以天體位置作為標?；鶞实娜S空間方向角測量裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種以天體位置作為標校基準的三維空間方向角測量裝置及方法，它由天體敏感器、光學望遠鏡、方位俯仰軸架、多個傳感器、控制器和底座組成。在方位俯仰軸架的俯仰軸上安置光學望遠鏡，在光學望遠鏡鏡筒上方或俯仰軸軸頭上安裝天體敏感器，并要求天體敏感器主光軸與光學望遠鏡鏡筒的主光軸平行。因為天體敏感器可以感知天空中恒星和行星天體的位置，這樣就可以利用恒星和行星天體的位置作為空間測量的標?；鶞?，提供三維空間的高精度指向角，從而可以進一步提高三維空間方向儀的空間指向角精度。同時，還能提供水平基準面、傾斜基準面和正東、正南、正西、正北及垂線方向的高精度指向，指向角精度高達角秒級甚至亞角秒級。
【專利說明】以天體位置作為標?；鶞实娜S空間方向角測量裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及天文技術(shù)與測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種用恒星和行星等天體位置作為測量和標?；鶞实母呔热S空間方向角測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]指向和測向技術(shù)古而有之，作為我國古代四大發(fā)明之一的指南針就是利用地磁的物理特征，指示出正南正北方向，指引人們找到行進的方向，特別是當它用于航海時，可以使海船在茫茫大海中不迷失方向。以后也有利用望遠鏡觀測北極星來確定正北指向的。但上述兩種方向角測量儀能指示的僅僅是二維平面上的方位指向角，而且方向角指示精度偏低。使用指南針時，因為在不同的地理位置，磁偏角是不一樣的，所以當利用地磁指向時會受測量點地理位置的影響，使測向精度存在較大的偏差，一般為0.5°至4°，雖可以通過修正磁偏角來提高指向精度，但測向精度仍然受到很大的限制。利用北極星指向也同樣有應用價值，因為人們似乎感覺不到北極星的變動，認為它總是位于北天極處，似乎不參與周日運動，但實際上北極星也有自行和歲差，只是距極點的偏差較小，不足1°而已，所以可以用于正北近似指向。上述兩種裝置都可以提供基本的正北方向，但指向精度有限，也無法提供三維空間角指向。
[0003]近代，由于光學儀器和電子儀器的迅速發(fā)展，出現(xiàn)了經(jīng)緯儀、水平儀、全站儀等光學測角測姿儀器及雷達、射電望遠鏡、通信裝置等指向天線。特別是近年內(nèi)，隨著電子和數(shù)字技術(shù)的廣泛應用于這些裝置和儀器，使這些儀器成為數(shù)字化的觀測裝置和儀器，精度已可高達角秒級。但要進一步提高這類儀器的指向測角精度，一般說來很難，其最大的瓶頸是缺少三維空間的角度標?；鶞?。為此，本專利提出利用恒星或行星等天體位置作為空間方向角測量的基準點和校準點的方法及檢測裝置，實現(xiàn)三維空間方向角亞角秒級的測角精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]現(xiàn)有觀測儀器缺少三維空間的角度標?；鶞?，指向精度受限，不能達到亞角秒級測角精度。為了解決觀測儀器不能實現(xiàn)高精度測向這一技術(shù)問題，本發(fā)明提出利用恒星和行星天體的空間位置作為這類儀器空間方向角測量校正基準的設計理念，并構(gòu)造了實現(xiàn)這一理念的相關(guān)技術(shù)和以恒星和行星天體位置作標?；鶞实娜S空間方向角測量裝置及方法。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明第一方面，提出一種以天體位置作標校基準的三維空間方向角測量裝置，所述裝置由天體敏感器、光學望遠鏡、方位俯仰軸架、多個傳感器、控制器和底座組成，其中:
[0006]方位俯仰軸架，包括有俯仰軸架和方位軸架，俯仰軸架的俯仰軸和方位軸架的方位軸相互正交安置；方位軸架的一端安置于底座中；方位軸架的另一端與俯仰軸架連接，這樣俯仰軸位于方位軸的上方；
[0007]光學望遠鏡安置在俯仰軸架上，光學望遠鏡在白天用于觀測和測量目標，獲取目標的位置信息；
