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1、第四章 大地测量 观测技术,中国矿业大学环境与测绘学院,应用大地测量学,第四章 大地测量观测技术,应用大地测量学,大地测量的基本任务: 地面点空间位置 重力 传统的测量方法: 天文测量 三角测量 导线测量 几何水准测量 主要观测元素: 角度 距离 高差,第一节精密角度测量,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器 第二节 角度观测误差分析 第三节 方向观测法 第四节 垂直角测量 第五节 精密距离测量 第六节 精密水准测量仪器及其检验 第七节 精密水准测量观测与概算 第八节 GPS测量 第九节 天文测量简介 第十节 重力测量简介,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器 第二
2、节 角度观测误差分析 第三节 方向观测法 第四节 垂直角测量 第五节 精密距离测量 第六节 精密水准测量仪器及其检验 第七节 精密水准测量观测与概算 第八节 GPS测量 第九节 天文测量简介 第十节 重力测量简介,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造 4.1.2 光学测微器与对径重合读数法 4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪 4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,我国光学经纬仪系列分为:J1、J2、J6等级别。 J为经纬仪汉语拼音第一个字母,下标表示仪器室内检定时一测回水平方向观测中误差。,第一节精
3、密角度测量,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造 4.1.2 光学测微器与对径重合读数法 4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪 4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,望远镜 读数设备 水准器 轴系,第一节精密角度测量,应用大地测量学,1、望远镜 组成:物镜、调焦镜、十字丝分划板、目镜,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,等效物镜的光心与十字丝中心的连线称为望远镜的视准轴。 望远镜调焦时,调焦透镜沿着望远镜内壁来回移动。如果调焦透镜不是沿着平行于光轴的直线运动,就会导致视准
4、轴改变方向,给方向观测成果带来误差。 结论:规定一个测回内不得重新调焦。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,v=0.25m u=2000m du=1000m时, dv=0.016mm,微分上式得:,应用大地测量学,2、水准器 (1)作用使经纬仪的垂直轴与测站铅垂线一致。 (2)圆水准器用于粗平。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,2、水准器 (3)管水准器用于精平。冰点低、流动性强、附着力小的液体(酒精、硫酸醚)。 (4)水准器格值” 一个分格(2mm)所对的圆心角。决定了灵敏度。防止太阳照射仪器,防止手指触摸水准管。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量
5、学,3、读数设备 (1)度盘 (2)光学测微器 (3)读数显微镜,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备 (1)水平度盘 玻璃制成,安置在仪器基座的垂直轴套上,仪器转动时不得转动和移动。 度盘是量测角度的标准器,其圆周刻划着等间距的分划线,两相邻分划线间的角值称为格值。精密测角一起的度盘直径75160mm,格值420。如图4-5。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备 (1)水平度盘 度盘分化误差主要表现为系统误差,其中: 沿度盘全局逐渐变化,形成以圆周为周期的周期性误差,称为长周期误差; 以度盘上一小弧段,约201为周期,并在圆周上多
