第五讲 精密角度测量

常用的J1、J2级光学经纬仪
J2级光学经纬仪
瑞士威特厂生产的Wild T2 德国蔡司厂生产的010 以及国产的J2系列经纬仪（北京光学 仪器厂、上海第三光学仪器厂、苏州 一光等）
电子经纬仪简介
优点
具有新型的动态测角系统 微机处理、自动用数字显示角值 基本消除度盘分化误差的影响
角度观测误差分析
水准器 水准器的两种类型
圆形水准器－－粗平 管状水准器－－精平
水准管的格值
水准管的一个分格所对的圆心角 用τ ″表示
水准器 水准管的精度，主要决定于格值τ ″的 大小，其他还与水准气泡在管内移动的 灵敏度有关 当水准管一端受热时，气泡就会向热端 移动，特别是格值较小、灵敏度高的水 准管，对温度影响的反应尤其敏感
对径重合读数法
正像在左 倒像在右
对径重合读数法
42 52 02.0
o
'
"
174 02 02.0
o
'
"
对径重合读数法
旋进测微手轮，使度盘正倒像精确重合
1.读度,找具备下列三个条件的分划线： ⑴正倒像相差180度 ⑵正像在左，倒像在右 ⑶正倒像的对径（度）分划相距最近， 以正像的（度）分划线为准读度数
精密测角的一般原则
1.观测时必须使用仪器的盘左和盘右两个位 置进行，盘左观测上半测回，盘右观测下半 测回，取上、下半测回的平均值作为最后观 测值，这样可以消除仪器视准轴误差和水平 轴倾斜误差的影响 2.在一测回观测中，要求下半测回照准目标 的先后次序和上半测回相反，这样可以削弱 仪器脚架扭转、因气温引起视准轴变化和基 座扭转引起的度盘带动等误差影响
望远镜
消除视差的步骤： 目镜调焦，使十字丝最清晰 物镜调焦，使目标像最清晰，且无视差
望远镜
Байду номын сангаас观测开始前，首先要调节目镜位置， 使十字丝分划影像清晰后，再去照 准目标，对望远镜进行调焦
为了减小视准轴误差的影响，水平 方向观测时，通常规定一个测回内 不得重新调焦
读数设备
度盘 水平度盘 竖直度盘
3.照准部水平微动螺旋的隙动误差
减弱方法：照准每个目标时，微动螺旋必须 向“旋进”方向,同时要尽量使用微动螺旋 的中间部分
观测误差
照准误差
提高观测质量，严格照准目标
读数误差
两个来源：判断度盘对径分化线是否 重合的误差、在测微尺上读取小数的 误差 减弱措施：多次观测取平均值、对同 一目标连续照准两次等
1.照准部转动时的弹性带动误差
消除方法：在一个测回中，上半测回顺转照 准部观测目标，下半测回逆转照准部观测目 标，则在同一个方向的上、下半测回读数平 均值会有效减弱这种误差的影响
机械传动误差
2.脚螺旋的空隙带动误差
减弱方法：在开始观测前，先将照准部沿着 将要旋转的方向转动1~2周，以后照准目标 时，应保持同一旋转方向，不得作反向旋转
光学测微器 读数显微镜
度盘 格值：两相邻分化线间的角值 度盘的分化线是由度盘刻度机刻制的， 由于刻度机传动机构误差等影响，使得 度盘分化线的间距并不严格相等，产生 度盘分化误差 度分分化误差大部分表现为系统性质的 误差
长周期误差 短周期误差
度盘 度盘分化误差的减弱措施：
各个测回间应变换度盘位置
外界条件引起的误差
三、照准目标相位差的影响
由于目标明暗程度的不同，照准目标时，往 往不能正确的照准目标的真正中心轴线，由 此带来的误差称为相位差 为了减弱相位差的影响： 应根据观测距离正确选取照准标志的直径 根据背景情况将标志涂成红色或白色 有条件的话，最好上午、下午各测半个测回
外界条件引起的误差 四、气温变化对仪器稳定性的影响
几何结构误差 2.水平轴倾斜误差
由于望远镜两侧支架不等高或水平轴两端直径不 相等，使得水平轴不垂直于垂直轴而引起的误差 称为水平轴倾斜误差 对方向观测值的影响规律： 水平轴倾斜误差i对方向观测值的影响，盘左、盘 右大小相等，符号相反，取中数可消除其影响 当竖直角接近零度时，即观测方向水平时，水平 轴倾斜误差对方向观测值没有影响 盘左盘右的读数差中，包含着2倍视准轴误差和2 倍水平轴倾斜误差的共同影响