[0008]天體敏感器安裝在光學望遠鏡的鏡筒上方；天體敏感器的主光軸與光學望遠鏡的主光軸平行，使天體敏感器與光學望遠鏡鏡筒的指向角一致；天體敏感器和光學望遠鏡一起繞俯仰軸架中的俯仰軸和方位軸架中的方位軸轉(zhuǎn)動，天體敏感器用于感知夜晚天空中恒星和行星的位置，這樣就能利用恒星和行星的位置作為空間位置測量的標?；鶞?，提高光學望遠鏡的指向精度；
[0009]多個傳感器包括水準器、磁傳感器、電子傾斜儀和GPS定位模塊；其中:
[0010]水準器置于底座上，用于為底座獲取水平基準面；
[0011]磁傳感器位于方位軸架上，用于為底座上的方位軸架的水平面提供正南或正北指向基準；
[0012]電子傾斜儀位于俯仰軸架上，用于為俯仰軸架中的俯仰軸提供俯仰角度量基準；
[0013]GPS定位模塊位于方位軸架上，用于為三維空間方向角測量裝置提供在地心地固坐標系中的位置；
[0014]控制器的輸入輸出端分別與天體敏感器、光學望遠鏡、俯仰軸架和方位軸架的輸入輸出端連接，控制器控制俯仰軸架的俯仰軸和方位軸架的方位軸轉(zhuǎn)動，控制俯仰軸架帶動光學望遠鏡的鏡筒及其上的天體敏感器一起轉(zhuǎn)動；
[0015]在夜晚時對三維空間方向角測量裝置的軸位進行校正，校正時利用控制器控制方位俯仰軸架轉(zhuǎn)動，使天體敏感器觀測到天體，利用天體敏感器中的小于毫角秒精度的天體位置星表查找出觀測到的天體位置數(shù)據(jù)，結(jié)合由GPS定位模塊測量到的觀測點在地心地固坐標系中的位置數(shù)據(jù)進行計算，得到觀測點對觀測到的天體的理論指向角；再對照方位俯仰軸架上的軸位顯示器顯示的觀測到的天體的方位角和俯仰角，便得到天體觀測的方位角和俯仰角的偏差，并將天體觀測方位角和俯仰角的偏差存儲到控制器內(nèi)的存儲芯片中；這樣當再控制方位俯仰軸架轉(zhuǎn)動時，利用存儲在控制器內(nèi)的存儲芯片中的方位角和俯仰角指向偏差值，修正轉(zhuǎn)動的方位俯仰軸架及光學望遠鏡主軸線的指向，即利用天體觀測方位角和俯仰角的偏差修正三維空間方向檢測裝置的軸角精度，使三維空間方向角裝置能實現(xiàn)亞角秒級精度的三維空間指向角的觀察、測量、校正和引導。
[0016]為達到上述目的，本發(fā)明第二方面，提出一種對三維空間方向角測量裝置的三維空間方向角調(diào)整測量方法，所述方法是以恒星、行星位置基準作為標?；鶞实娜S空間指向角精度調(diào)整檢測方法，采用的具體步驟分為以下幾步:
[0017]步驟1:所述裝置先在白天進行作業(yè)，利用所述裝置的多個傳感器調(diào)整測量所述裝置基準面的水平度、方位指向起始點的正北、仰角標零點和測定所述裝置的地理位置；
[0018]步驟2:若在晴朗夜晚，通過所述裝置的天體敏感器觀測天空中的天體，得到并顯示恒星或行星的實際觀測角度；同時識別出觀測到的恒星或行星的編號，從星表中查閱這些觀測到的行星及恒星的位置，在步驟I中已測定了所述裝置的地理位置，這樣用步驟I的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到天體中恒星或行星的理論觀測角度，把理論觀測角度與實際觀測角度作比對，求得方位俯仰軸架的方位軸和俯仰軸軸系指示的方位軸的方位角度和俯仰軸的俯仰角度與理論觀測角度之間的偏差值，得到所述裝置的指向角誤差測量值；[0019]步驟3:若在全天空域眾多方向上，觀測成百上千顆恒星和行星，提供空中多方向上的恒星與行星的觀測角，同時對照這些觀測到的恒星與行星在方位俯仰軸架上對應的軸位指示檢出角度值進行計算，便得到觀測天體指向角誤差偏離值；把這些由觀測得到的誤差偏離值通過廣義延拓插值模型進行數(shù)據(jù)處理，生成空間指向角誤差數(shù)據(jù)；用這些空間指向角誤差數(shù)據(jù)，便能對具有空間指向的方位俯仰軸架的所述裝置進行指向角誤差分辨，包括所述裝置水平基面的水平度偏角或傾斜面的傾斜度偏角，或解算出方位軸架的方位指向與正東、正南、正西、正北及垂線方向的偏差，以及俯仰角零值的標校偏差；利用這些標校得到的偏差就能測量和標校水平面、傾斜面；能測量和標校正北方向和垂線方向；同時也能解算分離出方位軸和俯仰軸指向角的殘余誤差，利用這些殘余的指向角誤差能生成整個指向范圍內(nèi)的指向角誤差數(shù)據(jù)庫和指向角誤差修正曲面；利用這些方位軸和俯仰軸的指向角誤差修正量，便能使方位俯仰軸架的俯仰軸和方位軸具有三維高精度的空間指向功能，也能校準或弓丨導其它指向儀器或設備實現(xiàn)高精度指向。
