地磁快速定向在天文測(cè)量自動(dòng)化中的應(yīng)用

　　摘要:通過(guò)自動(dòng)尋星進(jìn)行天文測(cè)量前需要概略定向。基于地磁定向高效、可靠的測(cè)量特點(diǎn)，提出在天文觀(guān)測(cè)前利用地磁測(cè)量快速獲得概略方位的方法。研究了地磁定向的使用條件，介紹了利用TCM￣XB三軸羅盤(pán)定向的基本原理，測(cè)試了磁傳感器的磁定向精度，進(jìn)行了磁傳感器與天文測(cè)量?jī)x器實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組合設(shè)計(jì)。基于地磁與經(jīng)緯儀的組合實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，在不同方向磁傳感器定向最大互差約為1°，其固定方向定向內(nèi)符合優(yōu)于0.1°，可以滿(mǎn)足基于視頻全站儀/經(jīng)緯儀的天文測(cè)量系統(tǒng)概略尋星要求。

　　關(guān)鍵詞:自動(dòng)尋星;概略定向;地磁測(cè)量;傳感器校正;平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　天文方向論文投稿刊物：《天文研究與技術(shù)》主要內(nèi)容：主要刊登天文學(xué)及相關(guān)學(xué)科的觀(guān)測(cè)研究、實(shí)測(cè)技術(shù)和方法、專(zhuān)題述評(píng)等方面的學(xué)術(shù)論文、以及有關(guān)天文新發(fā)現(xiàn)的研究快訊。讀者對(duì)象：1、從事天文學(xué)及相關(guān)學(xué)科研究和教學(xué)的科學(xué)研究人員、專(zhuān)業(yè)工作者。2、物理、數(shù)學(xué)、天文等專(zhuān)業(yè)大專(zhuān)院校師生及天文愛(ài)好者。獲獎(jiǎng)情況：1992年獲云南省第一屆科技期刊內(nèi)容質(zhì)量獎(jiǎng)、1996年獲云南省第二屆科技期刊編輯質(zhì)量獎(jiǎng).

　　定向通常是指確定空間兩點(diǎn)組成的幾何矢量在指定坐標(biāo)系的方向[1￣2]，概略定向是天文測(cè)量自動(dòng)尋星的前提。當(dāng)前，在北半球進(jìn)行天文觀(guān)測(cè)時(shí)，通過(guò)觀(guān)測(cè)北極星實(shí)現(xiàn)天文測(cè)量前概略定向[3]。中緯度地區(qū)觀(guān)測(cè)高度角相對(duì)適中，且北極星的亮度相對(duì)較高，易于觀(guān)測(cè)。然而，利用北極星概略定向有一定的局限。北半球高緯度地區(qū)北極星所在高度角較高，不利于天文定向觀(guān)測(cè);低緯度地區(qū)或南半球，北極星容易被障礙物遮擋或地平坐標(biāo)較低無(wú)法觀(guān)測(cè)[4￣6]。更重要的問(wèn)題是，該方法依賴(lài)人眼照準(zhǔn)，限制了系統(tǒng)整體自動(dòng)化水平。

　　利用地磁測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)快速定向，且不依賴(lài)于人眼觀(guān)測(cè)。地磁定向是確定儀器指向與磁北夾角的過(guò)程。其基本原理是通過(guò)磁傳感器獲得地磁場(chǎng)在傳感器軸上的感應(yīng)量，當(dāng)磁場(chǎng)方向與傳感器夾角不相同時(shí)，其在傳感器軸上的磁分量也不相同，由該特點(diǎn)便可以求得儀器任意姿態(tài)下的磁方位信息[7]。地磁場(chǎng)是地球的固有物理場(chǎng)，具有全天時(shí)、全天候和全地域的特點(diǎn)。利用地磁場(chǎng)確定方向有著悠久的歷史[8￣9]，可被用于航天器或者艦船的定向。依靠傳統(tǒng)羅盤(pán)進(jìn)行定向的精度不高，無(wú)法滿(mǎn)足高精度定向的測(cè)量精度需求。新型磁傳感器與測(cè)量技術(shù)的出現(xiàn)，使得高精度地磁定向已經(jīng)成為可能[10]。針對(duì)以上事實(shí)和需要，文中提出了基于地磁測(cè)量的無(wú)源自主定向方法。利用地磁測(cè)量簡(jiǎn)便、高效和性能可靠的特點(diǎn)[11￣12]，以TCM￣XB三軸羅盤(pán)和TM5100A經(jīng)緯儀為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，論述了磁定向在天文測(cè)量概略定向中應(yīng)用方法;通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)磁定向測(cè)角的穩(wěn)定性和精確性進(jìn)行了測(cè)試，分析了該方法概略定向的可行性。

