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基于經緯儀的自調平臺海態水平度的測量
發布時間：2017-09-01
引 言
水平度是角度量的參數，海態水平度是動態角度量。船在海上時，具有縱搖，橫搖，和航向變化3個角運動以及航行、橫移、升沉3 個線運動，共6自由度運動，因此，不僅調平臺的水平度是動態量，而且要在動態環境下進行測量。6 自由度運動都會產生線加速度，引起水平儀的運動敏感構件誤動，因此成品水平儀在動基座條件下都不能使用，海態水平度的測量需要研究新的方法和設備。
1 測量原理
測量海態水平度采用岸、船對瞄，幾何學內錯角相等則兩直線平行的原理，見圖1。
A 為岸上點，B 為船上點，兩點各架設一臺經緯儀進行對瞄，AB 為A 和B 的對瞄線，由于岸上經緯儀可以精確調平，因此，αA 為AB 對A 點大地水平線的夾角，船上經緯儀需拆去調水平底座，直接固定在調平臺上，因此，船上經緯儀的水平度是由自調平工作臺確定的，是被測值，αB 為AB 對被測調平線的夾角，如無地球曲率影響，則|αA|=|αB|時，工作臺調平線與大地水平線平行，即水平度誤差為零，當有地球曲率影響時，水平度誤差Δ 為：
式中：Δ α 為地球曲率對水平度影響的補償值。采用這種俯仰角相等的方法檢測水平度能適應海態的環境條件，無論潮漲潮落，A 和B 兩點都能準直。由于Δ α 恒為“+”值，αA，αB 的符號隨“正”、“倒”鏡狀態而不同，因此取絕對值。
2 地球曲率修正
由于地球在公里級距離時可近似看作為球體，在不同位置點上水平面為垂直于鉛垂線的平面，因此，不同位置的水平面相互間具有夾角，并不平行。當兩點距離較近時該夾角值可以忽略不計，但兩點位置較遠時，兩點水平面的夾角值會增大，所以必須予以修正。地球曲率修正見圖2。
O 為地球曲率中心;R 為地球半徑;αB 為船上經緯儀仰角;αA 為山上經緯儀俯角。從圖中可以得到：
式中：Δα 為地球曲率修正量，°;L'為船上和山上點的斜距，由測距儀測出;L 為水平距離，km;αA為山上經緯儀的俯角，(°)；R 為地球半徑，km，取平均值6 370 km。誤差分析如下，將公式（2）微分得：
徑為6 356.912 km，對平均值最大誤差dR=13.1 km，水平距離L=1 km 時，引起誤差0.07"，因此，可忽略不計。
(2)測距誤差dL 的影響
如L 仍為1 km，距離的測量誤差為dL=31 m，造成角度的補償誤差為1"。
3 測量設備與方法
海態水平度測量設備采用成品經緯儀加裝附件的辦法，見圖3，主要分為3 大部分：對瞄跟蹤、光同步采樣和激光測距。3(a)是測量設備，3(b)是設備布置。圖中，1 為對瞄經緯儀TM5100A;2 為接受同步信號經緯儀;3 為激光測距儀;4 為對瞄經緯儀JTD2;5 為發射同步信號經緯儀;6 為測距棱鏡組。為操作方便減少設備臺數，同步采樣和激光測距裝成一體。對瞄跟蹤設備由兩臺經緯儀組成。岸上為TM5100A，船上經緯儀需選用不裝對線加速度敏感的電子水泡等元件的經緯儀，現用JTD2 經緯儀，并更改軟件，只提取垂直角，使輸出間隔時間由107 ms縮短至24 ms。兩臺經緯儀的望遠鏡中心都裝有30 mW紅光半導體激光器及聚光鏡，作為兩臺儀器對瞄時的目標;同步采樣也用兩臺經緯儀，在船上JTD2 的望遠鏡上裝有發射光信號的紅光半導體激光器(0.3 W)及光學系統，岸上TM5100A 的望遠鏡上裝有接收信號的光學系統及光敏三極管;光同步采樣裝置裝在經緯儀望遠鏡上是為了便于捕捉目標及對準。激光測距部分由測距儀和角錐棱鏡組組成，測距儀裝在接收信號TM5100A 的上面，棱鏡組裝在JTD2 經緯儀上。
船上的發射激光器發出激光，用準直法對準山上接收經緯儀上的接收光學系統，使光敏三級管觸發。這時的三極管輸出為高電平信號，當關閉發射激光器時，三極管輸出轉變為低電平。測量時，船上和岸上的對瞄經緯儀不斷進行手動跟蹤對瞄，采樣時，按船上電源的采樣按鍵，同時完成兩個動作：(1)電平跳變信號，使單片機進行采樣，讀取電平跳變前、后(最靠近電平跳變)JTD2 二個垂直角讀數值，取平均值，輸至LED 數顯，平均值顯示時間保持10 s。(2)按鍵的接點使0.3 W 激光器斷電，激光器熄滅。岸上接收系統的光電三極管由接收到激光至激光熄滅，產生相應輸出電平跳變，通過放大比較電路，在滅激光器的時刻，繼電器線圈通電，使連接TM5100A 微動機構+5 V 電源的常閉接點斷開。TM5100A 的微動機構失效，保持熄滅時的垂直角狀態，0.3 s 后予以顯示。所得的垂直角讀數，以及由測距儀測出的距離按公式(1)算出自調平工作臺水平度的值。
4 實驗驗證
為了驗證海態水平度測量方案的正確性，進行了以下實驗驗證：
(1) 靜態綜合誤差試驗
在陸態實驗時，兩臺經緯儀都能按大地水平面調水平，因此實驗得到的誤差是整個測量設備和方法的靜態綜合誤差，包含了地球曲率補償及經緯儀附件安裝的正確性。在距離為257 km 時進行了20 次對瞄實驗， 試驗結果， 最大值為5" ， 平均值Δ=0.4",σ=2.5"。當距離為1 km 時，最大值為4.3"。
(2) 遠距離時光同步激光束的光斑尺寸試驗
光斑太大則能量損耗大，難以觸發光電三極管，太小又難以捕獲目標，為此進行了光斑尺寸試驗。調試時把光斑的長邊置于水平方向，以便于方位方向容易跟蹤，短邊置于垂直方向，以減小進入觀察望遠鏡的光能量。試驗結果：在距離為750 m 時，光斑尺寸長邊為800 mm，短邊為50 mm。
(3) 同步采樣陸態功能實驗
試驗結果：1 km 光同步采樣功能正常，同步時間小于1 ms。
(4) 海態手動跟蹤對瞄試驗
由于測量參數是角度，距離越遠，則角度的變化量越小，1 km 時手動能正常跟蹤。經以上實驗，證明海態水平度的測量原理正確，方案可行。
摘自：中國計量測控網