6、次重复出现的周期性误差,称为短周期误差。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,3、读数设备 (1)水平度盘 为减弱周期误差对方向观测到影响,规范规定,在方向观测中,各方向观测中,各测回之间应变换度盘位置。一般按照下式进行配置: m为测回数,为度盘格值的一半。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,(2)光学测微器。 用于读取不足一个刻划格值的读数,精密经纬仪采用双光学零件的测微器,按对径重合读数法读取读数,可读到1”0.1”。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,(3)读数显微镜窗口。 测微尺分划像 度盘对径分划像,4.1.1 精密光学经纬仪
7、的基本构造,应用大地测量学,4、轴系 (1)照准部(望远镜、读数设备、水准器、垂直度盘)旋转时,保证轴线定向不变。 (2)照准部旋转轴心、度盘刻度中心、度盘旋转中心应一致,否则,将产生照准部偏心差、度盘偏心差。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,应用大地测量学,4、轴系 (3)由于轴与轴套间的间隙,以及受到以及间隙中的润滑油作用,照准部相对于正确的旋转轴线位置也会产生偏差,称为定向偏差。 定向偏差造成照准部在旋转过程中摇晃、歪斜或平移,这种现象叫做照准部旋转不正确。,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造 4.1
8、.2 光学测微器与对径重合读数法 4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪 4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,应用大地测量学,1、光学测微器有双平板玻璃、双光楔等类型。 2、转动测微器测微轮时,测微尺移动,同时,对径分划影像上下按相反方向移动。测微尺全长对应上下对径分划的半个分格。,4.1.2 光学测微器与对径重合读数,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造 4.1.2 光学测微器与对径重合读数法 4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪 4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,应用大地测量学,1、J1级光学经纬仪T3 水平度盘1度分为3大
9、格,每大格分5小格,最小格值4。采用双平板玻璃光学测微器,测微尺刻有600格,最小格值0.2。,4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪,应用大地测量学,2、J2级光学经纬仪T2,4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪,应用大地测量学,3、J2级光学经纬仪Zeiss010,4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪,4.1 精密角度测量仪器,应用大地测量学,4.1.1 精密光学经纬仪的基本构造 4.1.2 光学测微器与对径重合读数法 4.1.3 常用的J1、J2级光学经纬仪 4.1.4 电子经纬仪,第一节精密角度测量,4.1.4 电子经纬仪,应用大地测量学,电子经纬仪:安置有电子扫描度盘,在微
10、处理控制下,实现自动化数字测角的经纬仪。 电子速测仪:将电子经纬仪、光电测距仪和存储器集成在一起,在微处理器控制下,能同时测定和显示距离、水平角和垂直角,并能对观测值进行各种改正、计算和记录地面点的三维空间坐标的电子测量仪器。俗称全站仪。,4.1.4 电子经纬仪,应用大地测量学,1、构成:光学部件、机械部件、电子扫描度盘、 电子传感器、微处理机; 2、光栅度盘:固定与移动光栅探测器 3、工作原理:,固定光栅探测器,活动光栅探测器,电子测角分类 编码度盘测角 光栅度盘测角,一、电子测角概述,二、编码度盘测角原理,1、编码度盘 码道 区间,结论:识别望远镜照准方向落在哪一个区间是编码度盘测角的关键
11、。,二、编码度盘测角原理,4码道编码度盘角度对照表,如何识别区间?,1、编码度盘,1,0,0,1,-E,-E,旋转轴,发光二极管,接收二极管,R,二、编码度盘测角原理,2、编码度盘光电读数识别原理,度盘,二、编码度盘测角原理,3、角度分辨率 设-角度分辨率 S-区间数, 则 设n-码道数,则,若提高角度分辨率,必须增加码道数n。,结论:,示例:右图角度分辨率为22.5度,若提高至20,由 则需刻成360/20=64800个区间,而64800216 ,即需16码道。,3、角度分辨率,二、编码度盘测角原理,困难:受光电器件尺寸限制,靠增加码道提高角度分辨率很不现实。故直接利用该法精度较低。,三、光