　　1基本原理

　　1.1三軸羅盤(pán)定向原理

　　TCM￣XB模塊為傾角補(bǔ)償數(shù)字羅盤(pán)，能夠提供工業(yè)最高級(jí)別精度。在全范圍標(biāo)定下，傾斜小于65°時(shí)，方位角精度可以達(dá)到0.3°。目前，TCM是將三軸磁傳感、三軸傾斜傳感以及指南針結(jié)合的最小的模組。

　　1.2概略定向基本過(guò)程

　　將地磁定向應(yīng)用于天文測(cè)量需要獲得兩儀器相對(duì)方位關(guān)系。將磁羅盤(pán)固連在TM5100A經(jīng)緯儀上方，在某測(cè)站任意方向觀(guān)測(cè)，可得兩儀器的地平方位關(guān)系。

　　2地磁與天文組合實(shí)驗(yàn)

　　實(shí)驗(yàn)包括如下3個(gè)步驟。步驟1對(duì)磁方位角穩(wěn)定性進(jìn)行分析。實(shí)驗(yàn)裝置包括TCM￣XB三軸羅盤(pán)、便攜式計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)。將其靜止安放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上某測(cè)點(diǎn)，在無(wú)外部磁性物體干擾的情況下，將筆記本與磁羅盤(pán)連接并連續(xù)接收地磁數(shù)據(jù)。每10s測(cè)取1個(gè)磁方位角值，在測(cè)點(diǎn)連續(xù)接收24h地磁數(shù)據(jù)。根據(jù)磁方位角的變化特點(diǎn)，分析磁定向的穩(wěn)定性。步驟2然后是磁羅盤(pán)軸受經(jīng)緯儀軸影響進(jìn)行測(cè)試。由于某位置的磁場(chǎng)在周?chē)�存在磁性物體時(shí)會(huì)發(fā)生變化。對(duì)儀器進(jìn)行加裝時(shí)，為盡量保證設(shè)備整體的小型化和穩(wěn)定性，兩者固連的距離不易過(guò)遠(yuǎn)，因此經(jīng)緯儀的金屬部件會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾。

　　且經(jīng)緯儀工作狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生電流，進(jìn)而形成磁場(chǎng)。根據(jù)三軸磁羅盤(pán)與經(jīng)緯儀組合實(shí)現(xiàn)定向的相關(guān)原理，在進(jìn)行磁方位測(cè)量時(shí)，必須考慮兩者對(duì)測(cè)磁的影響。實(shí)驗(yàn)裝置在第1部分的基礎(chǔ)上加入TM5100A經(jīng)緯儀。實(shí)驗(yàn)具體過(guò)程如下:1)無(wú)干擾磁方位測(cè)量:磁羅盤(pán)周?chē)�不放置�?jīng)緯儀，打開(kāi)地磁測(cè)量軟件連續(xù)接收約30s的地磁數(shù)據(jù)并計(jì)算磁方位角，然后停止接收。2)有干擾磁方位測(cè)量:地磁數(shù)據(jù)接收過(guò)程同上，不同的是在接收數(shù)據(jù)的同時(shí)，將經(jīng)緯儀開(kāi)機(jī)，并分別在距離磁羅盤(pán)10、20、30、40、50以及60cm的周?chē)�移�?dòng)。步驟3對(duì)儀器安裝角度進(jìn)行標(biāo)定。

