CN1099130A - 一种快速定位*** - Google Patents

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张艳祥
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Abstract

用于快速测量任一点的三维大地坐标的快速定 位***，是将自动陀螺仪、计算机与全站仪相连接，在 全站仪上或在计算机上开发出后视一个已知点，在已 知点上摆反射棱镜，输入已知点的坐标及观测数据， 计算机即显示或打印出该测站点的三维坐标并可立 即开始电子全站仪所胜任的各种测量工作。解决了 快速紧急定位及已知点缺失地区的测量控制问题，并 开创了无标架控制测量和仪器摆在室内作城市街道 测量等新技术。

Description

本发明属于测量仪器领域，是用于快速测量任一点的三维大地坐标的仪器***，是一种作快速定位与测量的组合测量装置。
在定位仪器中，目前能在测量工作中应用的，首推全球定位***（GPS），它是靠同时观测到四颗以上GPS定位卫星的信号求得仪器站点坐标的，GPS***的缺点是：
（1）不能在城市街区密集处，森林和地下工作;
（2）测得的仪器站点坐标是地球坐标，要至少在大地坐标***中的三个已知点上比测，才能转化成工程与大地控制测量坐标使用;
（3）测得的高程精度不隹;
（4）测定控制点坐标时，可以不用后视点，但使用GPS控制点时，必须要后视已知点，必须设方位标或造标;
（5）摆一站只能测定一点的坐标;
（6）工程应用至少要两套仪器，价格高。
其它可用的确定仪器站点坐标的方法有后方交会，它是用电子全站仪同时对2个以上的已知点测角、测距、再算出测点坐标。
与本发明最接近的技术是日本SOKKIA的GP-1、GP-2陀螺速测仪，但它的陀螺仪是非自动陀螺仪，观测时劳动强度大、费时、精度低，该仪器功能较少，未开发出快速定位功能。
本发明的目的是：提供能在地面、地下任何地点（纬度75°以下）进行快速定位与测量的***，它只需后视一个已知点就能确定未知点三维大地测量坐标，工作效率高，能解决工程与大地测量中用传统的后方交会，以及先进的GPS定位***难于解决的快速紧急定位及已知点严重缺失地区的测量控制问题，开创无标控制测量和仪器摆在室内作城市街道测量的新技术。
本发明为完成上述任务，采用的技术方案是将自动陀螺仪，计算机与全站仪相连接，在全站仪上或在计算机上开发出后视一个已知点，在已知点上摆反射棱镜，输入已知点的坐标及观测数据，计算机即显示或打印出该测站点的三维坐标并可立即开始电子全站仪所胜任的各种测量工作。附图展示了本发明快速定位***中各设备相互的连接状况和工作过程的方式，自动陀螺仪由自动陀螺仪主机（1），自动陀螺仪电源（3），计算机（2），打印机（4），电池与充电器（7），等部分组成;电子全站仪由主机（5）和反射镜（6）组成;计算机（2）含打印机（4）经接口与自动陀螺仪主机连接，并且通过另一接口与电子全站仪数据接口相连，从而构成了一种新型的快速定位***，它的功能和作用已远超出几种仪器单独的功能：首先，自动陀螺仪主机（1）架在电子全站仪（5）的两横轴支架上，通过一个可卸式连接器（8）联结，联结器（8）必须保证两仪器的竖轴重合;电子全站仪架在与已知点通视的任一未知点上，全站仪对准反射棱镜;然后，在后视已知点上摆反射棱镜，接着，由自动陀螺仪测出北方向B′N与测线的坐标方位角TB′A，由电子全站仪测出测线的垂直角β，斜距DB′A′，平距SAB;再输入已知点的三维坐标，仪器高，反光镜高，在全站仪中就可巧妙利用其固有测量程序，直接显示出仪器站点的三维坐标;或者直接将全站仪测得的数据和已知点坐标，仪器高，反光镜高输入计算机（2）中，微机就显示测站坐标;快速定位***如此快速求出测站点的三维坐标（NB，EB和ZB）后，仪器已摆好在测站点上，并已定好向;可立即开始电子全站仪所胜任的各种测量工作。
由此，本发明只需后视一个已知点就能确定测站点的三维大地坐标，接着以测站点为中心，用全站仪可测出任一点的三维坐标，这就是快速定位。若将固定在多个控制点上的反射棱镜构成测量控制网，即无标架控制网。就可在能见到任何一块反射棱镜的任一地方快速确定点位，完成各种测量工作。
本发明实质上是自动陀螺仪、电子全站仪与计算机有机结合的统一体。是一种兼具自动陀螺仪指北、定向功能，电子全站仪的测垂直角、水平角、高差、平距、坐标、遥测距离和高差、放样、导线测量等功能以及计算机的控制、计算、数据显示、存储、打印等多功能的快速定位与测量***。
下面结合附图作进一步的说明：
图1：本发明快速定位***的诸设备相互的连接状况和工作过程示意图;
图2：本发明快速定位***工作方式示意图。
自动陀螺仪由自动陀螺仪主机（1），自动陀螺仪电源（3），便携式微型计算机（2），打印机（4）电池与充电器（7）等部分组成。它能以±3″至±60″的中误差自动测出北方向以及被测边的方位角并在计算机（2）的显示屏上显示出来，也可存储或打印出来。自动陀螺仪可用任何型式的陀螺仪如悬挂式机械陀螺，气浮陀螺，液浮陀螺，挠性陀螺及激光陀螺等。
