纤陀螺轴的方位角带来误差；另外，光纤陀螺只能得到光纤陀螺轴与地球自转轴间的夹角，而在全站仪工作中，需要得到的是全站仪视准轴方位角，因此光纤陀螺轴与全站仪视准轴间存在连接误差角。

发明内容

技术问题：本发明针对现有技术的不足与缺陷，提供一种即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法，通过锁紧装置，将光纤陀螺背驼在全站仪望远镜上。利用全站仪望远镜可以带动光纤陀螺精确做水平和竖直各转过180度的特点，利用相应的算法，有效地消除了陀螺零偏误差和连接误差角等***误差对全站仪定向精度的影响，使用中不用进行连接误差角标定即可得到角秒级的全站仪视准轴方位角，实现在只有一个GPS控制点的情况下即可以完成全站仪定向。

技术方案：本发明的即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法为：在已知点位经度B的控制点上整平对中全站仪，将光纤陀螺通过锁紧装置固连到全站仪望远镜上，将电源和计算设备与光纤陀螺连接，通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜分别到相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜180度，带动光纤陀螺到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺对地球自转角速度分别进行不少于n次重复测量，利用测量数据进行如下过程解算：

①计算东向位置时全站仪视准轴真方位角α，具体如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}(\arccos \frac{w_1-w_2}{2w_{\mathrm{ie}}\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)}+\arccos \frac{w_3-w_4}{2w_{\mathrm{ie}}\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)})$

其中：w_ie为已知地球自转角速度，w₁为在东向位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₂为在西向位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₃为在东向抵偿位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，w₄为在西向抵偿位置光纤陀螺进行不少于n次重复测量的平均值，τ_N为全站仪给出的自身竖轴倾斜角在子午面上的投影角，向北为正，向南为负，B为控制点的纬度。

光纤陀螺安装到全站仪望远镜上应满足光纤陀螺能随全站仪望远镜绕全站仪横轴从光纤陀螺轴放水平时的全站仪竖直度盘位置读数β位置竖直转动180°。

所述重复测量的次数n的确定方法为：

$n={\left(\frac{m_w}{4w_{\mathrm{ie}}\·\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)\·\sin {\mathrm{\α}}_0\·m_{\mathrm{\α}}}\right)}^2$

其中，w_ie为已知地球自转角速度；m_w为光纤陀螺零偏稳定性；m_α为定向需求精度， α₀为东向位置时全站仪视准轴真方位角α的概略值。

所述全站仪给出的自身竖轴倾斜角在子午面上的投影角τ_N的计算方法为：

τ_N＝arcsin(sinτ_y·cosα₀+sinτ_x·sinα₀)

其中，τ_x为全站仪水平电子气泡横轴分量读数；τ_y为全站仪水平电子气泡垂直横轴的分量读数，α₀为东向位置时全站仪视准轴真方位角α的概略值。

所述竖直度盘读数β为即插即用式光纤陀螺全站仪组合装置在精密水平转动转台上出厂标定所得。

有益效果：本发明所述的即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法对连接误差角没有限差要求，使得用于连接的锁紧装置制造简单，选材上除了要求结实牢固、尽可能轻便外，没有特殊要求。同时，本发明采用背驮式连接方式，通过锁紧装置连接光纤陀螺与全站仪照准部，使得现场将光纤陀螺安装到全站仪照准部上的工作更加简单方便。也不需进行连接误差角标定，操作过程简单，完成定向后即可取下。该方法可适用现有各类全站仪。

本发明所述的即插即用式光纤陀螺/全站仪组合定向方法可以有效消除光纤陀螺零偏误差和陀螺连接至全站仪上带来的连接误差角对全站仪定向带来的精度影响。由于本发明采用的操作方法及计算方法，使得光纤陀螺零偏误差得到了消除，同时，连接误差角在水平面上投影分量对定向精度的影响也得到了消除。通过出厂前在精密水平转动转台上标定，可得光纤陀螺轴水平时全站仪竖直度盘读数β，使得连接误差角在竖直面上投影分量对定向精度的影响也得到了消除。每次工作时，现场将光纤陀螺通过锁紧装置安装到全站仪照准部上，会存在微小的安装误差；该误差对定向精度的影响小于1″。另外，本发明采用的操作方法及计算方法，使得到的全站仪视准轴方位角不受全站仪横轴误差的影响。