外界条件引起的误差 仪器误差 观测误差
外界条件引起的误差
观测的理想条件：
1.目标的构像清晰、稳定 2.来自目标的光线是一条直线 3.仪器方位和各部件结构在观测过程中不发 生变化
事实上，由于实测时地理条件复杂，气候情 况也在变化，从而引起目标的构象、视线、 仪器方位和结构不能达到上述要求
双光楔光学测微器
由于测微尺和活动光楔固连在一起，从 而消除了测微器本身的机械传动误差， 所以在双光楔测微器中，不存在隙动差
常用的J1、J2级光学经纬仪
J1级光学经纬仪
我国使用普遍的是 瑞士威特厂生产的 Wild T3 T3一般水平度盘的 最小格值为4” 采用双平板玻璃光 学测微器的最小格 值为0.2”
经纬仪技术参数
技术项目 一测回水平 方向中误差 望远镜有效 孔径不小于 望远镜放大 倍数不小于 水准管 水平度盘 分划值 垂直度盘 主要用途
DJ1
1 60mm 30倍 6/2mm 10/2mm
经纬仪等级 DJ2 2 40mm 28倍
DJ6
6 40mm 26倍
20/2mm 30/2mm 20/2mm 30/2mm 二等平面控制 三、四等平面 图根控制测量 测量及精密 控制测量及 及 一般工程测量 一般工程测量 工程测量
外界条件引起的误差 一、大气层密度变化和大气透明度对目标 成像质量的影响
1.大气层密度变化影响目标成像的稳定性 如果大气层的密度均匀、平衡，目标成像稳 定；如果大气层密度变化剧烈，目标影像就 会上下左右跳动 一般在下午和晚上气流比较稳定，目标成像 也开始稳定，利于观测
外界条件引起的误差 2.大气透明度影响目标成像的清晰度
几何结构误差
视准轴误差 水平轴倾斜误差 垂直轴倾斜误差 三轴误差
机械结构误差
制造误差 校准误差 传动误差
几何结构误差
仪器误差绝大部分是可以校正和消 除的，这是和外界观测条件引起误 差的不同之处
测量规范中有关仪器操作的规定， 就是为了消除或减弱仪器误差而制 定的
几何结构误差
1.视准轴误差
实际照准方向与理想的照准方向有一个微小的 夹角δ ，称为微分折光 微分折光在铅垂面上的分量为大气垂直折光， 影响垂直角的观测精度；在水平面的分量，称 为大气水平折光，影响水平方向的观测精度 微分折光的垂直分量比较大，是微分折光的主 要部分
外界条件引起的误差
为了消弱水平折光差的影响：
1.选点时注意使视线保持足够的高度 2.使视线离开橹柱、横梁10厘米以上 3.水平折光差大时，应缩短边长 4.选择合理的时间进行观测
自行消除了由于照准部或度盘旋 转中心偏离度盘刻度中心所产生 的偏心差对方向观测值的影响
光学测微器 目前精密光学经纬仪中采用的主要有
双平板玻璃光学测微器 双光楔光学测微器
双平板玻璃光学测微器
隙动差
旋进和旋出时测微轮使度盘对径分划重合时， 测微器将出现不同的读数,该误差称为隙动 差 隙动差是由于凹槽宽度和球状头的直径不能 完全吻合所引起的一种机械传动误差 为了减小隙动差，《规范》规定，在用测微轮 读数时，最后旋转方向应为“旋进”
目标成像是否清晰，主要决定于大气的透明度， 也就是取决于大气中对光线起发散作用的物质的 多少 视线愈接近地面，成像质量愈差。而视线愈高， 成像质量愈好 下午三点以后常常是大气透明度良好的有利观测 时间 山区或者丘陵地区的观测条件，比平原地区要好
外界条件引起的误差
二：水平折光差的影响
几何结构误差 3.垂直轴倾斜误差
由于垂直轴本身不竖直而偏离铅垂位置而造成的误 差称为垂直轴倾斜误差 产生原因：仪器整置不正确或轴与轴套结构不良 对方向观测值的影响规律： 垂直轴倾斜误差的方向和大小v，不随照准部的转 动而变化，因此盘左盘右观测值取中数不能消除垂 直轴倾斜误差对方向观测值的影响。所以在观测中， 应特别注意使垂直轴处于铅垂位置，水准管气泡中 心偏移不应超过一格，否则应在测回之间重新安置 仪器
几何结构误差
