CN104848833B - 一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，建立电子经纬仪、棱镜和激光跟踪仪各自的坐标系，将棱镜坐标系引入到激光跟踪仪的坐标系内，进而建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系。本发明给出了一种将棱镜坐标系引入到激光跟踪仪坐标系的方法，并进一步建立起经纬仪和激光跟踪仪坐标系的变换关系，实现联合测量；本发明简单易实现，效率高，有着广泛的应用前景。

Description

一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法

技术领域

本发明属于非接触式测量技术领域，具体地来说，本发明涉及一种利用棱镜和靶球建立电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法。

背景技术

在飞机、火箭、卫星等航空航天类产品的装配过程中，通常需要完成大量且复杂的测量工作。目前，以电子经纬仪和激光跟踪仪为代表的非接触式测量手段得到了越来越多的应用。电子经纬仪基于前方交会的原理，具有极高的角度测量精度。激光跟踪仪则是利用激光测距技术，对空间目标进行实时跟踪和测量。

在使用经纬仪完成航空航天产品的装配精度测量中，棱镜是一种经常使用的辅助工具。其一般采用石英晶体或金属制作，表面镀有反射膜，制造精度高，相邻两个面垂直度约1″～3″，通过被用作参考坐标基准，也可固定于某部件，用作定向和定位测量的辅助测量基准。

靶球是激光跟踪仪测量过程中经常使用的关键零件，具有极高的制造精度。其采用三个正交的平面镜作为逆反镜组，可以将入射光平行射出，通过调整激光束使入射光和出射光重合，即光线通过三个反射镜的交点，也就是靶球的中心，再根据激光测距的方法即可得到靶球中心的位置。

目前，基于棱镜坐标系的经纬仪测量和基于激光测距的激光跟踪仪测量虽能解决一定的工程问题，但在某些特定条件下，如空间结构复杂、测量项目多的航天器产品测量，单一的测量方法独立工作时仍有一定的局限性，因此有必要寻求一种方法，以将电子经纬仪和激光跟踪仪测量坐标系建立关系进而组成联合测量系统。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明所要解决的技术问题是将棱镜坐标系转移到激光跟踪仪坐标系内，提供了一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，建立电子经纬仪、棱镜和激光跟踪仪各自的坐标系，将棱镜坐标系引入到激光跟踪仪的坐标系内，进而建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系。

优选地，具体包括以下几个步骤：

步骤1：分别定义棱镜和电子经纬仪的本体坐标系；

步骤2：调整激光跟踪仪测量基准为大地水平，并定义激光跟踪仪的坐标系；

步骤3：使用电子经纬仪对棱镜镜面进行准直计算；

步骤4：利用电子经纬仪调整激光跟踪仪靶球至过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面内；

步骤5：使用激光跟踪仪解算步骤4中得到的激光跟踪仪靶球的方位；

步骤6：使用激光跟踪仪将激光跟踪仪靶球方位投影到水平面上，拟合成直线后计算直线的方向向量，并引入到激光跟踪仪坐标系内，建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系。

优选地，所述步骤4中，过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面为电子经纬仪的俯仰平面。

优选地，所述步骤1中：

定义棱镜坐标系的方法为：按右手法则，定义棱镜相邻三个垂直面的法线方向分别为+X、+Y、+Z轴，然后进行正交化修正；

定义电子经纬仪坐标系的方法为：定义电子经纬仪竖直方向为+Z轴，电子经纬仪当前视准轴在水平面内的投影方向为+X轴，+Y轴由右手法则确定。

优选地，所述步骤2中，将激光跟踪仪Z轴调整至垂直于大地水平，其余轴通过激光跟踪仪本身定义。

优选地，所述步骤3中，当电子经纬仪准直棱镜镜面后，镜面法向矢量表示为

v_A＝[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]