附图说明

图1为即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法技术流程图；

图2为光纤陀螺与全站仪望远镜间的连接方式图；

其中有：光纤陀螺1、锁紧装置2、全站仪望远镜3、电源4、计算设备5。

具体实施方式

本发明是利用光纤陀螺敏感地球自转角速度为全站仪定向，具体技术方案是：在已知点位经度B的控制点上整平对中全站仪，将光纤陀螺通过锁紧装置固连到全站仪望远镜上，将电源和计算设备与光纤陀螺连接，通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜分别到水平相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜180度，带动光纤陀螺到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺对地球自转角速度分别进行不少于n次重复测量，利用测量数据计算东向位置时全站仪视准轴真方位角α，计算公式如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}(\arccos \frac{w_1-w_2}{2w_{\mathrm{ie}}\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)}+\arccos \frac{w_3-w_4}{2w_{\mathrm{ie}}\cos (B+{\mathrm{\τ}}_B)})$ 式(4)

其中：w_ie为已知地球自转角速度，w₁为在东向位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₂为在西向位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₃为在东向抵偿位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₄为在西向抵偿位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，τ_N为全站仪给出的自身竖轴倾斜角在子午面上的投影角，向北为正，向南为负，B为控制点的纬度。

所述的光纤陀螺(1)安装到全站仪望远镜(3)上应满足光纤陀螺(1)能随全站仪望远镜(3)绕全站仪横轴(4)从光纤陀螺轴放水平时的全站仪竖直度盘位置读数β位置竖直转动180°。

所述重复测量的次数n的确定方法为：

$n={\left(\frac{m_w}{4w_{\mathrm{ie}}\·\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)\·\sin {\mathrm{\α}}_0\·m_{\mathrm{\α}}}\right)}^2$ 式(5)

其中，w_ie为已知地球自转角速度；m_w为光纤陀螺零偏稳定性；m_α为定向需求精度，α₀为东向位置时全站仪视准轴真方位角α的概略值。

所述全站仪给出的自身竖轴倾斜角在子午面上的投影角τ_N的计算方法为：

τ_N＝arcsin(sinτ_y·cosα₀+sinτ_x·sinα₀)                 式(6)

其中，τ_x为全站仪水平电子气泡横轴分量读数；τ_y为全站仪水平电子气泡垂直横轴的分量读数，α₀为东向位置时全站仪视准轴真方位角α的概略值。所述竖直度盘读数β为即插即用式光纤陀螺/全站仪组合装置在精密水平转动转台上出厂标定所得。

下面结合附图和实施例对本发明进一步进行说明：

图1为即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法技术流程图，其包含七个操作步骤。应用本发明的具体实施例是在南京市玄武区进行地籍测绘时，在控制点A上进行全站仪定向。控制点A处于某居民小区内，四周被建筑物包围，按传统全站仪定向方法需在距控制点A二百米以远处布设一用于定向的控制点B，这是很困难的，利用本发明不需布控制点B就可以完成全站仪定向。本实施例采用了北京航空航天大学研制的型号为F98H-M型光纤陀螺仪(产品编号：F98H-M0902017)，数据记录和计算利用型号为多普达696的PDA进行，采用的全站仪型号为尼康DTM-452C。在控制点A利用本发明进行全站仪定向的具体操作及计算过程如下：

1)全站仪安置：在已知点纬度为32°03′28″的控制点A上安置全站仪；

2)在全站仪上安装光纤陀螺：如图2，通过锁紧装置2将光纤陀螺1固连到全站仪望远镜3上，将电源4和计算设备5与光纤陀螺1连接，并开机；

3)东向位置采集：水平转动全站仪照准部使光纤陀螺1的轴概略指向东向后水平制动全站仪照准部，把全站仪望远镜3转到竖直度盘149°23′12″位置并竖直制动；从全站仪上读取水平电子气泡横轴分量读数τ_x-29″、垂直横轴的分量读数τ_y为55″；本实施例的定向需求精度为30角秒，全站仪横轴真方位角的概略值取90度，由式5计算得n为758次，对于本实施例即光纤陀螺每位置工作8秒钟；数据采集：按PDA上的工作键对光纤陀螺1所测得数据进行存储，8秒钟后按PDA上停止键停止对光纤陀螺1所测得数据进行存储，并算得平均值w₁为-2.226671165度/小时；

4)西向位置采集：松开全站仪水平制动螺旋，转动全站仪照准部180度后水平制动；重复步骤3)的数据采集过程，并算得平均值w₂为2.326716191度/小时；

5)东向抵偿位置采集：松开全站仪竖直制动螺旋，并转动全站仪望远镜3从竖盘149°23′12″位置到竖盘329°23′12″位置后竖直制动；重复步骤3)的数据采集过程，并算得平均值w₃为-0.236344849度/小时；

