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1、word经纬仪测角原理及动态测角精度瞿惠（大学 精密机械工程系 200072）摘要:现代经纬仪具有实时测量、高精度、自动跟踪监控和易于图像再现等优点。根据光电经纬仪的工作状态, 其测量误差又可以分为静态误差和动态误差。本文研制了测量用旋转靶标，靶标即可以提供以一定角速度或角加速度运动的空间仿真目标，又能够记录目标的实时空间位置，以靶标记录的数据为真值，光电经纬仪跟踪目标所测量的数据与真值比较，可得到光电经纬仪的动态测角精度。关键词: 经纬仪；动态测角精度；旋转靶标Angle measuring principle and dynamic angle precision of Theodolit
2、eQuhui(Department of Precision Mechanical Engineering, Shanghai University， Shanghai 200072)Abstract: Modern theodolite has many advantages, such as real - time measurement , high accuracy,auto - tracking monitoring and easy image reconstruction . According to working status of the theodolite, its m
3、easuring error can be divided into static state error and dynamic state error .Rotary target was established, and it was used to test dynamic angle precision of photoelectric theodolite in laboratory ,Simulation aim was provided and space positions of aim were realtime recoded by targetThe aim can m
4、ove as definite angle speed or as max angle accelerationData of target was considered as realValue of aimTest date of photoelectric theodolite was pared with itand the dynamic angle precision was obtained Key words:theodolite；dynamic angle precision；rotary target.1 引言经纬仪是采用电视测量技术，具有自动跟踪和实时测量功能的光电测量设
5、备，主要用于飞机、轮船、星体等特种试验场空间目标运动轨迹的测量。动态测角精度是指光电经纬仪在规定的角速度和角加速度运动状态下，实时测量的目标空间指向值与真值之差，是衡量光电经纬仪最重要的技术指标之一。长期以来，光电经纬仪的动态测角精度一直在外场，通过实测某一飞行目标并与其它高精度设备比对的方法进行验证。由于外场试验受气候、费用、时间等条件的限制，无法经常进行，因此，研究室测量方法和测量设备是非常必要和急需的.2 电子经纬仪的测角原理 一般来说，我们将电子经纬仪的测角原理分为增量式和绝对式两种。增量式基于光栅莫尔条纹原理，其最终读数在仪器回转过程中形成，往往有一个最大回转速度的限制。绝对式基于码
6、盘原理，其读数与回转过程无关，在瞄准目标以后读取。光栅莫尔条纹测角原理(增量式) 光栅是指均匀刻有间隔很小栅线的光学玻璃。若栅线刻在度盘上，就构成了光栅度盘(如图1所示)，光栅度盘的栅线可以是直线，也可以是曲线。在电子经纬仪的光栅度盘上刻的都是辐射状的直线，辐射中心通常与圆度盘的圆心重合，因此也叫做中心辐射光栅度盘见图1。另外，如按光栅使用特性，可分为相位光栅和振幅光栅，按光栅度盘的光学原理，可分为透射光栅和反射光栅。图1 光栅度盘（局部） 图2莫尔条纹 在电子经纬仪中要实现测角，通常要由两个光栅度盘组成，其中一个称为主光栅，另一个称为指示光栅。利用光栅度盘测角就是要测定从起始方向两光栅度盘相
7、对移动的光栅数，因此这种测角方式也称作增量式测角方式。当两个间隔相同的光栅相迭并成很小的交角，当它们相对移动时可以看到明暗相间的干涉条纹(如图2所示)，称为莫尔干涉条纹，简称莫尔条纹。设B为条纹宽度，w为栅距，为两光栅的交角，则近似可得B=w/(2*tg(/2) 一般来说，很小，故上式可简化为B=w因此，莫尔条纹宽度B与栅距w之比而定义的莫尔条纹放大倍数K为K=Bw=1 由于很小，因此K值很大，也就是说，莫尔条纹起着放大作用，这样大大提高了分辨率。而且越小，K值越大。由此可见，要想知道光栅相对移动的数目，只要测出奠尔条纹的移动数目。当光栅相对移动一个栅距w时，莫尔条纹就沿近于垂直于光栅相对移动
8、的方向移动一个条纹宽度B。当光栅移动方向改变时，莫尔条纹的移动方向也随之改变。光栅度盘的读数系统采用发光二极管和光电二极管进行光电探测(如图3所示)，在光栅度盘的一侧安置一个发光二极管，而在另一端正对位置放置安装一光电接收二极管。当两光栅度盘相对移动时,就会出现莫尔条纹的移动，莫尔条纹正弦信号就会被光电二极管接收，并通过整形电路转换成矩形信号，该信号的变化周期可由计数器得到。计数器的二进制输出信号通过总线系统被输入到存储器，并由数字显示单元以十进制数字显示出来.图3读数系统光栅常数一般为1或2 (考虑到仪器的大小及刻划的难度)。所以要求用电子技术进行细分以达到秒级精度。近代，莫尔条纹的细分均采