电子全站仪（ELECTRONIC TOTAL STATION）由主机（5）和反射镜（6）组成，可用不同生产厂家的产品，其测角精度可为±0.5″-6″，测距精度为±（5mm+5ppm×D）至±（0.2mm+0.2ppm×D）且具有坐标导线测量等多种功能，如采用PTSⅢ05.SET2C.TC1610、TC2002、GTS4及由DIOR3002与T1610构成的全站仪。
计算机（2）含打印机（4）经接口与自动陀螺仪主机（1）连接，并且通过另一接口与电子全站仪（5）数据接口相连，从而构成了一种快速定位***。
计算机（2）是自动陀螺仪（1）的必要组成部分，它控制自动陀螺仪的运行、信息输入、数据记录、计算、显示、存储、误差计算、子午线收敛角计算、超差报警等。它也是全站仪（5）的野外数据记录器。计算机可选32K以上内存容量的多种机型，如PC1500、PCE500、IBM-PC/XT 286、386便携机等。
当某些全站仪没有坐标导线测量的功能时，则在计算机中需设置计算坐标NB，EB和ZB的程序，用公式：
NB＝NB′＝NA-SABCOSTB′A（1）
EB＝E′B＝EA-SABSINTB′A（2）
ZB＝Z′B-hB＝ZA′-DA′B′SINβ-hβ （3）
当从自动陀螺仪读出测线的方位角TB′A后，即输入微机，同时输入斜距D′BA′，垂直角β，反光镜高I，仪器高hB，计算机计算并显示出B点的坐标NB，EB，ZB。
用自动陀螺仪与电子全站仪测得的以及计算出的结果，其方位角TBA，垂直角β，斜距DA′B′，平距SAB，等全部已存入计算机中。
图2描述了由计算机（2）经接口与自动陀螺仪主机（1）连接，并经另一接口与全站仪（5）相连，所组成的快速定位***的工作方式。自动陀螺仪主机（1）架在电子全站仪（5）的两横轴支架上，通过一个可卸式连接器（8）联结，必须保证两仪器的竖轴重合。定向完成后，可卸下陀螺仪主机。
A为已知点，B为与A通视的任一未知点，本***之仪器架在B点，反光校镜架在A点，反光镜高度为I，仪器高为hB
已知：A点坐标：NA、EA、ZA，反光镜坐标为NA，EA，Z′A，Z′A＝ZA+I;
求：B点坐标：NB，EB，ZB
设仪器中心高为Z′B，ZB＝Z′B-hB
测量数据：由自动陀螺仪测出北方向B′N与测边的坐标方位角TB′A，由电子全站仪测出测线的垂直角β，斜距DB′A′，平距SAB
计算：B点坐标可由微机算出，计算公式为：
NB＝NB′＝NA-SABCOSTB′A（1）
EB＝E′B＝EA-SABSINTB′A（2）
ZB＝Z′B-hB＝ZA′-DA′B′SINβ-hβ （3）
只需输入已知点的坐标及观测数据，微机即显示测站坐标;
也可由全站仪的坐标计算功能，加以适当转化利用而求得所求的测站点坐标。
测站点的坐标按如下原理计算并显示：
假定仪器是摆在A点，将方位角TB′A+180°换成TAB′;输入已知点坐标NA，EA及ZA′，全站仪显示出的NB与EB即为B点坐标，只是按垂直角β直接算出的高差是B′与A′的高差，hB′A′与所要求的高差hA′B′符号相反，大小相等，即hAB′＝-hB′A
故求B′点高程;ZB′＝ZA′-hA′B′;再求B点高程ZB＝Z′B-hB
快速定位求出测站点B的三维坐标（NB，EB，ZB）后，仪器已摆好在B点上，并已定好向;仪器望远镜十字丝中心瞄准任一待测点时，全站仪水平度盘显示的角度值即为测站至目标的坐标方位角;将NB，EB，ZB作测站坐标输入全站仪中，按测量键，便可从读数窗中直接得到待测点的坐标，也可以用全站仪作其他有关测量工作。
实施例：用发明人研制的AG-1（GAOS）型自动陀螺仪、PTS-Ⅲ05电子全站仪及PC1500便携式微型计算机制成的AFS-1快速定位***，实测结果：后视1.86km公里远处已知点上的反光镜，最少14分钟求得测站点的三维坐标，点位中误差mx＝±34.2mm，my＝±3mm，mz＝±11mm。工程应用证实了其优越性。
本发明快速定位***与地球定位***GPS比较，在以下各方面具有明显优点：
1.本发明能在地下、森林、城市街区密集处工作;
2.GPS只能摆一站测定一点的坐标，本发明摆一站可测量一片。既能定位又可用全站仪进行各项测量工作，只需安置一次仪器即可，特别适合作快速定位、控制测量、地形与工程测量;改变了传统测量方法，控制测量与地形测量能同时进行，效率很高;
由固定在多个固定点上的反射棱镜所构成的无标架控制网，可以在每次测量时，后视点不必去人，设站灵活，造价低廉，效率很高。
3.GPS要依靠观测三个已知坐标点才能转化成测量用的大地坐标;而本发明只需一个已知坐标点就得到大地坐标，在国内测量控制点大量损坏、丢失的情况下，能够迅速解决测图控制和各种工程测量问题;
4.本发明用于矿井，隧道，地铁定向，不占用井筒，减少了停工，降低了成本;
5.本发明减轻了观测者的劳动强度，操作简便，速度快，精度高，能够自动记录全部野外测量数据完成各种内业计算工作并打印出所需的各种测量结果，特别适于战时炮兵定位以及紧急救援定位。
本***的特征是将自动陀螺仪便携式微型计算机与全站仪相连接，在全站仪上或在微机上开发出后视一个已知点就能确定测站点的三维坐标的快速定位***。解决了工程与大地测量中传统的后方交会，以及先进的GPS定位***难于解决的快速紧急定位及已知点缺失地区的测量控制问题，并开创了无标架控制测量和仪器摆在室内作城市街道测量等新技术。