[0020]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明以天體位置作標?；鶞实娜S空間方向角測量裝置及方法，是以恒星和行星天體的空間位置作為測量標校基準的三維空間方向角測量裝置，利用恒星或行星等天體位置作為空間方向測量的基準點和校準點，通過觀測及觀測數(shù)據(jù)的處理，可以實現(xiàn)三維空間全空域的高精度指向、測向和指向校正，從而能改變現(xiàn)有指南針等方向儀僅能提供二維指向的局限性，解決現(xiàn)缺少三維空間的高精度角度標?；鶞蔬@一技術(shù)問題，從而使得觀測儀器指向精度提高，使本發(fā)明的三維空間的角度測量裝置能提供亞角秒級的空間指向精度，所以本發(fā)明能組成三維高精度指向儀，或測向儀，或方向角校正測量組件。對方位俯仰轉(zhuǎn)軸配置的要求可以是正交軸系也可以是非正交軸系。軸系所處位置可以是水平方向和垂直方向，也可以是非水平非垂直方向，所以適用范圍比較廣。
[0021]本發(fā)明以恒星和行星天體的空間位置作為測量標?；鶞实娜S空間方向角測量裝置，其方位軸架的能提供方位軸位指示角，俯仰軸架能提供俯仰軸位指示角，還能測水平面、垂線方向，也能標校各種傾斜面；對測量的軸系，除了標校上述由方位和俯仰軸系組成的正交軸系以外，還能標校由非水平軸或非垂直軸組成的正交軸系的各轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角誤差，甚至可以檢測非正交軸系的轉(zhuǎn)角和誤差。
[0022]本發(fā)明的以天體位置基準作為標校基準的三維空間方向角測量儀，作為一種對三維指向裝置的高精度標校和校正儀器，可提高三維空間指向裝置的精度，應用于經(jīng)緯儀、全站儀、雷達裝置、天線、望遠鏡和火箭導彈發(fā)射裝置等設備，可以實現(xiàn)角秒級，甚至亞角秒級的三維空間指向角引導和指向角校準，以及大型建筑物和工程設施的角秒級甚至亞角秒級的空間指向角和基準面的測量。也可以作為角度引導源，引導經(jīng)緯儀、全站儀、導彈、炮彈發(fā)射架、雷達天線，望遠鏡或其他裝置的指向。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1本發(fā)明三維空間方向角測量裝置的組成方框圖；
[0024]圖2本發(fā)明三維空間方向角測量裝置工作流程圖；
[0025]圖3本發(fā)明三維空間方向角測量裝置中的控制器的修正誤差數(shù)據(jù)生成流程圖；
[0026]圖4本發(fā)明三維空間方向角的調(diào)整測量方法的流程圖；
[0027]圖5本發(fā)明實施例的測向組件中帶園錐狀安裝錐面結(jié)構(gòu)的示意圖；[0028]圖6本發(fā)明實施例的的測向組件在天線軸頭安裝示意圖；
[0029]圖7本發(fā)明三維空間方向角測量裝置結(jié)構(gòu)前側(cè)向視圖；
[0030]圖8本發(fā)明三維空間方向角測量裝置結(jié)構(gòu)后右向視圖；
[0031]圖9本發(fā)明三維空間方向角測量裝置結(jié)構(gòu)后左向視圖；
[0032]圖10本發(fā)明三維空間方向角測量裝置的控制器示意圖。
[0033]附圖標號說明:
[0034]天體敏感器1、光學望遠鏡2、
[0035]方位俯仰軸架3、
[0036]俯仰軸架31、方位軸架32、調(diào)平螺栓34、
[0037]方位轉(zhuǎn)動旋鈕35、俯仰轉(zhuǎn)動旋鈕36、
[0038]多個傳感器4、水準器41、磁傳感器42、
[0039]電子傾斜儀43、GPS模塊44、
[0040]控制器5、顯不器51、
[0041]底座6、
[0042]測量組件8、支套架81、過渡曲尺支架82、
[0043]天線83、天線座84、螺栓85、
[0044]安裝配合面A、軸端配合面B。
【具體實施方式】
[0045]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明的三維空間方向角檢測儀裝置進行【具體實施方式】闡述。