12、栅度盘测角原理,1、光栅,具有密集等宽等距线条的光学元件。,圆形光栅,特点:栅距越小,则角度分划值越小,即测角精度越高。 示例:当角度分划值为144,在80mm直径的光栅度盘上,将刻划12500条细线(刻线密度为50条mm)。 结论:要想再提高测角精度,必须对其作进一步的细分。然而,这样小的栅距,再细分实属不易。 如何提高测角精度呢?,三、光栅度盘测角原理,1、光栅,主光栅,栅距,接收二极管,三、光栅度盘测角原理,2、莫尔条纹,3. 莫尔条纹的特点,三、光栅度盘测角原理,(1)两光栅之间夹角越小,条纹越粗,即相邻明条纹或暗条纹之间的距离越大。 (2)在垂直于光栅构成的平面方向上,条纹亮度 按正
13、弦规律周期性变化。,三、光栅度盘测角原理,3. 莫尔条纹的特点,(3)光栅移动一个光栅距 莫尔条纹移动一个条纹宽度B (莫尔条纹明暗变化一周期),三、光栅度盘测角原理,3. 莫尔条纹的特点,(4)莫尔条纹对光栅具有位移放大作用,如图,由于角很小,则:,三、光栅度盘测角原理,/2,莫尔条纹宽度B对光栅距 的放大关系为:,3. 莫尔条纹的特点,放大倍数随光栅夹角 的减小而增大。 若光栅距 固定,条纹宽度B随 的减小而增大。,3. 莫尔条纹的特点,(4)莫尔条纹对光栅具有位移放大作用,三、光栅度盘测角原理,结论:,示例: 当 = 10, = 0.01mm时: 根据B/=1/ 得出B/344,B=34
14、4=3.44mm,三、光栅度盘测角原理,结论:光栅距为1个单位,莫尔条纹的宽度就为 344个单位,这就有利于我们进行测量。,3. 莫尔条纹的特点,(4)莫尔条纹对光栅具有位移放大作用,莫尔条纹测角原理,三、光栅度盘测角原理,4. 莫尔条纹测角装置与原理,指示光栅转动一个光栅距 莫尔条纹明暗变化一个周期 莫尔条纹光信号强度变化一个周期 光电接收管中的电流变化一周期。,三、光栅度盘测角原理,莫尔条纹测角原理,在测角装置中,增加一个光电接收管b,它与原来的光电接收管a的间隔为B/4。如下图:,B/4,a,b,5、光栅度盘转动方向判别,三、光栅度盘测角原理,顺时针转动,莫尔条纹从左向右移动,a管电流信
15、号超前 b管电流信号90,指示光栅,三、光栅度盘测角原理,a,b,5、光栅度盘转动方向判别,光电流,逆时针转动,莫尔条纹从右向左移动,a 管电流信号滞后 b 管电流信号90,结论:根据 a、b中电流相位差的不同,可识别度盘的顺时针或逆时针转动,使电路控制脉冲可逆计数器,顺时针加法计数,逆时针减法计数。,三、光栅度盘测角原理,a,b,增量式测角 角度误差累积 关机角度信息不保留 开机需要初始化,莫尔条纹测微 测角精度高,光栅度盘,测角精度低,绝对式测角 角度误差不累积 开机即可读取角度信息 关机后信息不丢失,编码度盘,缺点,优点,编码度盘和光栅度盘比较分析,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密
16、角度测量仪器 第二节 角度观测误差分析 第三节 方向观测法 第四节 垂直角测量 第五节 精密距离测量 第六节 精密水准测量仪器及其检验 第七节 精密水准测量观测与概算 第八节 GPS测量 第九节 天文测量简介 第十节 重力测量简介,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差 4.2.2 仪器误差 4.2.3 观测误差 4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差 4.2.2 仪器误差(难点) 4.2.3 观测误差 4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2.1
17、外界条件引起的误差,应用大地测量学,外界条件主要指观测时大气的温度、湿度、密度、太阳照射方位及地形、地物等因素。,第二节角度观测误差分析,应用大地测量学,水平折光影响,微分折光实际照准方向与理想方向的微小夹角。 大气垂直折光微分折光在铅垂面上的分量。 大气水平折光微分折光在水平面上的分量。,4.2.1 外界条件引起的误差,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差 4.2.2 仪器误差(难点) 4.2.3 观测误差 4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,4.2.3 仪器误差,应用大地测量学,4.2.2 仪器误差,应用大地测量学,(一)视准轴误差,
