[发明专利]一种基于竖轴倾斜的经纬仪水平角动态补偿方法

说明书

技术领域

本发明属于电子类测绘仪器技术领域，具体涉及一种基于竖轴倾斜的经纬仪水平角动态补偿方法。

背景技术

对于电子经纬仪等测绘仪器来说，要进行精确角度测量，其前提是经纬仪的横轴、竖轴与视准轴三轴两两正交，且横轴水平、竖轴铅垂。其中，经纬仪的三轴间的正交性是仪器本身的结构要求，是仪器出厂时是否合格的参数指标之一。而横轴水平和竖轴铅垂则是在仪器的使用过程中由操作人员保证，通过调整经纬仪上与横轴平行放置的水准器，使水准器水泡在正交的两个方向上都居中，以此来保证经纬仪的竖轴铅垂(横轴水平)。然而，在野外复杂环境下，受客观环境条件影响，很难使水准器水泡在正交的两个方向上同时完全居中，在实际操作过程中，只是将水泡调整到误差允许范围之内，而非精确调平。此时，经纬仪的竖轴实际处于倾斜状态，因此，会对测角结果产生一定的误差，为了获取高精度的角度测量值，就需要对竖轴倾斜误差进行补偿。

当前，国内外高精度电子经纬仪与全站仪所采用的竖轴倾斜误差补偿公式为：

Δv＝v cosβtanα(1)

其中，Δv为竖轴倾斜误差对水平方向观测值的影响，v为竖轴偏离铅垂位置的角度，α为目标水平角，β为目标垂直角。

但是，上述公式中的v很难实时测量，不能进行竖轴倾斜误差的实时动态补偿。此外，该公式的获得是基于球面三角学原理推导而来，在推导过程中假定了竖轴倾斜角度很小，且进行了大量数学近似处理，忽略了不同误差同时存在时的耦合问题，因此，上述竖轴倾斜误差补偿公式只是一个近似误差补偿模型，并不能精确的反映竖轴倾斜对水平角测量的影响，而且只适合竖轴倾斜误差较小的情况，对于竖轴倾斜误差较大时的情况，并不适用。在发明专利“一种光电经纬仪水平角高精度补偿方法”(专利号：ZL 201110051678.9，发明人：赵晓枫等)中提到的经纬仪竖轴倾斜误差补偿方法可以在竖轴倾斜误差较大的情况下对经纬仪所测量的水平角进行补偿，但是该方法在补偿时没有考虑经纬仪视准轴误差和横轴倾斜误差，经纬仪视准轴误差和横轴倾斜误差会与竖轴倾斜误差产生耦合，共同对经纬仪水平测角精度产生影响。由于经纬仪视准轴误差和横轴倾斜误差是经纬仪固有误差参数，几乎每台经纬仪都存在，因此该专利所提到的方法还存在一定局限性，其补偿精度有待进一步提高。

发明内容

针对上述现有技术状况，本发明的目的在于提供了一种基于竖轴倾斜的经纬仪水平角动态补偿方法，该方法考虑经纬仪的视准轴误差和横轴倾斜误差，能够在较大范围内对经纬仪竖轴倾斜误差对水平方向测角值的影响进行高精度实时动态补偿。

本发明采用如下技术方案来实现的：

一种基于竖轴倾斜的经纬仪水平角动态补偿方法，包括：

在平行于经纬仪横轴和与横轴垂直的水平方向分别安置两个电子水准器，将经纬仪的竖轴倾斜角度用经纬仪横轴方向和与横轴垂直的水平方向的倾斜角来表征，所述的横轴方向倾斜角和与横轴垂直的水平方向的倾斜角为相应方向上电子水准器的测量输出，以这两个方向的倾斜角作为矩阵元建立经纬仪竖轴倾斜时的初始矩阵，将经纬仪视准轴误差、横轴倾斜误差、实测水平角和垂直角作为矩阵元，经纬仪测角的旋转过程以相应的矩阵表示，得到经纬仪视准轴的空间矢量指向，最后得到有竖轴倾斜误差存在时，经纬仪水平角的真实测量模型。

本发明进一步的改进在于，具体包括如下步骤：

步骤1：建立基准坐标系为O-X₀Y₀Z₀，原点O为经纬仪三轴的交点，Z₀轴与测站水平面垂直，X₀轴和Y₀轴位于水平面内，Y₀轴指向大地北，X₀轴与Y₀轴和Z₀轴分别正交，组成右手坐标系；

步骤2：在实际测量过程中，当经纬仪竖轴发生倾斜时，在经纬仪横轴和与横轴垂直水平方向上形成的倾斜角度分别为v_x,v_y，横轴倾斜角度v_x以及与横轴垂直水平方向倾斜角度v_y是指通过相应方向上安置的电子水准仪实时测量的角度，此时，由经纬仪竖轴倾斜而产生的初始变换矩阵为：

步骤3：若经纬仪横轴倾斜误差为i,视准轴误差为C，当经纬仪对目标进行观测时，水平角实际测量值为α′，竖直角的实际测量值为β′，考虑到经纬仪的旋转测量顺序则旋转矩阵分别为：