　　根據(jù)不同距離處經(jīng)緯儀對(duì)測(cè)磁影響情況，使用連接桿(非磁性)將磁傳感器固連在經(jīng)緯儀上方約61cm處，磁傳感器外接筆記本用于接收地磁數(shù)據(jù);再將經(jīng)緯儀安裝到三腳架上，完成測(cè)量設(shè)備的安裝。觀(guān)測(cè)方法如下:將儀器旋轉(zhuǎn)至任一方向?yàn)槠鹗迹�以�?jīng)緯儀水平度盤(pán)讀數(shù)10°為間隔，按照順時(shí)針?lè)较蛞来卧?°~360°的范圍內(nèi)連續(xù)接收地磁數(shù)據(jù)。每次接收數(shù)據(jù)時(shí)間為2min，記錄經(jīng)緯儀水平度盤(pán)讀數(shù)并計(jì)算磁方位角。

　　2.1靜態(tài)磁方位角穩(wěn)定性分析

　　分析磁羅盤(pán)測(cè)定磁方位角的穩(wěn)定性是利用地磁快速定向的重要一步。考慮磁場(chǎng)隨時(shí)間的輕微變化、傳感器精度等問(wèn)題，利用磁羅盤(pán)獲取的磁方位角是隨著時(shí)間變化的量。如果得到的結(jié)果隨時(shí)間變化的幅度較大，說(shuō)明其穩(wěn)定性較差。相應(yīng)地，需要花費(fèi)相對(duì)更多時(shí)間獲得更多的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，以便求得更可靠的結(jié)果。連續(xù)測(cè)量地磁數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果顯示，連續(xù)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)的均值為318.99°，標(biāo)準(zhǔn)差為0.08°，最大互差為0.5°，其中方位角變化范圍在318.8°~319.1°的觀(guān)測(cè)量占99.15%。由此可以看出，該三軸羅盤(pán)方位角測(cè)量有相對(duì)較好的內(nèi)符合精度。24h的觀(guān)測(cè)結(jié)果，其方位角在均值上下波動(dòng)，無(wú)明顯隨時(shí)間漂移情況;測(cè)角結(jié)果較為穩(wěn)定，能夠有效地保證連續(xù)定向結(jié)果的精確性。

　　2.2磁羅盤(pán)受經(jīng)緯儀影響測(cè)試

　　為了使磁羅盤(pán)工作受經(jīng)緯儀的影響達(dá)到最小，需要尋找兩者固連的最佳相對(duì)位置。對(duì)比無(wú)經(jīng)緯儀干擾和有經(jīng)緯儀在不同距離且任意方位下干擾時(shí)，磁方位角的變化情況。一方面，將經(jīng)緯儀在磁羅盤(pán)周?chē)�連續(xù)移動(dòng)一周，距離不同時(shí)，對(duì)測(cè)磁的影響不同。磁羅盤(pán)不受經(jīng)緯儀影響時(shí)，30s的磁方位觀(guān)測(cè)結(jié)果即可使標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.09°;在兩者相距10cm時(shí)，磁方位的互差最大可以達(dá)到5.5°，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到1.09°。隨著兩者距離的增加，磁方位的標(biāo)準(zhǔn)差和最大互差都逐漸減小，當(dāng)兩者相距60cm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到0.13°，最大互差達(dá)到0.6°。

　　另一方面，經(jīng)緯儀在磁羅盤(pán)一周不同距離下的任意方向連續(xù)移動(dòng)，在兩者相距60cm時(shí)，磁方位角波動(dòng)無(wú)顯著凸起。這說(shuō)明將三軸磁羅盤(pán)與經(jīng)緯儀固連在一定距離，且無(wú)需限制兩者相對(duì)方位關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)天文測(cè)2.3儀器安裝角度標(biāo)定在實(shí)際應(yīng)用中，概略方位的獲取可以在水平面任意方向由磁方位轉(zhuǎn)換到真方位，所以需要測(cè)試在不同方向上磁方位的準(zhǔn)確性。由于經(jīng)緯儀TM5100A測(cè)角精度為角秒級(jí)，磁羅盤(pán)定向精度為角分級(jí)，在任意方向上磁方位讀數(shù)和經(jīng)緯儀方位角讀數(shù)的差值變化主要來(lái)自于測(cè)磁的不準(zhǔn)確。

