張耀民
(西安科技大學(xué),西安 710054)
慣導(dǎo)產(chǎn)品在生產(chǎn)、測試、維修、使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中,需要對其真北方位進(jìn)行標(biāo)校。通常需要在室內(nèi)建立真北方位基準(zhǔn),并把真北方位引入到測試設(shè)備[1]。
根據(jù)需求,真北方位基準(zhǔn)一般需要精確到1″~20″精度。由于室內(nèi)定向場所空間大小的限制,需要采用特殊的工業(yè)測量方法進(jìn)行定向才能滿足精度要求。把室外方位傳遞到室內(nèi),如果采用傳統(tǒng)的兩點(diǎn)一線的測量方法,測量儀器對中誤差哪怕只有0.1mm,則5m的傳遞距離可引起的方向誤差高達(dá)4″。即便采用強(qiáng)制對中措施,這樣尚需要建造儀器觀測臺,既費(fèi)工,也存在對中誤差,而且傳統(tǒng)觀測手段在室內(nèi)還存在較大的調(diào)焦誤差[2]。
目前涉及慣導(dǎo)產(chǎn)品和測試設(shè)備標(biāo)校的室內(nèi)真北基準(zhǔn)論文尚不多見[3-6]。發(fā)表的論文主要側(cè)重于利用天文定向方法建立用于陀螺經(jīng)緯儀常數(shù)標(biāo)定的室內(nèi)外基準(zhǔn)[7-10],其方位傳遞基本采用一站式天文定向方法或者分別觀測轉(zhuǎn)折角的方位傳遞方法,這種方法很難保證直接高精度傳遞到室內(nèi)基準(zhǔn)上;對于精度要求不高的真北基準(zhǔn)標(biāo)定和設(shè)備引北則采用陀螺經(jīng)緯儀定向方法[11-12]以及全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)定向方法[2,13-15]。
文獻(xiàn)[7]報(bào)道了用天文定向方法建立用于陀螺經(jīng)緯儀常數(shù)標(biāo)定的真北方位基準(zhǔn)項(xiàng)目情況,一二期結(jié)果互差35″,其變化異常;文獻(xiàn)[8]研究設(shè)計(jì)了陀螺經(jīng)緯儀室內(nèi)外真北基準(zhǔn)檢測方法,并通過聯(lián)測比對了室內(nèi)外基準(zhǔn)互差,不過未見施加子午線收斂角改正,若改正反而會超限;文獻(xiàn)[9]報(bào)道了在原有的室外基線場建立真北方位基準(zhǔn),采用了平行光管作為過度目標(biāo),觀測過程中光管也會變化,而把平行光管對準(zhǔn)目標(biāo)點(diǎn)的過程中還需要調(diào)焦,使得視準(zhǔn)線也發(fā)生了變化,另外采用天文定位方法獲取天文經(jīng)緯度的方法對于觀測北極星進(jìn)行天文定向是沒有必要的;文獻(xiàn)[13]利用傳統(tǒng)方法布測了GNSS網(wǎng)和三角網(wǎng),建立了室內(nèi)真北基準(zhǔn)地標(biāo),采用延伸轉(zhuǎn)臺軸線的方法進(jìn)行了轉(zhuǎn)臺引北,屬于傳統(tǒng)兩點(diǎn)一線的方法,精度低且工作量大。
因此,本文主要探討了有關(guān)室內(nèi)真北方位基準(zhǔn)的建立和標(biāo)定、慣導(dǎo)測試設(shè)備引北的高精度實(shí)用技術(shù)和方法,例如基于雙測站的天文定向、基于同步網(wǎng)的GNSS定向、高精度經(jīng)緯儀對向觀測方法等,這些技術(shù)已在筆者20年來所完成的上百個(gè)此類項(xiàng)目中得到成功運(yùn)用。