[0046]實施例一:
[0047]如圖1示出一種以天體位置作標校基準的三維空間方向角測量裝置，它是以恒星和行星天體的空間位置作為測量基準的三維空間方向角測量裝置，所述裝置是利用恒星和行星等天體位置作為測量的標定和校正基準，所述裝置由天體敏感器1、光學望遠鏡2、方位俯仰軸架3、多個傳感器4、控制器5和底座6組成，其中:
[0048]方位俯仰軸架3，包括有俯仰軸架31和方位軸架32，俯仰軸架31的俯仰軸和方位軸架32的方位軸相互正交安置；方位軸架32的一端安置于底座中；方位軸架32的另一端與俯仰軸架31連接，這樣俯仰軸位于方位軸的上方；
[0049]光學望遠鏡2安置在俯仰軸架32上，光學望遠2鏡在白天用于觀測和測量目標，獲取目標的位置信息；
[0050]天體敏感器I安裝在光學望遠鏡2的鏡筒上方；天體敏感器I的主光軸與光學望遠鏡2的主光軸平行，使天體敏感器I與光學望遠鏡2的鏡筒的指向角一致；天體敏感器I和光學望遠鏡2 —起繞俯仰軸架31中的俯仰軸和方位軸架32中的方位軸轉(zhuǎn)動，天體敏感器I用于感知夜晚天空中恒星和行星的位置，這樣就能利用恒星和行星的位置作為空間位置測量的標?；鶞?，提高光學望遠鏡2的指向精度(參見圖7)；
[0051 ] 多個傳感器4包括水準器41、磁傳感器42、電子傾斜儀43和GPS定位模塊44 ;其中:
[0052]水準器41置于底座6上表面上，用于為底座6獲取水平基準面，即用于測量方位軸架32和俯仰軸架32位于水平基準上的狀況；；
[0053]磁傳感器42位于方位軸架32上，用于為底座6上的方位軸架32的水平面提供正南或正北指向基準；
[0054]電子傾斜儀43位于俯仰軸架31上，用于為俯仰軸架中31的俯仰軸提供俯仰角度
量基準；
[0055]GPS定位模塊44位于方位軸架32上，用于為三維空間方向角測量裝置提供在地心地固坐標系中的位置；
[0056]控制器5的輸入輸出端分別與天體敏感器1、光學望遠鏡2、俯仰軸架31和方位軸架32的輸入輸出端連接，控制器5控制俯仰軸架31的俯仰軸和方位軸架32的方位軸轉(zhuǎn)動，控制俯仰軸架31帶動光學望遠鏡2的鏡筒及其上的天體敏感器I 一起轉(zhuǎn)動；圖10示意了控制器5，控制器5上有顯示器51，可以顯示出方位俯仰軸架方位軸的轉(zhuǎn)角和俯仰軸的轉(zhuǎn)角。
[0057]在夜晚時對三維空間方向角測量裝置的軸位進行校正，校正時利用控制器5控制方位俯仰軸架31轉(zhuǎn)動，使天體敏感器I觀測到天體，利用天體敏感器I中的小于毫角秒精度的天體位置星表查找出觀測到的天體位置數(shù)據(jù)，結(jié)合由GPS定位模塊44測量到的觀測點在地心地固坐標系中的位置數(shù)據(jù)進行計算，得到觀測點對觀測到的天體的理論指向角；再對照方位俯仰軸架31上的軸位顯示器51顯示的觀測到的天體的方位角和俯仰角，得到天體觀測的方位角和俯仰角的偏差，并將天體觀測方位角和俯仰角的偏差存儲到控制器5內(nèi)的存儲芯片中；這樣當再控制方位俯仰軸架3轉(zhuǎn)動時，利用存儲在控制器5內(nèi)的存儲芯片中的方位角和俯仰角指向偏差值，修正轉(zhuǎn)動的方位俯仰軸架3及光學望遠鏡2主軸線的指向，即利用天體觀測方位角和俯仰角的偏差修正三維空間方向檢測裝置的軸角精度，使三維空間方向角裝置能實現(xiàn)亞角秒級精度的三維空間指向角的觀察、測量、校正和引導。
[0058]對所述三維空間方向角測量裝置的三維空間方向角的調(diào)整測量方法，所述方法是以恒星、行星位置基準作為標?；鶞实娜S空間指向角精度調(diào)整檢測方法，采用的具體步驟如下:
[0059]步驟1:所述裝置先在白天進行作業(yè)，利用所述裝置的多個傳感器4調(diào)整測量所述裝置基準面的水平度、方位指向起始點的正北、仰角標零點和測定所述裝置的地理位置；
[0060]步驟2:若在晴朗夜晚，通過所述裝置的天體敏感器I觀測天空中的天體，得到并顯示恒星或行星的實際觀測角度；同時識別出觀測到的恒星或行星的編號，從星表中查閱這些觀測到的行星及恒星的位置，在步驟I中已測定了所述裝置的地理位置，這樣用步驟I的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到天體中恒星或行星的理論觀測角度，把理論觀測角度與實際觀測角度作比對，求得方位俯仰軸架3的方位軸和俯仰軸軸系指示的方位軸的方位角度和俯仰軸的俯仰角度與理論觀測角度之間的偏差值，得到所述裝置的指向角誤差測量值；