6)西向抵偿位置采集：松开全站仪水平制动螺旋，并水平转动全站仪照准部180度后水平制动；重复步骤3)的数据采集过程，并算得平均值w₄为0.336497815度/小时；

7)解算过程：在PDA上进行全站仪望远镜视准轴的方位角的计算，具体过程和结果如下：

7.1)按式6计算全站仪竖轴倾斜角在子午面上的投影角τ_N，初始概略坐标α₀取90°，得τ_N＝-29″；

7.2)按式4计算全站仪视准轴方位角，地球自转角速度w_ie取15.041066876064度/小时，得95°47′15.4″；

为了提高解算精度，进行迭代解算：

7.3)按式6计算全站仪竖轴倾斜角在子午面上的投影角τ_N，初始概略坐标α₀取95°47′15.4″，得τ_N＝-34″；

7.4)按式4计算全站仪视准轴方位角，地球自转角速度w_ie取15.041066876064度/小时，得95°47′13.2″；

7.5)按式6计算全站仪竖轴倾斜角在子午面上的投影角τ_N，初始概略坐标α₀取95°47′13.2″，得τ_N＝-34″；

7.6)按式4计算全站仪视准轴方位角，地球自转角速度w_ie取15.041066876064度/小时，得95°47′13.2″，与上一次计算结果相比差值小于0.1″，迭代停止，得全站仪视准轴在东向位置的方位角为95°47′13.2″。

Claims (5)

1.一种即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法，其特征在于在已知点位纬度B的控制点上整平对中全站仪，将光纤陀螺(1)通过锁紧装置(2)固连到全站仪望远镜(3)上，将电源(4)和计算设备(5)与光纤陀螺(1)连接，通过水平转动全站仪照准部带动全站仪望远镜(3)分别到相差180度的东向位置和西向位置，在东向位置和西向位置再分别通过竖直转动全站仪望远镜(3)180度，带动光纤陀螺(1)到东向抵偿位置和西向抵偿位置，在上述四个位置利用光纤陀螺(1)对地球自转角速度分别进行不少于n次重复测量，利用测量数据进行如下过程解算：

计算东向位置时全站仪视准轴真方位角α，具体如下：

$\mathrm{\α}=\frac{1}{2}(\arccos \frac{w_1-w_2}{2w_{\mathrm{ie}}\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)}+\arccos \frac{w_3-w_4}{2w_{\mathrm{ie}}\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)})$

其中：w_ie为已知地球自转角速度，w₁为在东向位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₂为在西向位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₃为在东向抵偿位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，w₄为在西向抵偿位置光纤陀螺(1)进行不少于n次重复测量的平均值，τ_N为全站仪给出的自身竖轴倾斜角在子午面上的投影角，向北为正，向南为负，B为控制点纬度。

2.根据权利要求1所述的即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法，其特征在于光纤陀螺(1)安装到全站仪望远镜(3)上应满足光纤陀螺(1)能随全站仪望远镜(3)绕全站仪横轴(4)从光纤陀螺轴放水平时的全站仪竖直度盘位置读数β位置竖直转动180°。

3.根据权利要求1所述的即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法，其特征在于，所述重复测量的次数n的确定方法为：

$n={\left(\frac{m_w}{4w_{\mathrm{ie}}\·\cos (B+{\mathrm{\τ}}_N)\·\sin {\mathrm{\α}}_0\·m_{\mathrm{\α}}}\right)}^2$

其中，w_ie为已知地球自转角速度；m_w为光纤陀螺零偏稳定性；m_α为定向需求精度，α₀为东向位置时全站仪视准轴真方位角α的概略值。

4.根据权利要求1所述的即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法，其特征

在于，所述全站仪给出的自身竖轴倾斜角在子午面上的投影角τ_N的计算方法为：

τ_N＝arcsin(sinτ_y·cosα₀+sinτ_x·sinα₀)

其中，τ_x为全站仪水平电子气泡横轴分量读数；τ_y为全站仪水平电子气泡垂直横轴分量的读数，α₀为东向位置时全站仪视准轴真方位角α的概略值。

5.根据权利要求2所述的即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向方法，其特征在于，所述竖直度盘读数β为即插即用式光纤陀螺全站仪组合装置在精密水平转动转台上出厂标定所得。

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