現(xiàn)代光電經(jīng)緯儀具有實(shí)時(shí)測(cè)量、高精度、自動(dòng)跟蹤監(jiān)控和易于圖像再現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn), 廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器試驗(yàn)等科研和軍事領(lǐng)域。它的測(cè)量精度直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)果和試飛結(jié)論的準(zhǔn)確性, 而測(cè)角精度又是光電經(jīng)緯儀中一項(xiàng)最重要的指標(biāo)。根據(jù)光電經(jīng)緯儀的工作狀態(tài), 其測(cè)量誤差又可分為靜態(tài)誤差和動(dòng)態(tài)誤差。通常在設(shè)備的總誤差中, 靜態(tài)誤差占據(jù)主要部分, 因而是目前研究的重點(diǎn)。光電經(jīng)緯儀測(cè)角精度檢測(cè)分外場(chǎng)和室內(nèi), 在室內(nèi)常用不同高角的平行光管檢測(cè); 光學(xué)測(cè)量設(shè)備外場(chǎng)精度檢測(cè)主要采用拍星等方法。本文主要針對(duì)室內(nèi)檢測(cè)分析經(jīng)緯儀的靜態(tài)測(cè)角誤差。

　　2 經(jīng)緯儀靜態(tài)測(cè)角精度室內(nèi)檢測(cè)方法

　　經(jīng)緯儀靜態(tài)測(cè)角精度室內(nèi)檢測(cè)是采用專用檢測(cè)架裝置來檢測(cè)。檢測(cè)架上加裝了不同高角和方位角的平行光管, 通過光管中分化板上的像作為無窮遠(yuǎn)目標(biāo), 用 T4 經(jīng)緯儀測(cè)定目標(biāo)的標(biāo)定值 (A, E) 與被檢經(jīng)緯儀測(cè)量值之差便是測(cè)角誤差,

　獨(dú)立檢測(cè)架中裝有一個(gè)水平光管, T 型檢測(cè)架中裝有不同高角的光管, 從上至下分別約為 65°,45°, 30°以及水平的光管, 獨(dú)立檢測(cè)架與 T 型檢測(cè)　架方位夾角約為 90°, 各光管的視軸交匯于一點(diǎn),經(jīng)緯儀測(cè)量時(shí)將其垂直軸與水平軸的交點(diǎn)安裝在該點(diǎn)附近。檢測(cè)過程中先用精度高的 T4 經(jīng)緯儀測(cè)得各光管的角度值作為真值, 然后將被檢經(jīng)緯儀測(cè)得的各光管角度值作為測(cè)量值, 測(cè)量值與真值之差即為被檢經(jīng)緯儀的靜態(tài)測(cè)角誤差。

　　3 經(jīng)緯儀靜態(tài)測(cè)角精度分析

　　導(dǎo)致光電經(jīng)緯儀產(chǎn)生靜態(tài)測(cè)角誤差的主要因素為 3 大誤差源, 即軸系誤差、編碼器誤差、判讀誤差 (脫靶量讀取誤差)。

    　3.1 軸系誤差

　　軸系誤差包括垂直軸誤差, 水平軸誤差和視軸誤差。經(jīng)緯儀的三軸關(guān)系, 垂直軸垂直于水平面, 水平軸應(yīng)垂直于垂直軸, 視軸垂直于水平軸。

3.1.1視軸差

　　經(jīng)緯儀的視軸與水平軸的不垂直度即為照準(zhǔn)差,常用符號(hào) C 表示。當(dāng)經(jīng)緯儀存在照準(zhǔn)差時(shí), 會(huì)給方位角的測(cè)量帶來誤差

將檢測(cè)架固定在穩(wěn)定平臺(tái)上, 檢測(cè)光管置于檢測(cè)架上, 并使其水平偏差<10″。接通電源, 照明十字絲, 作為無窮遠(yuǎn)的目標(biāo)。在轉(zhuǎn)臺(tái)表面固定雙面鏡, 調(diào)節(jié)鏡座使雙面鏡的法線與垂直軸軸線垂直并大致相交。在檢測(cè)架上架設(shè) 0.2″自準(zhǔn)光管, 使其視軸垂直于雙面鏡。光電經(jīng)緯儀分別以正鏡、倒鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo), 即使光電經(jīng)緯儀的十字絲中心與檢測(cè)光管的十字絲中心重合, 讀 0.2″自準(zhǔn)光管水平方向的讀數(shù) ( 或讀方位編碼器的讀數(shù)) 。正鏡、倒鏡重復(fù)瞄準(zhǔn) 3 次得 A 和A′:

　　正鏡:A= (A1+A2+A3) /3

　　倒鏡:A′= (A1′+A2′+A3′) /3

　　則照準(zhǔn)差: C=(A- A′)/2(用 0.2″自準(zhǔn)光管讀數(shù))

　　C= (A- A′±180°) /2 (用方位編碼器讀數(shù))

　　C 為正值表示視軸偏向左立柱;

　　C 為負(fù)值表示視軸偏向右立柱。

　　3.1.2 橫軸差

　　水平軸和垂直軸的不垂直度為橫軸差。在圖 2中垂直軸垂直于水平面, 建設(shè)水平軸與水平面的夾角為 I, 當(dāng) I=0 時(shí)視軸繞水平軸旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的軌跡平面為一個(gè)鉛垂平面, 當(dāng) I≠0 時(shí), 則產(chǎn)生一個(gè)傾斜平面。因而產(chǎn)生測(cè)角誤差△E。根據(jù)與照準(zhǔn)差類似的方法推導(dǎo)出:

　　!E=I×tgE

　　式中 E 為目標(biāo)高角值。

　　橫軸差的檢測(cè)與照準(zhǔn)差相似。利用圖 1 中 T 型檢測(cè)架的 65°光管作為目標(biāo), 光電經(jīng)緯儀分別以正鏡、倒鏡瞄準(zhǔn)目標(biāo), 即使光電經(jīng)緯儀的十字絲中心與檢測(cè)光管的十字絲中心重合, 讀方位編碼器的讀數(shù)。正鏡、倒鏡重復(fù)瞄準(zhǔn) 3 次得 A、A′。

　   正鏡:A= (A1+A2+A3) /3

　　倒鏡:A′= (A1′+A2′+A3′) /3

　　則橫軸差:I= [(A- A′±180) /2- C×secE] /tanE

　　式中 E 為光管高角。

3.1.3 豎軸差

　　豎軸差包括傾斜和晃動(dòng)。豎軸偏離鉛垂位置成為豎軸傾斜誤差, 設(shè)豎軸線和鉛垂線夾角為 V, 豎軸傾斜引起水平軸不水平因而產(chǎn)生測(cè)角誤差 β, 由球面三角可得: β=VtgE。經(jīng)緯儀中都設(shè)有調(diào)平機(jī)構(gòu), 使用時(shí)要先將儀器調(diào)平, 所以在綜合計(jì)算中不引入豎軸傾斜誤差。豎軸晃動(dòng)可以分解為 2 個(gè)方向, 即沿水平軸方向和垂直水平軸方向, 二者分別影響橫軸差和高低測(cè)角差。檢測(cè)方法也分為 2 個(gè)方向, 分別將電子水平儀沿水平軸方向或垂直水平軸方向放置于經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)臺(tái)上, 經(jīng)緯儀轉(zhuǎn)動(dòng), 每隔 30°讀數(shù), 正轉(zhuǎn) 2 周后再反轉(zhuǎn) 2 周 (因?yàn)檩S的轉(zhuǎn)速是鋼球的 2 倍)

3.2 編碼器誤差

　　編碼器誤差主要有碼盤偏心誤差、刻劃誤差、細(xì)分誤差以及帶動(dòng)誤差等。方位和俯仰編碼器分別影響方位和俯仰測(cè)角精度, 轉(zhuǎn)換關(guān)系為 1∶1, 可以通過多面體檢測(cè)。

　　3.3 判讀誤差

　　誤差分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差可由設(shè)備標(biāo)定后予以修正。隨機(jī)誤差則由構(gòu)成系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)引入。由于其隨機(jī)性而無法修正, 是構(gòu)成綜合判讀誤差的主要來源。隨機(jī)誤差主要包括脫靶量量化誤差, 像元分辨率及其誤差, 算法誤差, 跟蹤誤差和定位誤差等。其中脫靶量量化誤差與相機(jī)有關(guān)，其余誤差均與像元分辨率誤差有關(guān)

3.4 綜 述

　　在視軸裝調(diào)良好的情況下 ( 視軸晃動(dòng)等指標(biāo)均較小), 影響光電經(jīng)緯儀測(cè)角精度的主要因素是跟蹤架誤差?？梢詮囊韵聨讉€(gè)方面提高經(jīng)緯儀測(cè)角精度。

       ( 1) 編碼器可以在安裝過程中通過多面體檢測(cè), 反復(fù)調(diào)整, 精度可以滿足要求。

　　(2) 軸系裝調(diào)過程中, 通過傅里葉級(jí)數(shù)展開測(cè)量軸系晃動(dòng), 分析原因盡量減小晃動(dòng)量。

　　(3) 跟蹤架裝配過程中, 通過修研左右立柱等高等方法減小橫軸差。

　　(4) 視軸裝配時(shí)保證視軸垂直水平軸, 裝配后在不影響視場(chǎng)的前提下可以通過調(diào)整 CCD 來調(diào)整照準(zhǔn)差。

　　(5) 通過俯仰編碼器電調(diào)零可以修正零位差。

　　4 基于 EXCEL 的經(jīng)緯儀靜態(tài)測(cè)角誤差修正

　　根據(jù)上述分析, 在檢測(cè)經(jīng)緯儀靜態(tài)測(cè)角誤差時(shí)需要進(jìn)行各單向差的修正。按照各單向差對(duì)測(cè)角精度的影響將公式嵌入 EXCEL 表中, 直接輸入測(cè)得角度值即可得出測(cè)角誤差 (見表 1)。

　　表中 1# 光管為圖 1 中獨(dú)立檢測(cè)架上的光管,2# 光管為圖 1 中 T 型檢測(cè)架中的接近 65°的光管。標(biāo)定值為高精度 T4 經(jīng)緯儀對(duì) 2 個(gè)光管方位, 高低方向的標(biāo)定結(jié)果。被檢經(jīng)緯儀分別以正鏡和倒鏡瞄準(zhǔn)各光管測(cè)得方位, 高低角度值輸入表中即可