[0061]步驟3:若在全天空域眾多方向上，觀測成百上千顆恒星和行星，提供空中多方向上的恒星與行星的觀測角，同時對照這些觀測到的恒星與行星在方位俯仰軸架3上對應的軸位指示檢出角度值進行計算，便得到觀測天體指向角誤差偏離值；把這些由觀測得到的誤差偏離值通過廣義延拓插值模型進行數(shù)據(jù)處理，生成空間指向角誤差數(shù)據(jù)；用這些空間指向角誤差數(shù)據(jù)，便能對具有空間指向的方位俯仰軸架的所述裝置進行指向角誤差分辨，包括所述裝置水平基面的水平度偏角或傾斜面的傾斜度偏角，或解算出方位軸架32的方位指向與正東、正南、正西、正北及垂線方向的偏差，以及俯仰角零值的標校偏差；利用這些標校得到的偏差就能測量和標校水平面、傾斜面；能測量和標校正北方向和垂線方向；同時也能解算分離出方位軸和俯仰軸指向角的殘余誤差，利用這些殘余的指向角誤差能生成整個指向范圍內(nèi)的指向角誤差數(shù)據(jù)庫和指向角誤差修正曲面；利用這些方位軸和俯仰軸的指向角誤差修正量，便能使方位俯仰軸架3的俯仰軸和方位軸具有三維高精度的空間指向功能，也能校準或弓I導其它指向儀器或設備實現(xiàn)高精度指向。
[0062]本發(fā)明裝置的工作流程
[0063]如圖2示出的本發(fā)明的三維空間方向角測量裝置工作流程框圖，圖中示出了軸位角度讀取單元、誤差修正數(shù)據(jù)庫、驅(qū)動轉(zhuǎn)動單元、測量參數(shù)分析處理模塊、天體敏感器1、光學望遠鏡2、方位俯仰軸架3、控制器5。方位俯仰軸架3分手動轉(zhuǎn)動和電動驅(qū)動轉(zhuǎn)動兩類。電動驅(qū)動時，俯仰軸和方位軸都應配有驅(qū)動轉(zhuǎn)動單元，俯仰軸和方位軸還應該有軸位(軸轉(zhuǎn)角)檢出和顯示單元。驅(qū)動轉(zhuǎn)動單元的輸入端分別與控制器5輸出端和誤差修正數(shù)據(jù)庫輸出端連接；驅(qū)動轉(zhuǎn)動單元的輸出端與方位俯仰軸架3的轉(zhuǎn)軸連接；軸位角度讀出單元裝設在方位俯仰軸架3的轉(zhuǎn)軸上，測量參數(shù)分析處理模塊的輸入端分別與天體敏感器I輸出端和控制器5輸出端連接；從圖2可知，當三維空間方向角測量裝置檢測裝置中的方位軸、俯仰軸指向角誤差時，由控制器5控制方位俯仰軸架3和光學望遠鏡2的鏡筒的轉(zhuǎn)動，這時方位俯仰軸架3能輸出方位軸和俯仰軸的軸位角度，并把方位軸和俯仰軸的軸位角度輸出給測量參數(shù)分析處理模塊；同時安裝在俯仰軸軸端上的天體敏感器I通過觀測天體，也可以輸出天體的測量數(shù)據(jù)饋給測量參數(shù)分析處理模塊，方位軸和俯仰軸的軸位角度和天體的測量數(shù)據(jù)經(jīng)測量參數(shù)分析處理模塊處理折算，可以計算得到方位軸和俯仰軸的軸位角度數(shù)據(jù)和天體的測量數(shù)據(jù)兩者之間的偏差值，利用這些偏差值可以生成方位俯仰角的誤差修正數(shù)據(jù)，利用這些生成的方位俯仰角的誤差修正數(shù)據(jù)，可以存儲起來，在存儲器中形成誤差修正數(shù)據(jù)庫。這樣，當控制器5發(fā)出指令再控制方位俯仰軸架3和光學望遠鏡2的鏡筒轉(zhuǎn)動時，利用連接于驅(qū)動轉(zhuǎn)動子單元的誤差修正數(shù)據(jù)庫，就可以對軸位角度讀取單元讀取到的轉(zhuǎn)動角度輸入量作修正，從而就能使指向精度明顯提高，使方位俯仰軸架3指向正確的角度上。
[0064]圖3是控制器的修正誤差數(shù)據(jù)生成框圖，所述誤差數(shù)據(jù)生成的步驟包括:
[0065]步驟51:是先根據(jù)GPS定位模塊44測量得到的測量點的地心地固坐標系中的位置，以及由天體敏感器I測得星體，在天體星圖數(shù)據(jù)庫中，查到測得的恒星或行星的編號和星體位置，計算得到理論觀測角度；
[0066]步驟52:是把理論觀測角度與實際觀測角或指示角作比照，對觀測天體的理論方位軸角和俯仰軸角分別與方位俯仰軸架3的方位軸和俯仰軸軸系指示的方位軸角度和俯仰軸角度求差，得到兩者之差值，這差值即為方位軸角和俯仰軸角的指向角誤差測量值；
