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基于经纬仪的自调平台海态水平度的测量
发布时间：2017-09-01
引 言
水平度是角度量的参数，海态水平度是动态角度量。船在海上时，具有纵摇，横摇，和航向变化3个角运动以及航行、横移、升沉3 个线运动，共6自由度运动，因此，不仅调平台的水平度是动态量，而且要在动态环境下进行测量。6 自由度运动都会产生线加速度，引起水平仪的运动敏感构件误动，因此成品水平仪在动基座条件下都不能使用，海态水平度的测量需要研究新的方法和设备。
1 测量原理
测量海态水平度采用岸、船对瞄，几何学内错角相等则两直线平行的原理，见图1。
A 为岸上点，B 为船上点，两点各架设一台经纬仪进行对瞄，AB 为A 和B 的对瞄线，由于岸上经纬仪可以精确调平，因此，αA 为AB 对A 点大地水平线的夹角，船上经纬仪需拆去调水平底座，直接固定在调平台上，因此，船上经纬仪的水平度是由自调平工作台确定的，是被测值，αB 为AB 对被测调平线的夹角，如无地球曲率影响，则|αA|=|αB|时，工作台调平线与大地水平线平行，即水平度误差为零，当有地球曲率影响时，水平度误差Δ 为：
式中：Δ α 为地球曲率对水平度影响的补偿值。采用这种俯仰角相等的方法检测水平度能适应海态的环境条件，无论潮涨潮落，A 和B 两点都能准直。由于Δ α 恒为“+”值，αA，αB 的符号随“正”、“倒”镜状态而不同，因此取绝对值。
2 地球曲率修正
由于地球在公里级距离时可近似看作为球体，在不同位置点上水平面为垂直于铅垂线的平面，因此，不同位置的水平面相互间具有夹角，并不平行。当两点距离较近时该夹角值可以忽略不计，但两点位置较远时，两点水平面的夹角值会增大，所以必须予以修正。地球曲率修正见图2。
O 为地球曲率中心;R 为地球半径;αB 为船上经纬仪仰角;αA 为山上经纬仪俯角。从图中可以得到：
式中：Δα 为地球曲率修正量，°;L'为船上和山上点的斜距，由测距仪测出;L 为水平距离，km;αA为山上经纬仪的俯角，(°)；R 为地球半径，km，取平均值6 370 km。误差分析如下，将公式（2）微分得：
径为6 356.912 km，对平均值最大误差dR=13.1 km，水平距离L=1 km 时，引起误差0.07"，因此，可忽略不计。
(2)测距误差dL 的影响
如L 仍为1 km，距离的测量误差为dL=31 m，造成角度的补偿误差为1"。
3 测量设备与方法
海态水平度测量设备采用成品经纬仪加装附件的办法，见图3，主要分为3 大部分：对瞄跟踪、光同步采样和激光测距。3(a)是测量设备，3(b)是设备布置。图中，1 为对瞄经纬仪TM5100A;2 为接受同步信号经纬仪;3 为激光测距仪;4 为对瞄经纬仪JTD2;5 为发射同步信号经纬仪;6 为测距棱镜组。为操作方便减少设备台数，同步采样和激光测距装成一体。对瞄跟踪设备由两台经纬仪组成。岸上为TM5100A，船上经纬仪需选用不装对线加速度敏感的电子水泡等元件的经纬仪，现用JTD2 经纬仪，并更改软件，只提取垂直角，使输出间隔时间由107 ms缩短至24 ms。两台经纬仪的望远镜中心都装有30 mW红光半导体激光器及聚光镜，作为两台仪器对瞄时的目标;同步采样也用两台经纬仪，在船上JTD2 的望远镜上装有发射光信号的红光半导体激光器(0.3 W)及光学系统，岸上TM5100A 的望远镜上装有接收信号的光学系统及光敏三极管;光同步采样装置装在经纬仪望远镜上是为了便于捕捉目标及对准。激光测距部分由测距仪和角锥棱镜组组成，测距仪装在接收信号TM5100A 的上面，棱镜组装在JTD2 经纬仪上。
船上的发射激光器发出激光，用准直法对准山上接收经纬仪上的接收光学系统，使光敏三级管触发。这时的三极管输出为高电平信号，当关闭发射激光器时，三极管输出转变为低电平。测量时，船上和岸上的对瞄经纬仪不断进行手动跟踪对瞄，采样时，按船上电源的采样按键，同时完成两个动作：(1)电平跳变信号，使单片机进行采样，读取电平跳变前、后(最靠近电平跳变)JTD2 二个垂直角读数值，取平均值，输至LED 数显，平均值显示时间保持10 s。(2)按键的接点使0.3 W 激光器断电，激光器熄灭。岸上接收系统的光电三极管由接收到激光至激光熄灭，产生相应输出电平跳变，通过放大比较电路，在灭激光器的时刻，继电器线圈通电，使连接TM5100A 微动机构+5 V 电源的常闭接点断开。TM5100A 的微动机构失效，保持熄灭时的垂直角状态，0.3 s 后予以显示。所得的垂直角读数，以及由测距仪测出的距离按公式(1)算出自调平工作台水平度的值。
4 实验验证
为了验证海态水平度测量方案的正确性，进行了以下实验验证：
(1) 静态综合误差试验
在陆态实验时，两台经纬仪都能按大地水平面调水平，因此实验得到的误差是整个测量设备和方法的静态综合误差，包含了地球曲率补偿及经纬仪附件安装的正确性。在距离为257 km 时进行了20 次对瞄实验， 试验结果， 最大值为5" ， 平均值Δ=0.4",σ=2.5"。当距离为1 km 时，最大值为4.3"。
(2) 远距离时光同步激光束的光斑尺寸试验
光斑太大则能量损耗大，难以触发光电三极管，太小又难以捕获目标，为此进行了光斑尺寸试验。调试时把光斑的长边置于水平方向，以便于方位方向容易跟踪，短边置于垂直方向，以减小进入观察望远镜的光能量。试验结果：在距离为750 m 时，光斑尺寸长边为800 mm，短边为50 mm。
(3) 同步采样陆态功能实验
试验结果：1 km 光同步采样功能正常，同步时间小于1 ms。
(4) 海态手动跟踪对瞄试验
由于测量参数是角度，距离越远，则角度的变化量越小，1 km 时手动能正常跟踪。经以上实验，证明海态水平度的测量原理正确，方案可行。
摘自：中国计量测控网