其中，v_A为镜面法向矢量在电子经纬仪坐标系A(+X、+Y、+Z)中的表示，σ为电子经纬仪俯仰角的角度。

优选地，所述步骤4中，采用电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜中的像，保证电子经纬仪的光管方向通过激光跟踪仪靶球中心，此时激光跟踪仪靶球中心位于电子经纬仪过棱镜镜面法向且垂直于大地水平的竖直平面内。

优选地，调整电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜组中成像的方法为，对电子经纬仪的坐标进行变换，即，将电子经纬仪由坐标系A(+X、+Y、+Z)转过一定角度θ后产生新坐标系B(+X′、+Y′、+Z′)，两坐标系之间的变换关系如下：

其中，表示坐标系B到坐标系A的变换。

优选地，所述步骤5中，激光跟踪仪靶球方位即激光跟踪仪靶球中心在激光跟踪仪自身绝对坐标系中的位置。

优选地，所述步骤6具体为，通过激光跟踪仪求得步骤4中得到的激光跟踪仪靶球中心在大地水平面内的投影点，多个投影点拟合成一条直线L；直线L的方向向量v_n与电子经纬仪当前视准轴在水平面内的投影平行；直线L的方向向量v_n与棱镜镜面法向矢量v_A具有如下转换关系：

v_n＝v_A sinθ＝sinθ[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]。

本发明提供的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，根据电子经纬仪的测量原理，构建电子经纬仪的测量坐标系，并对棱镜镜面进行准直后，通过观察、调整电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜组中的像，将激光跟踪仪靶球中心调整至电子经纬仪的俯仰面(即过棱镜镜面法向且垂直于大地水平的平面)内，然后通过激光跟踪仪测出激光跟踪仪靶球在空间的具体位置，进一步解算出激光跟踪仪靶球中心在大地水平面内的投影点。通过计算若干投影点所拟合的直线方向向量，即可建立起经纬仪坐标系和激光跟踪仪坐标系之间的转换关系。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明给出了一种将棱镜坐标系引入到激光跟踪仪坐标系的方法，并进一步建立起经纬仪和激光跟踪仪坐标系的变换关系，实现联合测量；

2、本发明简单易实现，效率高，有着广泛的应用前景。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为棱镜坐标系定义示意图；

图2为电子经纬仪坐标系定义示意图；

图3为激光跟踪仪坐标系定义示意图；

图4为单台电子经纬仪坐标变换示意图；

图5为电子经纬仪准直立方镜示意图；

图6为电子经纬仪瞄准靶球过程示意图；

图7为激光跟踪仪测量靶球过程示意图；

图8为电子经纬仪坐标系与激光跟踪仪坐标系变换关系示意图；

图中：1为电子经纬仪，2为棱镜，3为激光跟踪仪，4为激光跟踪仪靶球。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本实施例提供了一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，建立电子经纬仪、棱镜和激光跟踪仪各自的坐标系，将棱镜坐标系引入到激光跟踪仪的坐标系内，进而建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系。

进一步地，具体包括以下几个步骤：

步骤1：分别定义棱镜和电子经纬仪的本体坐标系；

步骤2：调整激光跟踪仪测量基准为大地水平，并定义激光跟踪仪的坐标系；

步骤3：使用电子经纬仪对棱镜镜面进行准直计算；

步骤4：利用电子经纬仪调整激光跟踪仪靶球至过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面内；

步骤5：使用激光跟踪仪解算步骤4中得到的激光跟踪仪靶球的方位；

步骤6：使用激光跟踪仪将激光跟踪仪靶球方位投影到水平面上，拟合成直线后计算直线的方向向量，并引入到激光跟踪仪坐标系内，建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系。