[0067]步驟53:是表示用廣義延拓插值方法和模型對指向角誤差測量值進行數(shù)據(jù)處理，生成得到全空域上的方向角角位的誤差修正值；第四框是表示把全空域上的方向角角位的誤差修正值生成整個指向范圍內(nèi)的指向角誤差數(shù)據(jù)庫和指向誤差修正曲面。
[0068]測量組件8僅由天體敏感器1、控制器5和GPS定位模塊44等組成。將測量組件通過連接裝置，直接安裝到被檢測設備的轉(zhuǎn)軸上或主視線設備上方。把上述帶有天體敏感器的測量組件直接安裝到被檢測裝置的轉(zhuǎn)軸上或主視線方向設備上以后，通過對恒星和行星位置的觀測，同樣可以使被檢測設備具有三維空間的高精度指向精度和校正精度。所述的帶有天體敏感器的測量組件，其所述高精度可以高達亞角秒級。
[0069]所述三維空間方向測量裝置和測量組件8，當其安裝在某一裝置的一個基面上之后，通過轉(zhuǎn)動方位俯仰軸架3上的天體敏感器1，在全空域眾多方向上，觀測到成百上千顆恒星和行星，獲得空間多方向上的恒星與行星觀測角，對照天文年歷中的星表，對照方位俯仰軸架3上對應的方位軸和俯仰軸的軸位輸出指示角度值，便得到指向角誤差偏離值，這些誤差量通過廣義延拓插值等數(shù)據(jù)處理，經(jīng)歸算可以解算出安裝基面的水平面的水平度偏角或傾斜面的傾斜度偏角，或解算出方位軸架32的方位軸角指向與正東、正南、正西、正北及垂線的偏差，以及俯仰角零值的標校偏差；還能測水平面、垂線方向，生成空間指向的誤差曲面或誤差修正數(shù)據(jù)庫。圖3示出修正誤差數(shù)據(jù)生成框圖，利用誤差修正曲面或生成的誤差修正數(shù)據(jù)庫對具有空間指向的方位俯仰軸架3進行指向誤差修正，可以使其具有角秒級，甚至亞角秒級的轉(zhuǎn)軸空間指向精度。
[0070]除了標校上述由方位軸和俯仰軸組成的正交軸系以外，還能標校由非水平軸或非垂直軸組成的正交軸系的各轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角誤差，甚至可以檢測非正交軸系的轉(zhuǎn)角和誤差。
[0071]本發(fā)明的原理
[0072]天體敏感器I是測角儀器，它的測角分辨率主要取決于星體大小和座方位俯仰軸架3的相關(guān)精度。星體圖像視角大小一般小于2"，所以只要安裝天體敏感器I的方位俯仰軸架3，特別是軸系和驅(qū)動轉(zhuǎn)動單元做得足夠精細，就能保證小于2"的測角精度。若再采用星體圖像的中心分割分辨算法，便可以達到亞角秒分辨率。
[0073]令方位俯仰軸架3的大地坐標為U，㈧，天體敏感器I所觀測的某星體赤道坐標為(α，δ)(通過查取天 文星表可得)，則由下列公式便可計算得到理論觀測方位角J與理論
觀測高度角5:
[0074]
cost = sin (/?sin δ + coscosScosi
< -sin z sin A = cos J sin I( I)

sin z cos /i = sin J cos f/? - cos (6) sin (/? cos /
[0075]t = s- a(2)
[0076]式中，t為時間，s為恒星時。
[0077]若測得的方位角為A，仰角為z，求解上述模型公式I和公式2，便可得到基面正東、正北方向偏差ΛΧ、Ay及仰角零點起始偏差ΛΒ:
Ax = A-A
[0078]< Ay = A-A(3)
AB-Z-Z
[0079]因此，根據(jù)上述偏差可以對三維空間方向角測量儀進行精確的指向角修正。當對多個星體進行觀測和解算時，還能基于最小二乘原理獲得精度更高的指向角修正參數(shù)。
[0080]總而言之，天體敏感器I與方位俯仰軸架3的方位軸、俯仰軸一起在空間轉(zhuǎn)動，若能在各個方向上測量天上的恒星和行星位置，并通過星表，查到觀測的恒星位置，便可以求出兩者的指向偏差角。當分布較合理的測量點多于一定數(shù)量以后，可以用這些測量得到的誤差數(shù)據(jù)，并通過廣義延拓逼近方法，生成三維空間指向角的誤差曲面Λ ae(a，β)、Δ β e(a , β )(其中α為方位角、β為仰角)。有了這個誤差曲面，或由其生成的誤差修正數(shù)據(jù)庫，就可以在方位俯仰軸架3指向某一角度時，從誤差修正數(shù)據(jù)庫中找到修正值Aae和Λ β#這樣，便可以求得高精度的指向角度。
