电子经纬仪的检定及误差分析

摘 要：电子经纬仪是广泛应用于天文、大地、工程测量的精密仪器。本文主要从电子经纬仪产生误差及其检定出发，分析了轴系误差、度盘的误差、测角读数系统的误差和水准器的误差原因，以便于更好地对电子经纬仪进行检定。

关键词：电子经纬仪；检定；误差分析

1 概述

经纬仪是一种常规的测量仪器，广泛应用于军事、建设等诸多行业。电子经纬仪是集光、机、电、计算为一体的自动化、高精度的光学仪器，是在光学经纬仪的电子化智能化基础上，采用了电子细分、控制处理技术和滤波技术，实现测量读数的智能化。电子经纬仪既可单独作为测角仪器完成导线测量等测量工作，又可与激光测距仪、电子手簿等组合成全站仪，与陀螺仪、卫星定位仪、激光测距机等组成炮兵测地系统，实现边角连测、定位、定向筹各种测量。

2 电子经纬仪的检定内容

电子经纬仪是由光学经纬仪发展起来的，为在研制中提高其精度，需要了解光学经纬仪检定时的内容。光学经纬仪检定内容有： 1、准器轴与竖轴的垂直度，2、测微器行差，3、光学测微器分划误差，4、光学测微器隙动误差，5、照准部旋转正确性，6、望远镜竖丝对横轴的垂直度，7、横轴与竖轴的垂直度，8、照准差和指标差，9、照准部偏心差和水平度盘偏心差，10、望远镜调焦时视轴变动误差，11、竖盘指标自动补偿器补偿误差，12、水平度盘直径全误差，13、一测回水平方向标准偏差，14、一测回水平角测角标准偏差。

3 电子经纬仪的误差分析

电子经纬仪有主要用途是测量角度，国家标准的仪器精度是指在一测回水平方向的中误差（即一测回水平方向标准偏差）。在测量时先对准目标点A，读取一个角度值，再对准B，读取相应的另一个角度值，则目标点之间的夹角为两读数之差。在这一观测中用到仪器的部分有：度盘，度盘读数系统，瞄准望远镜，水准器，竖轴和横轴轴系等，这些都是电子经纬仪的主要误差源。

3.1 望远镜的瞄准误差

在测量时，由于望远镜采用放大观测目标，而人眼对目标点的瞄准有一个极限，也即存在一个视觉上的瞄准误差，这个误差就是瞄准误差。它取决于人眼瞄准极限误差和望远镜的放大倍数，是随机性的误差量。根据人眼的瞄准特性，这个误差按等或然率分布，通常选择瞄准中误差作为其度量值。

3.2 度盘的误差

度盘误差是由下列几项组成：直径误差，度盘倾斜误差，度盘变形误差。

直径误差是由于工艺水平导致的度盘直径生产上的误差，一般度盘直径全中误差不大于1.5″，由系统及偶然中误差组成，如果测量时按通常要求的测量六个以上测回，则偶然误差大部分可以自动消除，最终影响结果的主要是系统误差。

度盘倾斜误差是指度盘安置不垂直于竖轴及读数系统光轴不垂直于度盘。前者倾斜量很小，对测量结果影响亦很小，可忽略不计，后者因采用符合对径读数而相抵销，因些也不用考虑。

度盘变形误差是由于在温度变化时，由于不同的材料有不同的膨胀系数，以及在装配中产生一定的压力，从而引起度盘变形，将造成刻线最大角位移，造成误差。

3.3 读数系统的误差

这部分误差包括度盘分划的偏心误差，光栅不完全正交的误差，细分量化时的误差。

度盘分划的偏心误差是度盘在刻线时，由于生产工艺的原因，度盘刻线的中心不是理论园盘的中心。另外，度盘生产时以及平时保养或安装中的挤压后，也不一定完全是园形，而实际上有可能个近似园形，也即园心存在偏心。

光栅不完全正交的误差是在采用光栅度盘后，光源发出的光线经系统，形成的莫尔条纹信号是非正弦周期函数，但两信号在相位上也不是恰好正交，其相位不垂直，也就是说当一个为正弦波时，另一个并非为标准余弦波，因此产生了误差。

细分量化时的误差是在量化时产生的误差。通过检测不同的sin、cos 脉冲状态，可对角度进一步细分，而对于细分范围内近似为直线，即角度与电压近似为线性关系，可以通过A/D 转换后测量得到角度。在数模转换量化时存在一个量化误差，另外由于光栅信号电压不稳定和干扰的存在也导致误差的产生。

3.4 轴系和度盘偏心的误差

经纬仪正确测量的前提是三轴正交且竖轴安置铅垂。即视准轴、横轴和竖轴在空间上相互正交，测量时将竖轴安置铅垂。一般情况下，视准轴与横轴不垂直、横轴与竖轴不垂直总是存在的，竖轴安置也不可能绝对铅垂，因此产生了水平测角和垂直测角的测量误差。

在测角仪器中，度盘及其轴系存在偏心，偏心差是影响仪器准确度的重要因素，尤其是几个偏心因素同时存在时更为复杂。当照准目标时，照准部偏心差和水平度盘偏心差同时在起作用。电子经纬仪不是双面读数经纬仪，偏心因素的影响不可以忽略不计，要在程序中预先消除这部分误差。

3.5 水准器的误差

在使用经纬仪进行测量时，首先要将经纬仪竖轴的旋转中心与地面测站点同（或头顶目标）位于同一铅垂线上，然后在垂直的两个方向上将仪器调整到水平，即气泡到中心位置，使仪器整平，但是由于人视觉原因，仪器整平误差仍然存在。整平误差对观测结果同样产生影响。有的电子经纬仪使用电子水泡来进行修正。

经纬仪未能整平产生的误差对角测量是有影响的。在电子经纬仪的研制中，为了使仪器在测量自动方便、精确，要考虑经纬仪整平误差对水平角和豎直角观测的影响。

4 结语

由于电子经纬仪的级别要求不一，随着电子器件的发展，要求不断采用更新更好元件来提高仪器的精度是电子经纬仪的发展方向。而使用元件的不同将导致误差修正的具体方法发生变化，这就需要我们对电子经纬仪产生误差的原因和机理进行分析，进而对如何修正误差进行研究，考虑分析了轴系误差、度盘的误差、测角读数系统的误差和水准器的误差等主要误差，以更好地对电子经纬仪进行检定。

参考文献：

[1] 杨俊志、张贵和.电子经伟仪轴系补偿问题[J].测绘通报，2009.

[2] 周维虎、王会生.误差修正技术在电子经纬仪中的应用[J].宇航计测技术，2012.

[3] 杨俊志.电子经纬仪竖盘指标自动补偿误差的检定问题[J].测绘通报，2011.

[4] 姜晨光.经纬仪整平误差对竖直角观测的影响[J].北京测绘，2014.

作者简介：

刘爽，性别：女，出生年月：1981年7月13日，职称：工程师，工作单位：沈阳计量测试院，研究方向：光学仪器、验光设备 、粗糙度设备、坐标测量机 、测绘仪器。