垂直轴倾斜误差对方向观测值的影响，随观 测目标的垂直角和方位的不同而变化，因而 各方向的误差并不相等，在组成角度时不能 相互消除。规范规定，当照准点的垂直角大 于3度时，各测回间应重新安置仪器，使水 准气泡处于居中位置
了解垂直轴倾斜改正数的计算公式
机械传动误差 机械传动误差是在观测过程中操作仪器 所产生的误差
视准轴不垂直于水平轴而产生的误差，记为c 视准轴误差c对方向观测值的影响规律： 视准轴误差c对方向观测值的影响，盘左、盘右 大小相等，符号相反，取中数可消除其影响；这 个结论只有c值在同一测回 视准轴误差c对观测方向值的影响随着目标垂直 角的增大而增加，当竖直角接近零度时，即观测 方向水平时，有：L-R=2c，即同一测回中，同 一目标盘左与盘右读数之差为2倍视准轴误差
精密测角的一般原则 3.每半测回开始观测前，照准部应向将 要旋转的方向先转1—2周；在半测回观 测过程中，照准部不得有相反方向转动， 这样可以削弱照准部对度盘的带动误差 和脚螺旋空隙带动误差的影响
4.测微螺旋、水平微动螺旋的最后操作 应为“旋进”，这样可以削弱测微器、 微动螺旋的隙动误差
精密测角的一般原则 5.各测回的起始方向应均匀分配在度盘和 测微器的各个位置上，这样可以削弱水平 度盘分划的长周期误差和短周期误差，以 及测微尺的分划误差 6.观测前要认真调焦，消除视差，在一测 回中不得改变望远镜的焦距，以免由于视 准轴的变动而引起视准轴误差的变化
实践表明，影响仪器稳定性的情况随时间逐渐 变化且具有周期性 减弱该项误差影响的措施： 观测时使上、下半个测回的照准目标次序相反， 并保持一个方向操作的均匀性 使一个测回各方向的操作次序在时间上呈对称 排列 取上、下两个半测回的中数作为方向值 观测时应该给仪器撑伞，气温骤变时不要观测
仪器误差
在外业观测时，要防止太阳照射仪器， 防止手指触摸水准管，要给仪器打伞
轴系
照准部：望远镜、读数设备、水准器以及垂 直度盘等，是水平方向观测时的运转部分 照准部旋转轴的轴心、度盘刻度中心、度盘 轴套旋转的轴心，3个中心应一致 照准部偏心差：照准部旋转轴产生的置中偏 差 度盘偏心差：度盘轴套旋转轴所产生的置中 偏差 定向误差：照准部相对于正确的旋转轴线位 置产生的偏差
对径重合读数法 2.读十位分数，将正倒像相应的分划线间 所夹的格数乘以度盘分划的一半（J2为10 分），就是十位分数 T3读分，将正倒像相应的分划线间所夹 的格数乘以度盘分划的一半（T3为2分）
3.在测微器（盘）读取个位的分数及秒数 T3，将测微盘上两次读数相加
对径重合读数法
优点
在读数窗中一次能读得度盘对径 的两个读数的中值
望远镜 由物镜和调焦镜组成的物镜组、十字丝 分划板和目镜3部分组成 视准轴：等效物镜的光心与十字丝中心 的连线 视准轴误差：调焦镜在运行过程中偏离 光轴所带来的水平或竖直方向的误差 望远镜中十字丝分划板是观测时用以精 确瞄准目标的，所以使用十字丝分划板 时，应考虑目标的型式和种类
望远镜 在调焦时，要使目标的像恰好成在十字 丝分化板平面上 视差：如果目标象没有落在十字丝面上， 则当观测员的眼睛上下左右移动时，会 感到目标象与十字丝之间有相对错动。 这种现象称为视差。 视差影响瞄准的精度 通过物镜调焦可以消除视差
180 各测回间度盘变换值为 m m为测回数，为度盘格值的一半 180 变换 是为了将m个测回均匀分布 m 在度盘全周上，减弱长周期误差的影响； 变换是为了减弱短周期误差的影响
读数设备 光学测微器
双平板玻璃光学测微器 双光楔光学测微器
读数显微镜
目的是为了增大最小格值相对于眼睛的视角
角度测量
内容
水平角测量 垂直角（竖直角）测量
仪器
光学经纬仪 电子经纬仪 电子全站仪
精密光学经纬仪 根据精度等级，光学经纬仪一般分为DJ1、 DJ2、DJ6几个等级
D：大地测量 J：经纬仪 下标：仪器实验室内检定时一个测回水平方 向观测中误差
DJ1、DJ2为精密经纬仪 DJ6为普通经纬仪