18、视准轴物镜光心和十字丝中心的连线。 视准轴误差视准轴不垂直于水平轴。,对水平观测方向的影响: c=ccos,4.2.2 仪器误差,应用大地测量学,(一)视准轴误差,盘左:视准轴偏向正确方向左侧,(c为负),正确方向读数A比有误差读数L小: A = L - c 盘右:视准轴偏向正确方向右侧,(c为正),正确方向读数A比有误差读数R大: A = R + c A=(L+R)2,C对方向观测值的影响c ,盘左盘右大小相等、符号相反,取读数中数可消除视准轴误差的影响。 前提:c值在盘左、盘右观测期间保持稳定 规定一测回内不得重新调焦,影响规律:,4.2.2 仪器误差,应用大地测量学,(一)视准轴误差,C
19、对方向观测值的影响c,随着的增大而增加。 当观测方向为水平时, =0,c = c,大地测量边长较长,大多在0左右: 0, c c, L - R 2c 即:同一测回中,同一目标的盘左盘右读数之差等于2c。,对于2c互差规范规定:一测回中各方向2c值互差,J1不超过9”,J2不超过13”。 对于2c自身大小规范规定:J1不超过20”,J2不超过30”。,影响规律: c=ccos,应用大地测量学,(二)水平轴误倾斜差,水平轴倾斜误差水平轴不垂直于垂直轴产生 i,4.2.2 仪器误差,对方向观测值的影响:i=itan,应用大地测量学,(二)水平轴误倾斜差,盘左:水平轴倾斜左低右高取i为负,正确读数A比
20、有误差i 的读数L小: A = L - i 盘右:水平轴倾斜左高右低i为正,正确读数A比有误差i 的读数R大: A = R + i,4.2.2 仪器误差,盘左盘右取平均,可消除水平轴倾斜误差的影响。 正确读数:A=(L+R)/2,影响规律:,应用大地测量学,(二)水平轴误倾斜差,4.2.2 仪器误差,i=itan i大小既与i有关,也与有关,大,则i大,=0, 则i=0,此时水平轴误差对方向观测值没有影响。,影响规律:,盘左正确读数:A = L - c - i 盘右正确读数:A = R + c + i 则 L - R = 2c + 2i,规范规定:某方向超过3,则该方向2c互差可按同一观测时间
21、段内的相邻测回进行比较。即:它的2c可以不与i影响小的方向比,而与该方向在相邻测回中的2c比。,应用大地测量学,(三)垂直轴误倾斜差,垂直轴倾斜误差垂直轴本身不竖直。,4.2.2 仪器误差,偏离铅垂线位置的角度v对方向观测值的影响: v =itan i =vcos v = v costan,应用大地测量学,(三)垂直轴误倾斜差,V的方向和大小不随照准部转动而变;v的正负号不因盘左盘右而改变,即盘左盘右观测不能消除v。,4.2.2 仪器误差,影响规律: v = v costan,垂直轴倾斜误差对方向观测值的影响v与垂直轴倾斜角v、照准目标的垂直角、观测目标的方位都有关系。,方法:观测中特别注意垂
22、直轴具有铅垂位置,水准管气泡不得偏移 3,各测回间重新整置一起,是气泡居中。,应用大地测量学,(三)垂直轴误倾斜差,v =itan = ntan n为气泡偏离格数,为格值。,4.2.2 仪器误差,倾斜改正数的计算:,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差 4.2.2 仪器误差 4.2.3 观测误差 4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.3 观测误差,4.2 角度观测误差分析,应用大地测量学,4.2.1 外界条件引起的误差 4.2.2 仪器误差 4.2.3 观测误差 4.2.4 精密测角的一般原则,第二节角度观测误差分析
23、,4.2.3 精密测角的一般原则,应用大地测量学,(1)盘左盘右两个位置进行观测,取上、下半测回平均值作为最后观测值,消除仪器视准轴误差和水平轴倾斜误差影响。 (2)一测回中,下半测回照准目标的先后次序和上半测回相反,削弱仪器脚架扭转、因气温引起视准轴变化和基座扭转引起的度盘带动等误差影响。 (3)每半测回开始前,照准部向将要旋转的方向先转12周;半测回观测过程中,照准部不得有相反方向运动,削弱照准部对度盘的带动误差和脚螺旋空隙带动误差影响。 (4)测微螺旋、水平微动螺旋的最后操作应为“旋进”,削弱测微器、微动螺旋的隙动误差。,第二节角度观测误差分析,4.2.3 精密测角的一般原则,应用大地测
24、量学,(5)各测回的起始方向应均匀分布在度盘和测微器的各个位置上,削弱水平度盘分划的长周期误差和短周期误差,以及测微尺的分划误差。 (6)观测前认真对焦,消除视差,一测回中不得改变望远镜焦距,以免由于视准轴的变动而引起视准轴误差变化。 (7)整平仪器时,照准部气泡应严格居中,一测回观测中气泡偏差过大时应停止观测,重新整置仪器;当目标垂直角较大时,应在测回之间重新整置仪器。 (8)观测要在通视良好、成像稳定和清晰时进行。有条件可在不同时段内完成,尽力减弱旁折光和相位差。,第二节角度观测误差分析,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器 第二节 角度观测误差分析 第三节 方向观测法 第四