进一步地，所述步骤4中，过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面为电子经纬仪的俯仰平面。

进一步地，所述步骤1中：

定义棱镜坐标系的方法为：按右手法则，定义棱镜相邻三个垂直面的法线方向分别为+X、+Y、+Z轴，然后进行正交化修正；

定义电子经纬仪坐标系的方法为：定义电子经纬仪竖直方向为+Z轴，电子经纬仪当前视准轴在水平面内的投影方向为+X轴，+Y轴由右手法则确定。

进一步地，所述步骤2中，将激光跟踪仪Z轴调整至垂直于大地水平，其余轴通过激光跟踪仪本身定义。

进一步地，所述步骤3中，当电子经纬仪准直棱镜镜面后，镜面法向矢量表示为

v_A＝[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]

其中，v_A为镜面法向矢量在电子经纬仪坐标系A(+X、+Y、+Z)中的表示，σ为电子经纬仪俯仰角的角度。

进一步地，所述步骤4中，采用电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜中的像，保证电子经纬仪的光管方向通过激光跟踪仪靶球中心，此时激光跟踪仪靶球中心位于电子经纬仪过棱镜镜面法向且垂直于大地水平的竖直平面内。

进一步地，调整电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜组中成像的方法为，对电子经纬仪的坐标进行变换，即，将电子经纬仪由坐标系A(+X、+Y、+Z)转过一定角度θ后产生新坐标系B(+X′、+Y′、+Z′)，两坐标系之间的变换关系如下：

其中，表示坐标系B到坐标系A的变换。

进一步地，所述步骤5中，激光跟踪仪靶球方位即激光跟踪仪靶球中心在激光跟踪仪自身绝对坐标系中的位置。

进一步地，所述步骤6具体为，通过激光跟踪仪求得步骤4中得到的激光跟踪仪靶球中心在大地水平面内的投影点，多个投影点拟合成一条直线L；直线L的方向向量v_n与电子经纬仪当前视准轴在水平面内的投影平行；直线L的方向向量v_n与棱镜镜面法向矢量v_A具有如下转换关系：

v_n＝v_A sinθ＝sinθ[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]。

下面结合附图对本实施例进一步描述。

如图1所示，按右手法则，定义棱镜相邻三个垂直面的法线方向分别为+X、+Y、+Z轴，按一定的规则进行正交化修正。

如图2所示，电子经纬仪是基于大地水平测量的仪器，测量时，定义其竖直方向为+Z轴，当前视准轴在水平面内的投影方向为+X轴，+Y轴由右手法则确定。

如图3所示，采用一定的调整方法(如机械调平+电子调平等)，将激光跟踪仪Z轴调整至垂直于大地水平，其余轴由设备本身定义。

如图4所示，为单台电子经纬仪坐标系的变换关系，当经纬仪由坐标系A(+X、+Y、+Z)转过一定角度θ后产生新坐标系B(+X′、+Y′、+Z′)，两坐标系之间有如下变换关系：

其中，表示坐标系B到坐标系A的变换。

如图5所示，经纬仪准直棱镜时，镜面法向矢量在经纬仪坐标系中的表示。当经纬仪准直棱镜镜面后，镜面法向矢量可表示为

v_A＝[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]

其中，v_A为镜面法向矢量在坐标系A中的表示，σ为经纬仪俯仰角的度数，即视准轴与竖直方向的夹角。

如图6所示，调整靶球位置，采用电子经纬仪瞄准靶标在靶球逆反镜中的像，即保证经纬仪光管方向通过靶球中心，此时靶球中心位于经纬仪俯仰面(即过棱镜镜面法向且垂直于大地水平的平面)内。

如图7所示，使用激光跟踪仪求得靶球中心在激光跟踪仪自身绝对坐标系中的位置并记录。

如图8所示，使用激光跟踪仪测量软件求得上述靶球中心在大地水平面内的投影点，若干投影点可拟合成一条直线。根据上述坐标系建立过程可知，该直线的方向向量v_n与经纬仪当前视准轴在水平面内的投影，即X方向平行。其与棱镜镜面法向有如下转换关系：

v_n＝v_A sinθ＝sinθ[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]