為了慣導(dǎo)設(shè)備引北以及產(chǎn)品標(biāo)校,一般需要在室內(nèi)建立真北方位基準(zhǔn)臺,并在真北方位基準(zhǔn)臺上設(shè)置基準(zhǔn)平面鏡(精度高)、直角棱鏡(維持精度有限)或者平行光管(適用非準(zhǔn)直儀器),以便維持真北方位基準(zhǔn)。真北方位基準(zhǔn)臺布設(shè)位置應(yīng)方便觀測和方位傳遞,且方位傳遞導(dǎo)線盡量不要超過2站。室外經(jīng)緯儀能觀測到的天體如北極星;室內(nèi)外經(jīng)緯儀能通過門或者窗戶甚至玻璃相互通視;室內(nèi)經(jīng)緯儀能觀測到基準(zhǔn)鏡面。
圖1所示為一個(gè)典型的真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定和轉(zhuǎn)臺引北布測方案示意圖。
常見的慣導(dǎo)產(chǎn)品測試設(shè)備有:真北方位標(biāo)定平臺,單軸轉(zhuǎn)臺、雙軸轉(zhuǎn)臺和三軸轉(zhuǎn)臺。慣導(dǎo)產(chǎn)品則通過固定托架、靠塊或者定位銷固定在測試設(shè)備上。在設(shè)備軸端和產(chǎn)品基面可以安裝用于設(shè)備引北的引北鏡。利用真北基準(zhǔn),通過測定引北鏡的法向方位可以確定轉(zhuǎn)臺的零位置的真北方位設(shè)定參數(shù)和產(chǎn)品框架相對于轉(zhuǎn)臺的定向參數(shù),這個(gè)過程即為設(shè)備引北。
真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定方法可根據(jù)精度要求選擇采用天文定向、GNSS定向或是陀螺經(jīng)緯儀定向方法。
建立高精度真北方位基準(zhǔn)時(shí),通常采用天文定向方法確定真北方位。根據(jù)精度要求可以選擇觀測北極星等恒星,以及行星、太陽、月亮等觀測目標(biāo)。在我國一般選擇觀測北極星可以獲得最佳的天文定向精度,而天文觀測一般需要在晴朗的夜晚進(jìn)行觀測。圖2所示為基于雙測站的天文定向方法,這種方法一般可滿足室內(nèi)基準(zhǔn)高達(dá)±0.5″(我國大地天文測量規(guī)范規(guī)定的一等天文方位角測量中誤差為0.5″)及更低精度的定向需求。
在室外進(jìn)行天文定向時(shí)可參照文獻(xiàn)[1]中的技術(shù)要求,采用北極星任意時(shí)角的天文定向方法,通過觀測任意時(shí)刻北極星的水平度盤位置并記錄觀測時(shí)的協(xié)調(diào)世界時(shí)(Coordinated Universal Time,UTC),測定目標(biāo)方向的天文方位角。
采用單測站天文定向方法很難引測到室內(nèi),為了把天文方位引測到室內(nèi)基準(zhǔn)上,一般需要采用雙測站對向觀測方法。每半測回把天體方位直接傳遞到室內(nèi)鏡面法向上,并顧及極移改正和子午線收斂角改正。
顧及經(jīng)緯儀視軸差的高精度天文方位角觀測可按式(1)計(jì)算方位角:
(1)
其中:
p=cscZR+cscZL
Z=arccos(sinφsinδ+cosφcosδcost)
t=15×(s-α)
式中:N為天體半測回度盤觀測值;DA為一測回室內(nèi)目標(biāo)度盤位置均值;L為盤左度盤位置;R為盤右度盤位置;s為觀測天體時(shí)刻的地方恒星時(shí);α為顧及了周日視差和光行差的天體測站視赤經(jīng);δ為顧及了周日視差和光行差的天體測站視赤緯;φ為測站天文緯度。