Claims (4)

1、用于快速测量任一点的三维大地坐标的快速定位***，其特征在于：自动陀螺仪，计算机与全站仪相连接；自动陀螺仪主机(1)架在电子全站仪(5)的两横轴支架上，通过一个可卸式连接器(8)联结，联结器(8)必须保证两仪器的竖轴重合；电子全站仪架在与已知点通视的任一未知点上，全站仪对准反射棱镜；然后，在后视已知点上摆反射棱镜，接着，由自动陀螺仪测出北方向B′N与测线的坐标方位角TB′A，由电子全站仪测出测线的垂直角β，斜距DB′A′，平距SAB；再输入已知点的三维坐标，仪器高，反光镜高，在全站仪中就可巧妙利用其固有测量程序，直接显示出仪器站点的三维坐标；或者直接将全站仪测得的数据和已知点坐标，仪器高，反光镜高输入计算机(2)中，微机就显示测站坐标；快速定位***如此快速求出测站点的三维坐标(NB，EB和ZB)后，仪器已摆好在测站点上，并已定好向；可立即开始电子全站仪所胜任的各种测量工作。
2、用于快速测量任一点的三维大地坐标的快速定位***，其特征在于：自动陀螺仪由自动陀螺仪主机（1），自动陀螺仪电源（3），计算机（2），打印机（4），电池与充电器（7），等部分组成;电子全站仪由主机（5）和反射镜（6）组成;计算机（2）含打印机（4）经接口与自动陀螺仪主机连接，并且通过另一接口与电子全站仪数据接口相连，而构成一种快速定位***。
3、根据权利要求1所述的快速定位***，其特征在于所述的自动陀螺仪的一次定向误差为±3″至±60″。
4、根据权利要求2所述的快速定位***，其特征在于所述的全站仪的测角误差为±0.5″至±6″，测距中误差为±（5mm+5ppm×D）至±（0.2mm+0.2ppm×D）。
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