型野外天文测量系统的原理与方法.ppt

新型天文测量系统 原理与方法,王若璞 测绘学院测量与导航工程系,实用天文学,主要内容,电子经纬仪简介 新型天文测量系统的组成及工作原理 新旧系统对比 软件使用简介,电子经纬仪简介,电子经纬仪的基本结构 光栅度盘测角原理 编码度盘测角原理 动态度盘测角原理 联机通讯与在线控制技术 Leica经纬仪数据记录格式,徕卡（Leica）仪器:,TC-常规型全站仪 TM-步进电机 TCR-无棱镜反射 TCA-智能型全站仪 TDM-工业测量 TCRM TCRA,TTheodolite Total Station CClassic RReflectorless total station M-Motorized total station AAutomatic taget recognition,徕卡TM5000电子经纬仪,电子经纬仪的基本结构,光栅度盘测角原理,1、光栅与莫尔条纹,光栅（optical grating）是用玻璃、树脂或金属制成的表面具有密集等宽等距线条的光学元件。,光栅参数：一是单位毫米长度范围内的线条数，称为线条密度；二是相邻线条之间的距离，称为光栅距 。,2、光栅增量式测角原理,（1）光栅与莫尔条纹,横向莫尔条纹的生成：,横向莫尔条纹的放大作用：,B,莫尔条纹的位移发大作用：当光栅相对移动一个节距W时，条纹移动一个宽度周期B。,莫尔条纹的特性： 莫尔条纹的移动量与光栅的移动量相对应； 莫尔条纹具有位移放大作用； 莫尔条纹具有平均光栅误差的作用； 莫尔条纹便于实现自动化和数字化测量。,光栅度盘,编码度盘测角原理,编码度盘主要可分为二大类，一是码区度盘；二是条码度盘。,一、码区度盘测角原理 1二进制编码度盘测角,编码度盘上分成若干宽度相同的同心圆环，这种圆环称为编码度盘的“码道n” ；在码道数目一定的条件下，整个编码度盘又可以分成数目一定、面积相等的扇形区，称为编码度盘的“码区S”,2、编码度盘测角原理,分辨率与码道数的关系：,码道数、分辨率有限，需采用测微装置!,各码道从外到内按二进制码的方式处理成透光(1)、不透光(0)或导电(1)、不导电(0) ，即可形成二进制编码度盘。,角度信息是刻制在玻璃度盘上的，仪器一开机即可读取和显示角度信息，并且关机后角度信息不丢失，因此常称编码度盘测角为绝对式测角。,二、条码度盘测角原理 码区度盘是通过多码道的二进制编码或葛莱循环码的方式刻制而成，因多码道码区度盘的加工工艺比较复杂，成本较高。20世纪90年代以后，徕卡公司的全站仪普遍采用了一种新的编码度盘，即条码度盘。,条码是由一组按一定编码规则排列的条、空符号，用以表示一定的字符、数字及符号组成的信息。条码系统是由条码符号设计、制作及扫描阅读组成的自动识别系统。,条码度盘的测角原理如下图所示。由发光管发出的光线通过一定光路照亮度盘上的一组条形码，该条形码由一线性CCD阵列识别，经一个8位A/D（模/数）转换器读出，提供大约0.3gon（0.27）精度的概略读数。,1发光管 2光路系统 3条码度盘 4线性CCD阵列,条码度盘测角原理,在条形码的识别过程中，首先确定CCD阵列上独立编码线的中心位置，适当的计算方法求得平均值，完成精密测量。 单次测量即可包含大约60条编码线，改进了角度内插精度，提高了角度测量的可靠性。,在条码度盘中，对径设置多个条码探测装置，不仅可提高角度的读数精度，而且可消除度盘偏心差，如徕卡的TPS1000系列全站仪(一测回方向中误差为0.5)。,动态度盘测角原理,动态度盘测角系统主要由光栅度盘及其驱动系统、与仪器底座连接在一起的固定光栅探测器 和与照准部连接在一起的活动光栅探测器 、以及数字测微系统等组成。,测量时，度盘在驱动系统马达的带动下，以一定的速度旋转。度盘透光条纹通过光电探测器时，输出高电平；不透光条纹，则输出低电平。随着度盘的连续旋转，探测器分别输出所示的方波信号。