天文定向需要已知天文經(jīng)緯度,如果采用天文方法測定天文經(jīng)緯度,則成本很高,最有效的方法是利用GNSS偽距定位方法獲取測站的大地經(jīng)緯度。如果利用北極星時(shí)角法進(jìn)行天文定向,直接采用大地經(jīng)緯度即可滿足天文定向精度要求,如果采用行星和其他遠(yuǎn)離北天極的恒星進(jìn)行高精度天文定向時(shí),一般對天文經(jīng)緯度精度要求較高,這時(shí)可以利用式(2)進(jìn)行轉(zhuǎn)換:
λ=L+ηsecφ
φ=B+ξ
(2)
式中:λ為天文經(jīng)度;φ為天文緯度;L為大地經(jīng)度;B為大地緯度;ξ為垂線偏差子午分量;η為垂線偏差卯酉分量。垂線偏差可利用重力場模型或者大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行計(jì)算。
由于采用雙測站對向觀測方法進(jìn)行天文定向方位傳遞,在基準(zhǔn)上測定了n測回獨(dú)立的方位觀測值,其天文定向的測定精度m評定可按式(3)計(jì)算。
(3)
式中:ms為各測回真北方位基準(zhǔn)測定標(biāo)準(zhǔn)差;n為測回?cái)?shù)。
高精度GNSS定向就是利用GNSS衛(wèi)星靜態(tài)載波相位相對定位方法測定方位角的方法。由于受GNSS接收機(jī)天線相位中心偏差和對中觀測誤差影響,定向精度與基線長度有關(guān),顧及到垂線偏差和有限空間限制,一般適合精度為5″及更低精度的定向需求。這種方法除了需要GNSS接收機(jī)外,還額外需要天文定向同樣所需的準(zhǔn)直經(jīng)緯儀,因此,這種方法并非比天文定向方法更經(jīng)濟(jì),但基本不受天氣影響。
為了提高定向精度和可靠性,削弱對中誤差、相位中心偏差等影響,需采用布測多基線同步網(wǎng)的GNSS定向方法,同步網(wǎng)不少于3條基線,大約同步觀測60min,并采用強(qiáng)制對中措施。
如圖3所示,在同步三角網(wǎng)中,選擇一點(diǎn)作為定向觀測起始點(diǎn),以2條基線作為定向觀測起始方向,其起始方向的基線長度需要滿足精度需求。
根據(jù)觀測場所環(huán)境,GNSS定向起始方向的基線長一般應(yīng)不小于:
(4)
式中:a為相位中心偏差;n為起始方位基線數(shù),通常為2、3即可,d為定向精度;長度單位:m。一般來說天線相位中心偏差大約2~5mm,對于5″的定向精度需求,2個(gè)起始方向數(shù)的基線長度一般需要150m以上。
GNSS網(wǎng)經(jīng)過基線解算和無約束網(wǎng)平差后,可按式(5)計(jì)算所需起始方向的基線矢量方位角(非橢球面上的大地方位角)[16-17]。
(5)
式中:ΔX、ΔY、ΔZ分別為基線矢量坐標(biāo)差分量;B、L分別為起始點(diǎn)的大地經(jīng)緯度。
根據(jù)需要,可按式(6)把大地方位角近似轉(zhuǎn)化為天文方位角。大地方位角和天文方位角之差一般可達(dá)幾個(gè)角秒甚至超過10″,其換算關(guān)系為:
a=A+ηtanφ
(6)
式中:a為天文方位角;A為大地方位角;η為垂線偏差卯酉分量,同樣可利用重力場模型或者大地水準(zhǔn)面模型進(jìn)行計(jì)算;φ為天文緯度,可以用大地緯度代替。
最后采用2臺經(jīng)緯儀對向觀測方法,把基線方位傳遞到室內(nèi)基準(zhǔn)鏡面法向,并顧及子午線收斂角改正,注意在傳遞觀測中采取不調(diào)焦措施。
對于2個(gè)測回的GNSS三角同步網(wǎng)定向精度m的評定,顧及GNSS觀測誤差、相位中心誤差、定向引測誤差后的方位基準(zhǔn)的最終精度,可按式(7)計(jì)算。
(7)
式中:m01、m02分別為GNSS同步網(wǎng)1、2起始方位的測定中誤差,m11、m12分別為1、2測回含有相位中心偏差的方位傳遞角度的測定中誤差;m2為標(biāo)定測站的角度測定中誤差。