25、节 垂直角测量 第五节 精密距离测量 第六节 精密水准测量仪器及其检验 第七节 精密水准测量观测与概算 第八节 GPS测量 第九节 天文测量简介 第十节 重力测量简介,4. 3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则 4.3.2 观测手簿的记载 4.3.3 观测限差 4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4. 3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则 4.3.2 观测手簿的记载 4.3.3 观测限差 4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.1 方向观测法的程序和规则,应用大地测量学,方向观测法在三角
26、网和导线网中,一点周围有三个以上方向。方向观测法是在一测回内把测站上所有观测方向,先盘左位置依次观测,再盘右位置依次观测,取盘左、盘右平均值作为各方向的观测值。,第三节方向观测,4.3.1 方向观测法的程序和规则,应用大地测量学,盘左位置顺时针方向旋转照准部,依次照准A、B、C、D、E、A,读取观测值,称为上半测回;然后纵转望远镜,盘右位置逆时针方向旋转照准部,仍从A开始,依次照准A、E、D、C、B、A并读数,称为下半测回。上、下两个半测回合起来称为一个测回。 观测到起始方向常称为零方向。要求每半测回观测闭合到零方向(目的在于监测观测过程中水平度盘有无方位变动),此时上、下半测回构成一个闭合圆
27、,所以这种观测又称为全圆观测法,这种闭合操作称为“归零”。 当方向数不超过3个时,由于半测回持续时间较短,可以不归零。方向数只有2个时,方向观测法也就是测回法。,第三节方向观测,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则,应用大地测量学,观测规则,1、零方向的选择(距离适中、通视良好、成像清晰); 2、调焦、消除视差。照准零方向,安置度盘位置;(每一测回开始前进行) 3、上、下半测回照准目标的次序相反; 4、半测回开始前,照准部按规定方向旋转1-2周; 5、微动螺旋、测微螺旋最后保持旋进方向; 6、一测回观测中,气泡不得偏离一格。,4.3.1 方向观测法的程序和规则,4. 3 方向观测
28、法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则 4.3.2 观测手簿的记载 4.3.3 观测限差 4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.2 观测手簿的记载,应用大地测量学,1、盘左(上半测回)由上而下,观测每一目标照准一次,读数两次,取平均值作为观测值; 2、盘右(下半测回)由下而上,观测每一目标照准一次,读数两次,取平均值作为观测值; 3、归零差的计算; 4、两倍视准轴2c的计算; 5、各方向平均值的计算; 6、方向值计算(起始方向值为零度零分零秒); 7、凡记错度、分以及算错,可整齐划去,在其上方填写正确数字,不得涂檫。,表4-1 水平方向观测手簿,表4
29、-3水平方向观测记簿,表4-3 水平方向观测记簿,4. 3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则 4.3.2 观测手簿的记载 4.3.3 观测限差 4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.3 观测限差,应用大地测量学,4. 3 方向观测法,应用大地测量学,4.3.1 方向观测法的程序和规则 4.3.2 观测手簿的记载 4.3.3 观测限差 4.3.4 观测成果的取舍和整理,第二节角度观测误差分析,4.3.3 观测成果的取舍和整理,应用大地测量学,(1)一测回内2c互差或同一方向测回互差超限重测超限方向并联测零方向; (2)零方向2c互差或下半
30、测回归零差超限,该测回应全部重测;一测回中重测方向数超过测站方向数的1/3时,也重测全部测回; (3)全部基本测回中,重测的方向测回数超过全部方向测回总数的1/3时,全部成果重测; (4)基本测回和重测成果均应记入记簿; (5)重测数计算方法:测站全部方向测回总数为(n-1)m,基本测回中,重测一个超限方向算作一个方向测回;零方向超限重测整个测回算作n-1个方向测回。 (6)测站平差:求各方向值的算术平均值。,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器 第二节 角度观测误差分析 第三节 方向观测法 第四节 垂直角测量 第五节 精密距离测量 第六节 精密水准测量仪器及其检验 第七节 精密
