浙江测绘 电子经纬仪测角原理简介 金挺 杭州３１００１２） （浙江省第一测绘院随着电子技术的不断发展，电子测量仪器 的应用越来越广泛，正在逐步地替代常规测量 仪器。下面主要介绍几种应用于电子经纬仪的 测角原理。 １概述 电子经纬仪与光学经纬仪一样，由水平测 量，垂直测量和自动垂直指标三大部分组成。 为建立一个统一的角度原点，必须保证竖轴、横 轴和望远镜视准轴三轴交心，这就使电子经纬 仪必然具有与光学经纬仪同样的结构形式。 电子经纬仪与光学经纬仪比较，不光是数 字显示这个优点，更重要的是沟通了外业到内 业的数据流，从而使综合测量系统真正实现。 当然随之而来的是操作方便、功能齐全、现场处 理功能加强等特点。 电子经纬仪采用的测角原理是从角度计量 方面移植而来的，但是受体积、重量、功耗、环境 等苛刻条件的，增加了电子经纬仪的制造 难度。 ２应用于电子经纬仪的测角原理简介 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。绝对式 基于码盘原理，其读数与回转过程无关，在瞄准 目标以后读取。 ２．１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） 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。 暗条纹—— 明条纹—— 冈２莫尔条纹 ３期 金挺：电子经纬仪测角原理简介 ３９ 设Ｂ为条纹宽度，ｗ为栅距，０为两光栅 的交角，则近似可得： Ｂ＝ｗ／（２＊ｔｇ（０／２）） 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 般来说，０很小，故上式可简化为 因此，莫尔条纹宽度Ｂ与栅距ｗ之比而 Ｂ＝ｗ／ｏ 定义的莫尔条纹放大倍数Ｋ为 Ｋ：Ｂ／ｗ＝１／０ 接收管 指示光栅 光栅度盘 发光 由于０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０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的方向移动一个条纹宽 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 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 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 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■极管接收，并通过整形电路转换成矩形 到１ 的分辨率，即每３。（３６０。／１２０）一个值，实 际处理过程如图４所示。 Ｌ一 一－－Ｉ ７－ ／ 二 兰 ｌ 广———一七／ ｜Ｄ 厂］ Ｉ 查 表 求 二 ｒ—］— 趾 ｌ ｛ — 旦 ］ Ｊ 均 平 二兰 ｚ●‘’。 ’‘’ ’ ’～ ／＂ 图４细分处理过程 ４０ 浙江测绘 １９９９焦 根据正切函数的周期性，可将整个莫尔 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，度盘半径不可能 很大，一般度盘半径小于１００ｍｍ，如ＴＣ１为 ８０ｍｍ，Ｌｔａ为９８ｒａｍ，ＡＧＡ７１０为７０ｍｍ，ＧＴＳ 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。 ２．２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 ３１０为７１ｍｍ等。 因此，要提高编码度盘的测角分辨率，必 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 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ｄ ＝３６０。／２“。 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ａ ＝２２．５。。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 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内插，从而提 高计数脉冲的频率，达到细分效果。本文就 不作介绍。 般来说，码盘有纯二进制码盘、葛莱码 盘、矩阵码盘等多种形式，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： 发光二极管 图６编码度盘读数系统 ３期 金 挺：电子经纬仪测角原理简介 ３小结 ４１ 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 由于增量式测角受最大回转速度的限 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，并经光电二极管就会产生 制，因此对于测量人员来说，绝对式测角优于 增量式测角。但随着电子技术的发展，增量 式的速度限已大大提高，测量人员在操作时 已不必顾忌。除上面所述的两种静态测角系 统外，还有一类是动态测角系统，它打破了传 统光学经纬仪的度盘模式，改变了以往光学 经纬仪一测回内保证度盘位置不变的方式， 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 在测量期间，度盘在马达的带动下，以一定的 速度旋转，每测一方向，度盘转动两周半，通 过发射光路和接收光路完成对度盘的扫描， 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 全周所有分划线都参与测量，从而在测定的 方向值中可消除度盘偏心差中有度盘旋转中 心和度盘刻划中心不一致而产生的影响。也 有人提出利用动态全圆积分原理来制造无度 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。 盘经纬仪，这都是电子经纬仪的发展方向。 （上接３４页） 规范》对地形图的精度要求：地物点相对于邻 近图根点的点位中误差不得超过图上０． ５ｒａｍ。由此可以看出上述差值对于１：５００地 形图的接边无甚影响。而对于１：１０００或更 小比例尺的测图则不言而喻。 至此，我们较为详细的叙述了：通过紫微 园的子午线为子午线，且设定紫微园点 的５４年北京坐标系的坐标值为起算点，建立 起杭州都市坐标系。这个坐标系，既解决了 长度变形问题，其坐标值又与原北京坐标系 的坐标值相差甚微。 那么如何解决原杭州坐标系的问题呢？ 下面作简要阐述。 上面已提及，杭州坐标系与北京坐标同 系。所不同者是以紫微园点的原杭州坐标系 的坐标值作为起算数据，也可以直接通过换 算公式进行换算。这个坐标系的长度变形也 将符合规范要求，且其坐标值与原杭州坐标 系的坐标值相差甚微，其差值与附表完全一 致。 彼此间的转换方法是非常简单的，特别 是在计算机时代，笔者编有计算机程序可供 使用。 顺便提及，当采用这一坐标系时，本区西 是以１２０。为子午线，采用克氏椭球体参 素的高斯正形投影。所不同者杭州坐标系在 高斯平面上作转轴平移处理。 由此，我们可以采用同样的方法，将杭州 坐标转换成任意带坐标。同样可以通过（４）、 （５）式将任意带坐标系转换成杭州都市坐标 部山区海拔不超过ｌＯＯｍ，则其长度变形，仍 不超限，将不会影响１：５００测图工作。 笔者认为建立统一的杭州坐标系势在必 行，早统～比迟统一更为有利。那末，究竟建 立什么样的坐标系，更为有利呢？这是各级 领导及测绘界同仁们需要研究讨论的问题。 笔者提出建立以原北京坐标系为基础的杭州 都市坐标系及以原杭州坐标系为基础的杭州 都市坐标系，如能在今后专家们的讨论中起 抛砖弓ｌ玉作用，是笔者最大的意愿。