[0081]
【權(quán)利要求】
1.一種以天體位置作為標校基準的三維空間方向角測量裝置及方法，其特征在于，所述裝置由天體敏感器、光學望遠鏡、方位俯仰軸架、多個傳感器、控制器和底座組成，其中: 方位俯仰軸架，包括有俯仰軸架和方位軸架，俯仰軸架的俯仰軸和方位軸架的方位軸相互正交安置；方位軸架的一端安置于底座中；方位軸架的另一端與俯仰軸架連接，這樣俯仰軸位于方位軸的上方； 光學望遠鏡安置在俯仰軸架上，光學望遠鏡在白天用于觀測和測量目標，獲取目標的位置信息； 天體敏感器安裝在光學望遠鏡的鏡筒上方；天體敏感器的主光軸與光學望遠鏡的主光軸平行，使天體敏感器與光學望遠鏡鏡筒的指向角一致；天體敏感器和光學望遠鏡一起繞俯仰軸架中的俯仰軸和方位軸架中的方位軸轉(zhuǎn)動，天體敏感器用于感知夜晚天空中恒星和行星的位置，這樣就能利用恒星和行星的位置作為空間位置測量的標?；鶞剩岣吖鈱W望遠鏡的指向精度； 多個傳感器包括水準器、磁傳感器、電子傾斜儀和GPS定位模塊；其中: 水準器置于底座上，用于為底座獲取水平基準面； 磁傳感器位于方位軸架上，用于為底座上的方位軸架的水平面提供正南或正北指向基準； 電子傾斜儀位于俯仰軸架上，用于為俯仰軸架中的俯仰軸提供俯仰角度量基準； GPS定位模塊位于方位軸架上，用于為三維空間方向角測量裝置提供在地心地固坐標系中的位置； 控制器的輸入輸出端分別與天體敏感器、光學望遠鏡、俯仰軸架和方位軸架的輸入輸出端連接，控制器控制俯仰軸架的俯仰軸和方位軸架的方位軸轉(zhuǎn)動，控制俯仰軸架帶動光學望遠鏡的鏡筒及其上的天體敏感器一起轉(zhuǎn)動； 在夜晚時對三維空間方向角測量裝置的軸位進行校正，校正時利用控制器控制方位俯仰軸架轉(zhuǎn)動，使天體敏感器觀測到天體，利用天體敏感器中的小于毫角秒精度的天體位置星表查找出觀測到的天體位置數(shù)據(jù)，結(jié)合由GPS定位模塊測量到的觀測點在地心地固坐標系中的位置數(shù)據(jù)進行計算，得到觀測點對觀測到的天體的理論指向角；再對照方位俯仰軸架上的軸位顯示器顯示的觀測到的天體的方位角和俯仰角，得到天體觀測的方位角和俯仰角的偏差，并將天體觀測方位角和俯仰角的偏差存儲到控制器內(nèi)的存儲芯片中；這樣當再控制方位俯仰軸架轉(zhuǎn)動時，利用存儲在控制器內(nèi)的存儲芯片中的方位角和俯仰角指向偏差值，修正轉(zhuǎn)動的方位俯仰軸架及光學望遠鏡主軸線的指向，即利用天體觀測方位角和俯仰角的偏差修正三維空間方向檢測裝置的軸角精度，使三維空間方向角裝置能實現(xiàn)亞角秒級精度的三維空間指向角的觀察、測量、校正和引導。
2.如權(quán)利要求1所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，用XY軸架或赤經(jīng)赤緯軸架替換所述方位俯仰軸架。
3.如權(quán)利要求1所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，所述的天體敏感器除了安裝在光學望遠鏡的鏡筒上方外，還可以安裝在俯仰軸架的俯仰軸的軸頭上。
4.如權(quán)利要求1所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于， 在俯仰軸架的俯仰轉(zhuǎn)動方向，俯仰軸能提供O至90度的連續(xù)指向轉(zhuǎn)動； 在方位軸架的方位轉(zhuǎn)動方向，方位軸能提供O至360度的連續(xù)指向轉(zhuǎn)動；從而為光學望遠鏡鏡筒的光軸和天體敏感器的光軸提供半空域的指向覆蓋。
5.如權(quán)利要求1所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，所述天體敏感器中成像的器件采用CXD器件或CMOS器件中的一種。
6.如權(quán)利要求1所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，控制器與天體敏感器、光學望遠鏡和方位俯仰軸架的連接方式采用無線傳輸方式或有線傳輸方式。