31、水准测量观测与概算 第八节 GPS测量 第九节 天文测量简介 第十节 重力测量简介,4. 4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算 4.4.2 垂直角观测方法 4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4. 4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算 4.4.2 垂直角观测方法 4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算,应用大地测量学,(一)垂直度盘原理 1、垂直度盘与水平轴正交,能随望远镜俯仰运动; 2、指标水准器固定不动。视准轴水平时,指标90; 3、指标差指标水准器
32、气泡居中,指标实际位置与设计位置的微小夹角。,第四节垂直角测量,应用大地测量学,(二)J2级经纬仪垂直角和指标差计算公式 J2级经纬仪垂直度盘0360 顺时针方向全圆注记,视准轴水平时,读数指标指向90 。 垂直角公式: 推导见P94下。 =(R-L)/2-90 指标差公式: i=(L+R)/2-180,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算,应用大地测量学,(三)J1级经纬仪垂直角和指标差计算公式 以Wild T3经纬仪为例,读数指标安置在水平位置,视准轴水平时读数为90 ,逆时针方向55 125 注记,对径180 处注记相同,注记名义值比格值实际值减小1倍, 55 125 之间的实际值为14
33、0 。 推导见P94下。 垂直角公式: = L - R 指标差公式: i=(L+R)-180,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算,4. 4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算 4.4.2 垂直角观测方法 4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4.2 垂直角观测方法,应用大地测量学,(一)中丝法(单丝法) 1、盘左,水平中丝照准目标,调平指标水准器气泡,读取垂直度盘读数L。 2、盘右,水平中丝照准目标,调平指标水准气泡,读度盘读数R。 3、计算指标差i和垂直角。 见表4-4:,表4-4 垂直角观测记录、计算(中丝法),表4-4 垂直角观测记
34、录、计算(中丝法T3),应用大地测量学,(二)三丝法 以三根水平丝为准,依次照准同一目标。 1、盘左,按上、中、下三丝依次照准目标。调平气泡后,读数L上、L中、L下。 2、盘右,按上、中、下三丝依次照准目标。调平气泡后,读数R下、R中、R上。 3、记录按表4-5格式。注意盘左由上往下,盘右由下往上记录。 4、计算指标差i和垂直角。,4.4.2 垂直角观测方法,表45 垂直角观测的记录、计算,表4-5 垂直角观测记录(三丝法),4. 4 垂直角测量,应用大地测量学,4.4.1 垂直度盘原理与垂直角计算 4.4.2 垂直角观测方法 4.4.3 垂直角观测成果的检核,第二节角度观测误差分析,4.4.
35、3 垂直角观测成果的检核,应用大地测量学,测角三角高程对垂直角观测的要求,应用大地测量学,表2 测距三角高程对垂直角观测和要求,4.4.3 垂直角观测成果的检核,应用大地测量学,重测原则: 垂直角和指标差的互差超限时,应分情况进行重测: 若一水平丝所测某一方向的垂直角或指标差互差超限,则此方向需用中丝重测一测回; 若用三丝法在同一方向一测回中有两根水平丝所测结果超限,则该方向需用中丝重测两个测回,或用三丝法重测一个测回。,4.4.3 垂直角观测成果的检核,第四章 大地测量观测技术,第一节 精密角度测量仪器 第二节 角度观测误差分析 第三节 方向观测法 第四节 垂直角测量 第五节 精密距离测量
36、第六节 精密水准测量仪器及其检验 第七节 精密水准测量观测与概算 第八节 GPS测量 第九节 天文测量简介 第十节 重力测量简介,第五节 精密距离测量,应用大地测量学,距离测量是大地测量的一项重要工作。20世纪50年代国家大地网测量中使用因瓦基线尺直接丈量基线或其扩大边,确定大地网的起算边长;70年代以后,开始使用光电测距仪进行精密距离测量,广泛用于导线测量中的边长观测;近10余年来,随着GPS技术的迅速普及,中、远距离的测量已经由GPS测量所取代。目前,高精度的较短距离测量在导线测量、特殊工程测量以及对高精度的大地网的检测测量中还有应用。本节主要介绍光电相位式测距仪的基本结构、测距原理和测距