,在度盘转速恒定，测定夹角实质上是测定某一度盘刻划分别经过、两探测器的时间差T，即：,数据通信与在线控制技术,联机通信与在线控制技术的意义,实现测量数据的远程传输，指令信息的调用； 实现了自动观测、自动记录和自动数据处理； 减轻劳动强度，实现测量的自动化、智能化。,联机通信与在线控制技术,全站仪与PDA连接,全站仪与陀螺仪,联机通信与在线控制技术,全站仪与计算机连接,针脚号信号功能 1 :+12V电源 2 :空留 3 :信号地（GND） 4 :数据接收（RXD） 5 :数据发送（TXD）,（b）针脚功能,雷蒙（LEMO）5芯插座,全站仪联机通信,T2000ST3000系列,TPS1000系列,徕卡TPS系列全站仪，支持一套接口指令，通过RS232串口允许用户直接接收数据。GSI指令提供了一套具体的命令，包括对全站仪的控制操作以及数据的交换。GSI在线命令提供了四组基本命令： SET命令，用来设置仪器参数。 语法结构：SET/ CONF命令，用来读取仪器内部的设置。 语法结构：CONF/ PUT命令，用以改变或向全站仪内部输入数值（如设置全站仪的角度等）。 语法结构：PUT/ GET命令，用来向全站仪内部读取数据（如测量的角度，距离等） 语法结构：GET/n/WI/ 例如，指令：“GET/M/WI11/WI21/WI22”表示让仪器测量并传回“点号”、“水平角”、“垂直角”的数值内容。,Leica经纬仪数据记录格式,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,徕卡全站仪测量数据块示例,在GSI数据格式中，除“.”外，其它数据位都有具体含义：,新系统的组成及工作原理,系统组成工作原理,系统主要由高精度电子经纬仪、掌上型便携机、GPS天文计时器等组成。,系统组成工作原理,该系统重量轻，体积小，自动化程度高，稳定性好，抗干扰能力强。实现了星表自动生成、观测自动寻星、数据自动采集、成果自动处理等功能。工作效率比传统方法提高几倍到十几倍。,多星近似等高法同时测定经纬度,传统观测方法都是基于T4的，不适合于电子经纬仪，为此，本文研制了多星近似等高法，此方法是在多星等高法的基础上发展形成的，但其与多星等高法有着很大的不同，它采用的是近似等高，每颗星可采十几个到几十个数据（多星等高法只能采一个或5个），大大增加了数据量；使用GPS OEM板进行授时，用计算机进行守时，用电子经纬仪进行测量。此方法使操作过程变得简单易行，提高了作业效率。,由球面三角公式中的边余弦公式，可以得到天顶距z，测站经纬度，恒星的赤经、赤纬，时角t之间的关系式如下： 其中 其中S为观测瞬间的格林尼治真恒星时，由观测瞬间的UTC时刻T观化算得到。 化算方法为：根据时间频率公报（实时解算时用预报值，事后解算用精确公报），将UTC时刻T观化算为T观 ，再将其化为平恒星时，在加赤经章动，将其化为真恒星时S。,基本原理,恒星的赤经、赤纬可由视位置计算程序从星表中加改正得到。天顶距z由观测得到。因此，其中只含未知数 ， 。 在使用高度数据前，对高度数据进行大气折射改正： 准真实高度观测高度大气折射差,对多颗星进行观测，其方程式可以写为：,新旧系统对比,传统一等天文测量设备,常规天文测量仪器,DKM3A 经纬仪,T4 经纬仪,Y/JGT-01系统硬件组成,电子经纬仪,计时器,测量控制终端,Y/JGT-01系统软件组成,新型天文测量设备,传统天文测量设备,实现了一等天文测量主设备的更新换代,T4 TM5100A 仪器重量 105kg 17kg 仪器安置 专用基墩 通用脚架 仪器整平 人工 自动补偿 寻星照准 人工 自动驱动 观测数据 人工读数 自动采集,T4 与 TM5100A 的性能比较,传统天文测量设备,新型天文测量设备,系统的自动定向和被测目标的自动寻星功能,“多星近似等高法同时测定经纬度”的原理、方法和技术,用计算机内部晶振作为测量的时间基准,用卫星授时技术取代BPM短波授时,BPM短波收时器,整个