7.如權(quán)利要求1所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，僅由天體敏感器、控制器和GPS定位模塊組成方向角測量組件，用于對已具有俯仰軸、方位軸和軸位檢出顯示單元的被監(jiān)測設備做三維空間的方向角檢測，這時直接將測量組件安裝到被監(jiān)測設備的俯仰軸上的光學望遠鏡的鏡筒上方或安裝到被監(jiān)測設備的天線俯仰軸的軸端上，其中天體敏感器主視線應與光學望遠鏡鏡筒的主視線或微波天線電軸主視線方向平行；通過轉(zhuǎn)動天體敏感器得到不同角度情況下的多于三個方向的指向角，但三個觀測方向要拉開角度間隔，這時所述裝置可作為天文導航儀，用于測量得到所述裝置的位置坐標。
8.如權(quán)利要求7所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，所述的被監(jiān)測設備是光學經(jīng)緯儀，或是全站儀，這樣就成為馱有天體敏感器的新型高精度數(shù)字經(jīng)緯儀或新型高精度數(shù)字全站儀。
9.如權(quán)利要求7所述的三維空間方向角測量裝置，其特征在于，所述的被監(jiān)測設備若是拋物面盤狀微波天線，在拋物面盤狀微波天線的俯仰軸一端，將方向角測量組件的帶有圓錐形配合面的圓錐形軸頭，插入到俯仰軸軸端頭的圓錐孔內(nèi)，使方向角測量組件的圓錐形軸頭的配合面與俯仰軸軸端頭的圓錐形的孔面貼合，最后用夾環(huán)和螺釘固緊；或把過渡曲尺支架一側(cè)面固接于俯仰軸的軸端，再將天體敏感器固定于過渡曲尺支架上，這樣就能利用天體位置信息標校微波天線的指向角精度，即通過對天體中恒星和行星位置的觀測，使微波天線具有角秒級甚至亞角秒級的高精度三維指向精度和校正精度。
10.一種對權(quán)利要求1所述三維空間方向角測量裝置的三維空間方向角的調(diào)整測量方法，所述方法是以恒星、行星位置基準作為標校基準的三維空間指向角精度調(diào)整檢測方法，采用的具體步驟如下: 步驟1:所述裝置先在白天進行作業(yè)，利用所述裝置的多個傳感器調(diào)整測量所述裝置基準面的水平度、方位指向起始點的正北、仰角標零點和測定所述裝置的地理位置； 步驟2:若在晴朗夜晚，通過所述裝置的天體敏感器觀測天空中的天體，得到并顯示恒星或行星的實際觀測角度；同時識別出觀測到的恒星或行星的編號，從星表中查閱這些觀測到的行星及恒星的位置，在步驟I中已測定了所述裝置的地理位置，這樣用步驟I的數(shù)據(jù)經(jīng)計算得到天體中恒星或行星的理論觀測角度，把理論觀測角度與實際觀測角度作比對，求得方位俯仰軸架的方位軸和俯仰軸軸系指示的方位軸的方位角度和俯仰軸的俯仰角度與理論觀測角度之間的偏差值，得到所述裝置的指向角誤差測量值； 步驟3:若在全天空域眾多方向上，觀測成百上千顆恒星和行星，提供空中多方向上的恒星與行星的觀測角，同時對照這些觀測到的恒星與行星在方位俯仰軸架上對應的軸位指示檢出角度值進行計算，便得到觀測天體指向角誤差偏離值；把這些由觀測得到的誤差偏離值通過廣義延拓插值模型進行數(shù)據(jù)處理，生成空間指向角誤差數(shù)據(jù)；用這些空間指向角誤差數(shù)據(jù)，便能對具有空間指向的方位俯仰軸架的所述裝置進行指向角誤差分辨，包括所述裝置水平基面的水平度偏角或傾斜面的傾斜度偏角，或解算出方位軸架的方位指向與正.東、正南、正西、正北及垂線方向的偏差，以及俯仰角零值的標校偏差；利用這些標校得到的偏差就能測量和標校水平面、傾斜面；能測量和標校正北方向和垂線方向；同時也能解算分離出方位軸和俯仰軸指向角的殘余誤差，利用這些殘余的指向角誤差能生成整個指向范圍內(nèi)的指向角誤差數(shù)據(jù)庫和指向角誤差修正曲面；利用這些方位軸和俯仰軸的指向角誤差修正量，便能使方位俯仰軸架的俯仰軸和方位軸具有三維高精度的空間指向功能，也能校準或引導其它指向儀器或設備實現(xiàn)高精度指向。
【文檔編號】G01C1/00GK103837126SQ201210479252
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月22日
【發(fā)明者】施滸立 申請人:施滸立