37、成果的整理计算。,第五节精密距离测量,4. 5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理 4.5.2 全站仪 4.5.3 电磁波测距误差分析 4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4. 5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理 4.5.2 全站仪 4.5.3 电磁波测距误差分析 4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,(一)长度基准 1、国际长度基准 “档案米”过巴黎地球子午线的四千万分之一的长度国际米原器沿用71年 1960年11届国际计量大会氪-8
38、6原子辐射波长的1650763.73倍的长度; 1983年第17届国际计量大会规定:光在真空中,在 1/299792458 秒的时间间隔内经过的距离为1米。 2、我国的长度基准 我国采用国际适用单位m。,应用大地测量学,(二)距离的测量方式 1、用因瓦基线尺丈量距离 在平坦地面上,用24m长的因瓦基线尺一尺接一尺地悬空丈量两点间的基线长度。拉力一定,丈量结果中加入尺长改正、温度改正、悬链线改正,可达几十万一百万分之一的相对精度。 丈量前用水准测量的方法测定每个尺段两端点的高差,进行倾斜改正,以得到基线的水平长度。 我国天文大地网的起算边长主要是采用茵瓦基线尺丈量确定。,4.5.1 距离测量方式
39、及其原理,距离测量仪器:因瓦基线尺、电磁波测距仪,卫星激光测距仪,应用大地测量学,(二)距离的测量方式 2、电磁波测距 分类:红外、微波、激光测距 范围:几米几十公里 精度:10-510-6 基本原理:D=(1/2)ct,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,2、电磁波测距 (1)两种方式 脉冲式测距测距仪发射脉冲波,被目标返回后,由仪器接收,测出脉冲往返传播时间t。测程远时,其精度不如相位式的精度高。 相位式测距测距仪发射正弦调制波,反射后由仪器接收,测出调制波在往返距离上的相位差,推算出距离,精度可达12cm。,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,3、电磁波测距
40、(2)相位式测距分类 按测程分:短程(15km) 按精度分:级(每km中误差5mm)、级(510mm)、 级(1020mm) 按载波频率分:光波(光速、红外、激光)、微波、多载波,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,(三)相位式测距原理 1、相位式测距原理示意图,4.5.1 距离测量方式及其原理,=t=2ft,应用大地测量学,(三)相位式测距原理 2、相位式测距基本公式 相位差:=t=2ft,得t=/2f,则 因=N 2+,=c/f, 意义:用半波长电测尺,测了N尺段和不足一尺段的尾数N。,相位式测距原理,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,(三)相位式测距原理 3
41、、N值确定基本原理 (1)直接测尺频率方式 仪器中有精测尺、粗测尺固定频率。 精测频率 f1=15MHz,1/2=c/2f1=10m,量出米、分米、厘米、毫米的位数。 粗测精度 f2=150kHz,2/2=c/2f2=1000m,量出百米、十米、米、分米的位数。 组合起来,加上已知概略距离的公里数,得完整的距离读数。,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,(三)相位式测距原理 3、N值确定基本原理 (2)间接测尺频率方式 原因:测程较长,粗、精测尺频率相差悬殊,电路中放大器的增益和相对稳定性难于一致。 采用一组数值接近的测尺频率,用其差频频率作为粗测频率,放大器对各种频率增益相近。
42、,4.5.1 距离测量方式及其原理,应用大地测量学,(三)相位式测距原理 3、N值确定基本原理 (2)间接测尺频率方式 例: 精测频率 f1=15MHz,1/2=10m,测得如 5.67m f2=0.9f1, f1-f2=1.5MHz,2/2=100m,测得如 45.6m f3=0.99f1, f1-f3=0.15MHz, 3/2=1000m,测得如 345m f4=0.999f1, f1-f4=0.015MHz, 4/2=10000m,测得如 2340m f5=0.9999f1, f1-f5=0.0015MHz, 5/2=100000m,测得如 12300m 组合后,得距离12345.67m