設(shè)備引北方法一般采用經(jīng)緯儀對向觀測法、陀螺經(jīng)緯儀定向法、水平儀定向法。這些方法基本都是相對的定向方法,也就是從已知方向引測方位的一種方法。設(shè)備引北一般需要有引北鏡、平面鏡、定向基面諸如產(chǎn)品靠塊的支持。
此法如同天文定向和GNSS定向中的對向觀測法,用于從已知方向引測到未知方向,并需要利用準(zhǔn)直經(jīng)緯儀、對向觀測經(jīng)緯儀十字絲和鏡面。當(dāng)2臺儀器不能直接引測到未知方向時(shí),可增加1臺儀器,或者改變觀測順序,通過搬遷儀器,進(jìn)行后續(xù)定向?qū)Ь€的方位傳遞觀測。需要說明的是,和真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定一樣,經(jīng)緯儀需要對無窮遠(yuǎn)調(diào)焦,一個(gè)測回觀測中是不能調(diào)焦的。此方法適用于轉(zhuǎn)臺軸向定向、真北方位標(biāo)定平臺定向、慣導(dǎo)產(chǎn)品托架定向、直角棱鏡安裝校準(zhǔn)、轉(zhuǎn)臺軸向正交性和轉(zhuǎn)動精度檢測等。
對于平面引北鏡校準(zhǔn)可以利用準(zhǔn)直經(jīng)緯儀或者準(zhǔn)直平行光管,在2個(gè)相互對稱的位置上進(jìn)行準(zhǔn)直觀測,按照平均準(zhǔn)直位置調(diào)節(jié)引北鏡,使引北鏡法向和轉(zhuǎn)臺軸向一致。對于引北鏡法向和轉(zhuǎn)臺軸向較小的偏差,以及軸向回轉(zhuǎn)偏差和非正交性偏差,可以通過觀測加以修正。
對于用于維持真北方位基準(zhǔn)的直角棱鏡的安裝,可采用如下方法進(jìn)行直角棱鏡的棱線水平性校準(zhǔn),以確保在不同高度上準(zhǔn)直觀測直角棱鏡無顯著偏差。如圖4所示,分別在高點(diǎn)和低點(diǎn)兩處安置經(jīng)緯儀,利用雙測站對向觀測方法,檢測棱鏡棱線所處的水平狀態(tài),從而在不同高度進(jìn)行準(zhǔn)直觀測,使棱鏡準(zhǔn)直視線的方位保持一致。其原理就是假設(shè)與棱鏡等高處的經(jīng)緯儀水平準(zhǔn)直方位角為0°,那么經(jīng)2臺儀器聯(lián)測后的棱鏡方位應(yīng)該也是0°。利用這一原理,通過反復(fù)觀測調(diào)試,使得差值控制在一定范圍之內(nèi)。
因篇幅所限,這里就筆者所完成的上百個(gè)真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定和慣導(dǎo)設(shè)備引北項(xiàng)目中,列舉天文定向、GNSS定向、轉(zhuǎn)臺引北、直角棱鏡校準(zhǔn)等4個(gè)典型應(yīng)用實(shí)例加以說明。
天文定向?qū)崪y結(jié)果如表1所示,這是2017年7月20日在武漢,采用2臺0.5″Leica TM5100A的標(biāo)定結(jié)果,其均值中誤差要求不超過1″,實(shí)測為0.4″。需要說明的是:本次結(jié)果與2013年底有關(guān)單位的標(biāo)定結(jié)果互差+2.9″,與Gyromat 3000陀螺經(jīng)緯儀現(xiàn)場測定結(jié)果(用在北京標(biāo)定的常數(shù)計(jì)算)互差-3.5″,本次結(jié)果位居中間。
表1 天文定向?qū)崪y結(jié)果