　　該差值的變化使得磁羅盤(pán)軸與望遠(yuǎn)鏡軸夾角的標(biāo)定出現(xiàn)誤差。如何有效地標(biāo)定該差值，是提高概略定向準(zhǔn)確度的重要內(nèi)容值得一提的是，在實(shí)際地磁概略定向過(guò)程中，即使因地磁定向的不準(zhǔn)確使任意磁方位處概略定向結(jié)果偏離準(zhǔn)確值的差值約為0.5°，對(duì)于1.5°視場(chǎng)角的徠卡經(jīng)緯儀/全站儀，仍可以保證天體出現(xiàn)在望遠(yuǎn)鏡視場(chǎng)中，進(jìn)而天文觀(guān)測(cè)。

　　3結(jié)論

　　以TCM￣XB三軸羅盤(pán)和TM5100A經(jīng)緯儀為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提出使用地磁實(shí)現(xiàn)快速定向代替?zhèn)鹘y(tǒng)北極星概略定向。根據(jù)TCM￣XB模塊的工作環(huán)境要求，研究了兩種測(cè)量?jī)x器組合實(shí)現(xiàn)快速定向的可行性;并給出了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方案和數(shù)據(jù)分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明以下4點(diǎn)結(jié)論。

　　1)TCM￣XB三軸羅盤(pán)進(jìn)行磁方位測(cè)量具有較高的穩(wěn)定性。靜態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)顯示，無(wú)磁性物體動(dòng)態(tài)干擾羅盤(pán)周?chē)�磁�?chǎng)時(shí)，其24h方位角輸出的標(biāo)準(zhǔn)差為0.08°。

　　2)TCM￣XB三軸羅盤(pán)與經(jīng)緯儀/全站儀平臺(tái)結(jié)合完成磁定向具有較高的可行性。在磁羅盤(pán)固定于試驗(yàn)臺(tái)情況下，經(jīng)緯儀距離其在約60cm時(shí)，磁方位測(cè)量基本不受經(jīng)緯儀影響。

　　3)TCM￣XB三軸羅盤(pán)磁定向準(zhǔn)確性可以滿(mǎn)足天文測(cè)量概略尋星要求。磁模塊定向在一周各方向上的定向結(jié)果最大互差約為1°，對(duì)于視場(chǎng)角為1.5°的經(jīng)緯儀/全站儀，可以滿(mǎn)足在地磁概略定向下，自動(dòng)尋星使天體出現(xiàn)在視場(chǎng)中。

　　4)地磁快速定向應(yīng)用于天文測(cè)量前概略定向可以進(jìn)一步提高測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化能力。其代替人眼照準(zhǔn)北極星定向，可以減少測(cè)量過(guò)程中對(duì)作業(yè)員的依賴(lài)性。值得說(shuō)明的是，基于視頻全站儀實(shí)現(xiàn)的天文觀(guān)測(cè)，無(wú)需人眼對(duì)待測(cè)恒星進(jìn)行連續(xù)跟蹤測(cè)量，極大提高了小型化天文測(cè)量的自動(dòng)化水平。然而，利用視頻測(cè)量技術(shù)自動(dòng)跟星拍照的前提是人眼觀(guān)測(cè)北極星概略定向，若將地磁定向技術(shù)應(yīng)用到天文測(cè)量系統(tǒng)，其自動(dòng)化水平將進(jìn)一步提高。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1]許其鳳，叢佃偉，董明.主要定向技術(shù)比較與GNSS快速定位定向儀研制進(jìn)展[J].測(cè)繪科學(xué)技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，30(4):349￣352;408.XUQF，CONGDW，DONGM.ComparisonamongthemainorientationtechnologiesandtheresearchprogressofGNSSpapidpositioningandorientationdevice[J].JournalofGeo￣maticsScienceandTechnology，2013，30(4):349￣352;408.

　　[2]蒲俊宇，鄭勇，李崇輝，等.超大視場(chǎng)測(cè)月天文定向方法[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2018，47(4):435￣445.PUJY，ZHENGY，LICH，etal.Astronomicalorientationmethodbasedonlunarobservationsutilizingsuperwidefieldofview[J].ActaGeodaeticaetCartographicaSinica，2018，47(4):435￣445.

　　[3]張超.基于電子經(jīng)緯儀的天文測(cè)量系統(tǒng)及應(yīng)用研究[D].鄭州:信息工程大學(xué)，2009:45￣46.

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