43、。,4.5.1 距离测量方式及其原理,4. 5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理 4.5.2 全站仪 4.5.3 电磁波测距误差分析 4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.2 全站仪,应用大地测量学,全站仪最早出现于20世纪60年代末,它将电子测距、电子测角和微处理机结合成一个整体,能自动记录、存储并具备某些固定计算程序。因为在一个测站点能快速进行三维坐标测量、定位和自动数据采集、处理、存储等工作,实现了测量和数据处理过程的电子化和一体化,所以称为“全站型电子速测仪”,或简称“全站仪”(Total station)。,4.5.2 全
44、站仪,应用大地测量学,1 全站仪基本结构: 电子测角 电子测距 电子补偿 微机处理:微处理器、存储器、输入、输出,自动全站仪:自动识辨、照准、跟踪目标,又称测量机器人。 徕卡公司生产的TPS1100系列全站仪(TCA2003自动全站仪),4.5.2 全站仪,应用大地测量学,2 全站仪精度及等级 全站仪精度由测角精度和测距精度共同决定。在设计时,对测距和测角精度的匹配采用“等影响”的原则,即:,取D=12km,=206265,则有表4-7。 国家计量检定规程(JJG100-94)将全站仪划分为四个精度等级,见表4-8.,4.5.2 全站仪,应用大地测量学,3 全站仪参数设置 (1)气象改正: (
45、2)棱镜常数改正: (3)仪器加常数改正:,4. 5 精密距离测量,应用大地测量学,4.5.1 距离测量方式及其原理 4.5.2 全站仪 4.5.3 电磁波测距误差分析 4.5.4 测距的作业要求和成果转换,第二节角度观测误差分析,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,(一)测距误差种类 分析方法:从原理公式相位测距基本公式,测距误差分析,依据协方差传播率:(推导步骤),4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,(一)测距误差种类,测距误差分析,利用误差传播定律,再顾及到仪器加常数测定误差mk,对中或归心改正误差me,由高差测量误差mh引起斜距化为平距的误差 ,仪器内部信号之间
46、的串扰引起的与距离成周期变化的周期误差mR,则有:,其中,与距离成比例增大的称为比例误差; 与距离无关的称为固定误差。,mD为测距中误差,mm;a为固定误差,mm;b为比例误差系数,mm/km;D为距离值,km。,应用大地测量学,(二)比例误差 1、真空中光速c0的相对误差 ,对测距影响可忽略不计。 2、大气折射率n的误差 大气中的光速为 ,可见大气折射率的变化将使光在大气中的传播速度发生变化,将引起测距误差。温度t、气压p及湿度e产生的测距误差比率约:19:7.4:1。 3、调制频率的误差 误差来源:(1)仪器制造时频率校正不精确;(2)振荡器所用晶体频率稳定性差。 措施:测前对晶振频率进行
47、测定、校正或测定后计算频率改正。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,(三)固定误差 1、相位差的测定误差 与测相电路本身的稳定性和测相器件对时间的分辨率有关,其误差大小1个最小显示单位,可以多测几组取平均值,减小测相误差影响。 幅相误差,即接收信号强弱使其幅度变化引起的测距误差。仪器电路设有幅度自动控制系统,使信号幅度保持在一定范围。 发射光束相位不均匀引起照准误差。发射光束相位不均匀使信号强度不同,引起照准误差。采取措施:调整望远镜视准轴和发射、接收光轴三轴平行;在信号最强时测距。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,(三)固定误差 2、仪器常数误差 仪器加常数实测结果与已知基线长度之间存在固定不变的常数。 作业前应精确测定仪器加常数,测定不准会带来误差。 测距时应注意仪器与反射镜配套使用。,4.5.3 电磁波测距误差分析,应用大地测量学,(三)固定误差 3、对中误差 安置仪器和反光镜时,应使中心位置位于地面标志中心的铅垂线上。用经过检查的光学对中器,线量偏差:3mm 1mm 。,4
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