另外在2017年10月19—20日在葫蘆島,同樣利用2臺TM5100A儀器,經(jīng)過2站天文定向傳遞、2個(gè)時(shí)段僅6測回,標(biāo)定的室內(nèi)2個(gè)平行光管目標(biāo)和一個(gè)平面鏡目標(biāo),其真北方位結(jié)果中誤差分別高達(dá)0.17″、0.18″、0.20″,結(jié)果說明非常穩(wěn)定。
GNSS定向?qū)崪y結(jié)果如表2所示,這是2016年10月20日在西安,采用國產(chǎn)2″光學(xué)準(zhǔn)直經(jīng)緯儀和GNSS載波相位接收機(jī)的定向結(jié)果,其精度要求為10″;根據(jù)場地情況布設(shè)為同步三角網(wǎng),使得起始方位基線盡量更長,分別為161.9m、161.6m;為了克服對中誤差的影響,采取了強(qiáng)制對中措施。表2中,m01=m02=1.02″,m11=2.98″、m12=1.76″,m2=0.84″,這樣大地方位基準(zhǔn)的標(biāo)定精度約為:
其中,天文方位的轉(zhuǎn)換精度約為1″,這樣最終精度約為2.3″。
表2 GNSS定向?qū)崪y結(jié)果
轉(zhuǎn)臺引北實(shí)測結(jié)果如表3所示,這是2016年9月25日在廣州,采用2″光學(xué)準(zhǔn)直經(jīng)緯儀對一個(gè)兩軸溫控轉(zhuǎn)臺內(nèi)框軸向的引北結(jié)果,其轉(zhuǎn)臺內(nèi)外框軸向引北精度要求為4″,實(shí)測結(jié)果顧及真北方位基準(zhǔn)起算誤差后的精度為1.6″。內(nèi)框軸向定向是利用經(jīng)緯儀對向觀測方法,觀測貼于內(nèi)框靠塊的鏡面,從真北方位基準(zhǔn)上引北,并對鏡面不平行性進(jìn)行了修正;根據(jù)定向結(jié)果和轉(zhuǎn)臺顯示方位,計(jì)算出了兩軸轉(zhuǎn)臺內(nèi)框軸向的方位參數(shù)。
表3 轉(zhuǎn)臺軸向引北實(shí)測結(jié)果
直角棱鏡校準(zhǔn)實(shí)例如表4所示,這是2017年2月26日在北京,采用2臺0.5″Leica TM5100A在高低點(diǎn)進(jìn)行檢測,對直角棱鏡棱線水平校準(zhǔn)后的互差檢測結(jié)果。
表4 直角棱鏡校準(zhǔn)結(jié)果
大量的實(shí)測結(jié)果表明:
1) 利用天文定向、GNSS定向、經(jīng)緯儀對向觀測方法都是真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定和設(shè)備引北的特別有效方法;
2) 采用雙測站觀測北極星,觀測3~6測回,通過2站方位傳遞,在良好的觀測環(huán)境下,一般很容易獲得高于經(jīng)緯儀標(biāo)稱精度級的定向結(jié)果;
3) 在天氣許可的條件下,天文定向是真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定最佳的首選方法;
4) 在不能采用天文定向時(shí),顧及垂線偏差的影響和有限空間的限制,對于不超過5″的精度要求,采用基于多基線同步網(wǎng)的GNSS定向并施加垂線偏差改正的方法,也是天文定向的可替代方法。
目前,我國真北方位基準(zhǔn)標(biāo)定和慣導(dǎo)設(shè)備引北尚無專用標(biāo)準(zhǔn)可循,有關(guān)真北方位基準(zhǔn)和設(shè)備引北檢測周期也沒有具體規(guī)定。因此,這里建議新建真北方位基準(zhǔn),一般經(jīng)過1年左右檢測1次;穩(wěn)定的真北方位基準(zhǔn),每5年檢測1次;轉(zhuǎn)臺軸向、產(chǎn)品托架和標(biāo)定平臺等設(shè)備引北,每2年檢測1次;發(fā)生地震和地基沉降等形變影響時(shí)要及時(shí)檢測。