9、用微机，大大提高了细分倍数。为了细分和判向的需要，同时采用四相信号，分别为Sin、Cos、一Sin、一Cos。所谓细分实际就是根据采集到的Sin、Cos信号的值来反推读数的位置值。莫尔信号以一个栅距为周期。对于2 栅距的光栅，需细分120，才能得到1 的分辨率，即每3(360120)一个值，实际处理过程如图4所示。图4细分处理过程根据正切函数的周期性，可将整个莫尔信号周期分成八个区，每个区45，所以只需存入15个值的正切函数表就可达到1的分辨率。绝对式测角原理从光学经纬仪到电子经纬仪，人们首先考虑到的是将光学经纬仪的度盘分划转换成一定的编码，再将编码通过一定的读数系统自动转换成相应的角值。通过
10、对编码方法的改进和光、电技术的发展使编码测角技术日趋完善，并成为电子测角的主要方法。大家知道，因二进制可以表示任何状态并可以由计算机来识别。将光学度盘经过刻划造成透光和不透光两种状态可以分别看作是二进制代码的逻辑 “1”和“0”。二进制位数越多，能表达的状态数也越多。纯二进制码就是按二进制的大小依次构成编码度盘的各不同状态。图5 编码度盘 图6编码度盘读数系统如图5所示，这里一圈称为一码道。为了提高分值的分辨率，就必须增加度盘的等分数和相应的码道数。若码道数为n，则整个度盘能表示的状态数为S=2 ，分辨率为=3602“。如图5将度盘分为十六份，所能表示的状态数S=16，要求码道数为四，分辨率为
11、a=225。从理论上说，为了达到足够的分辨率，可以再增加码道数和相应的刻划，但实际上受到某些因素的制约，主要有以下两个方面：(1)将码盘信息经光电转换化成方向值的接收器件不可能无限小，因此，码道数越多，势必要使度盘直径越大。(2)受仪器体积的限制，度盘半径不可能很大，一般度盘半径小于100mm，如TC1为80mm，Lta为98mm，AGA710为70mm，GTS一310为71mm等。因此，要提高编码度盘的测角分辨率，必须引进测微技术。角度电子测微技术是运用电子技术对交变的电信号进行插，从而提高计数脉冲的频率，达到细分效果。本文就不作介绍。一般来说，码盘有纯二进制码盘、莱码盘、矩阵码盘等多种形式
12、，各种码盘的编码方式都不一样，但实际仪器中往往将各种编码方法组合在一起，并且随着编码度盘刻划技术和读数系统的改进，在新型的仪器中还出现了一些变异的编码度盘。近代电子经纬仪已完全摒弃了那种传统的多码道码盘，一般采用一个码道来确定角度的绝对值，即所谓的单码度盘，这是Wild创导的全新原理，便于度盘的制造，但是对清洁度要求很高。编码度盘的读数系统如图6所示。在编码度盘的每一个码道上方安置一个发光二极管，在度盘的另一侧正对发光二极管的位置安放有光电接收二极管。当望远镜照准目标时，由发光二极管和光电二极管构成的光电探测器正好位于编码度盘的某一区域，发光二极管照射到由透光和不透光部分构成的编码上时，并经光
13、电二极管就会产生电压输出或零信号，即二进制的逻辑“1 ”和逻辑“0”。这些二进制编码的输出信号通过总线系统存入到一个存储器中，然后通过译码器并由数字显示单元以十进制数字显示出来。除此之外，还有一种编码度盘不是采用光学度盘刻成透光与不透光码道，而是将码道制成导电与不导电来表示逻辑“1”和逻辑“0”，其相应的读数系统不是采用光电接收而是用金属接触片探测是否导电来获取度盘信息。3 经纬仪动态测角精度的测量动态测角精度是指经纬仪在规定的角速度和角加速度运动状态下，实时测量的目标空间指向值与真值之差，是衡量经纬仪最重要的技术指标之一。长期以来，经纬仪的动态测角精度一直在外场，通过实测某一飞行目标并与其它
14、高精度设备比对的方法进行验证。由于外场试验受气候、费用、时间等条件的限制，无法经常进行，因此，研究室测量方法和测量设备是非常必要和急需的。31旋转靶标的组成图7为旋转靶标结构示意图，主要由支撑架、旋转轴系、平行光管、反射镜、电气控制柜等部分组成。图7靶标结构不意图 支撑架的主要作用是稳定支撑旋转目标，为了便于移动，支撑架底部设计有万向移动鼓轮和三点式落地支撑地角。旋转轴系主要由精密转轴、直流伺服电机、导电环和23位绝对式编码器组成，旋转轴的作用是带动平行光管和反射镜转动，产生以一定角速度和角加速度运动的目标，并通过同轴安装的编码器，准确地得到靶标目标的空间角度位置。平行光管的焦距为lm，口径1
15、00mm，目标形式为星点。平行光管出射的光经反射镜反射后，在空间形成一光锥形目标，提供给经纬仪。 电气控制柜中有主控计算机、时统终端、编码器数据采集电路、串行通讯电路、伺服控制电路、电源等相关硬件。经纬仪和靶标由各自的时统终端通过GPS授时功能对时。靶标编码器的采样频率可以根据测量需要，设定为与光电经纬仪的工作频率相同，有400Hz、200Hz、1 00Hz、50Hz供选择。实际测量时，主控计算机在时统终端同步信号的控制下，实时同步采集并记录绝对时和编码器值，同时光电经纬仪自动跟踪靶标目标并同步采集绝对时、目标的方位角、俯仰角和脱靶量等测量数据。事后，按已建立的动态测角误差计算公式完成光电经纬仪的动态测角精度计算。32靶标与光电经纬仪的坐标变换关系图2为靶标与光电经纬仪的坐标变换关系图，图中，O点为光电经纬仪三轴旋转中心，定义该点为坐标原点，a为靶标旋转半锥角，b为靶标旋转轴与水平面的夹角，A为光电经纬仪的方位角，E为光电经纬仪的俯仰角。设靶标目标位于空间最高点S0处的编码器值为零值，当目标从S。点旋转至S点，靶标编码器的角度为0。依据球面三角定理可得E=arcsin(cosasinb+sinacosbcos) （1）A=arcs