本实施例提供的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，可用于电子经纬仪和激光跟踪仪的联合测量。在本实施例中：使用经纬仪调整若干激光跟踪仪靶球至过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面内；使用激光跟踪仪解算上述若干靶球方位；使用激光跟踪仪将上述靶球位置投影到水平面，解算棱镜镜面方向并引入激光跟踪仪坐标系内；进而实现电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系的建立。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，建立电子经纬仪、棱镜和激光跟踪仪各自的坐标系，将棱镜坐标系引入到激光跟踪仪的坐标系内，进而建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系；

具体包括以下几个步骤：

步骤1：分别定义棱镜和电子经纬仪的本体坐标系；

步骤2：调整激光跟踪仪测量基准为大地水平，并定义激光跟踪仪的坐标系；

步骤3：使用电子经纬仪对棱镜镜面进行准直计算；

步骤4：利用电子经纬仪调整激光跟踪仪靶球至过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面内；

步骤5：使用激光跟踪仪解算步骤4中得到的激光跟踪仪靶球的方位；

步骤6：使用激光跟踪仪将激光跟踪仪靶球方位投影到水平面上，拟合成直线后计算直线的方向向量，并引入到激光跟踪仪坐标系内，建立电子经纬仪和激光跟踪仪坐标系之间的变换关系。

2.根据权利要求1所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤4中，过棱镜镜面法向且与大地水平面垂直的竖直面为电子经纬仪的俯仰平面。

3.根据权利要求1所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤1中：

定义棱镜坐标系的方法为：按右手法则，定义棱镜相邻三个垂直面的法线方向分别为+X、+Y、+Z轴，然后进行正交化修正；

定义电子经纬仪坐标系的方法为：定义电子经纬仪竖直方向为+Z轴，电子经纬仪当前视准轴在水平面内的投影方向为+X轴，+Y轴由右手法则确定。

4.根据权利要求1所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤2中，将激光跟踪仪Z轴调整至垂直于大地水平，其余轴通过激光跟踪仪本身定义。

5.根据权利要求1所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤3中，当电子经纬仪准直棱镜镜面后，镜面法向矢量表示为

v_A＝[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]

其中，v_A为镜面法向矢量在电子经纬仪坐标系A(+X、+Y、+Z)中的表示，σ为电子经纬仪俯仰角的角度。

6.根据权利要求1或5所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤4中，采用电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜中的像，保证电子经纬仪的光管方向通过激光跟踪仪靶球中心，此时激光跟踪仪靶球中心位于电子经纬仪过棱镜镜面法向且垂直于大地水平的竖直平面内。

7.根据权利要求6所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，调整电子经纬仪瞄准靶标在激光跟踪仪靶球逆反镜组中成像的方法为，对电子经纬仪的坐标进行变换，即，将电子经纬仪由坐标系A(+X、+Y、+Z)转过一定角度θ后产生新坐标系B(+X′、+Y′、+Z′)，两坐标系之间的变换关系如下：

$T_B^A=f\left(\mathrm{\θ}\right)=\left[\begin{array}{ccc}cos\mathrm{\θ}& -sin\mathrm{\θ}& 0\\ sin\mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right]$

其中，表示坐标系B到坐标系A的变换。

8.根据权利要求6所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤5中，激光跟踪仪靶球方位即激光跟踪仪靶球中心在激光跟踪仪自身绝对坐标系中的位置。

9.根据权利要求7所述的电子经纬仪和激光跟踪仪联合测量系统的建立方法，其特征在于，所述步骤6具体为，通过激光跟踪仪求得步骤4中得到的激光跟踪仪靶球中心在大地水平面内的投影点，多个投影点拟合成一条直线L；直线L的方向向量v_n与电子经纬仪当前视准轴在水平面内的投影平行；直线L的方向向量v_n与棱镜镜面法向矢量v_A具有如下转换关系：

v_n＝v_A sinθ＝sinθ[-sin(180-σ) 0 cos(180-σ)]。