倾角传感器的制造方法
【专利说明】倾角传感器
[0001] 本发明设及一种用于确定对象相对于基准坐标系的基准矢量的倾角的倾角传感 器和方法，其尤其用于与测绘标杆（survey pole)和大地测绘装置一起使用。
[0002] 用于大地测量或工业测量的许多装置和仪器包括用于使得能够与重力方向对准 或相对于重力方向取向的倾斜检测器。
[0003] 现有技术中已知有许多不同类型的倾斜检测器。例如，一些倾斜检测器利用摆键 来工作，所述摆键被机械或电磁支撑，通过电子、电感、电容或光学手段来检测其位置。微电 子机械系统（MEM巧通常使用弹黃-质量系统，所述弹黃-质量系统根据位置检测小测试质 量的位移。其它倾斜检测器基于液体，并且使用光线在液面上的反射或折射、取决于液体位 置的电阻测量或电容测量，来确定倾斜角度。
[0004] 由于地球既不是完美球体，也不具有完全均匀的组成，也并非在空间中静止的，所 W地球上的点的重力矢量的方向几乎无处精确地相交于地球的中屯、。另外，点之间重力加 速度不同。
[0005] 在地球的表面处，平均重力加速度为大约9. 81m/s2。该是平均值，因为地球的形 状不是球形，而更像回转的楠球体，使得与赤道相比两极更靠近地球的中屯、。此外，地球旋 转，使得地球表面的点越靠近赤道，局部重力由于离屯、力而越低；在地球的两极处，该种效 应完全消失。总之，作为该两种效应的结果，在地球的表面上，两极处的重力比赤道处大了 约0. 5%。因此，在两极处重力加速度为9. 832m/s2,在赤道处为9. 745m/s2。
[0006] 另外，地壳的不均匀组成导致地球表面上的重力的方向和量的不均匀分布。例如， 特别高密度的大质量（例如，山或地下的大型矿床附近）可导致局部重力异常。地球上的 点的局部重力场的方向由于该些局部重力异常而偏移了多少的度量是"垂直偏转"。该是局 部重力矢量（即，实际铅垂线）与基准矢量（即，垂直于基准楠球体的表面（例如，被选为 近似于地球的海平面）的线）之间的局部差异。
[0007] 为了相对于基准坐标系（例如，所提及的基准楠球体）测量地球表面上的点的大 地测量目的，特别是如果需要高精度，则垂直偏转可导致严重的问题，因为大地测量装置的 倾斜检测器仅检测局部铅键方向（即，局部重力矢量的方向），而非参照基准坐标系的矢量 的方向。
[000引例如，需要在待测量的点上放置大地测绘标杆，使得反射部分在该点上方居中。用 户使用气泡式水准仪在待测绘的点上的垂直位置上固定测绘标杆，使得回射器在待测绘的 点正上方。除非标杆相对于地面完全垂直，否则反射器的水平位置与地面上的关注位置相 比将移位。
[0009] 通常，还通过局部重力矢量的测量观察标杆的俯仰和横滚，从而引起加速度计上 的加速度测量。
[0010] 例如，文献US 2009/0024325A1和US 5, 929, 807中公开了一种与大地测绘装置 (例如，全站仪）一起使用并且包括倾斜检测器和位置检测装置（例如，GNSS天线）的大地 测绘标杆。
[0011] 通过在装置的设置过程中输入局部重力方向和/或加速度的已知值，可至少部分 地补偿垂直偏转影响。然后，装置的补偿软件可通过基于输入的重力值或垂直偏转数据计 算校正的倾角值来自动补偿不期望的影响。然而，对于该种解决方案，当前位置的重力值或 垂直偏转数据对于用户而言必须为已知的，或者至少在测量时对于用户而言可用。另外，该 种方法将相当耗时，并且通过输入误差，成为测量误差的一致来源。在更简单的解决方案 中，可仅输入（近似）绅度，然而因此完全忽略了局部异常的影响。
[0012] 因此，本发明的目的是提供一种用于快速、可靠且精确地确定对象相对于基准坐 标系的基准矢量的倾角的倾角传感器和方法。
[0013] 一个具体目的是提供该种倾角传感器和该种方法，其与测绘设备或系统一起使 用，尤其是与测绘标杆和/或大地测绘装置（例如，全站仪或经绅仪）一起使用。
[0014] 本发明的另一目的是提供一种使得用户能够方便地确定点相对于基准坐标系的 坐标的测绘系统。
[0015] 该些目的中的至少一个通过根据权利要求1所述的倾角传感器、权利要求5所述 的测绘系统、权利要求9所述的方法和/或本发明的从属权利要求来实现。
[0016] 根据本发明，一种倾角传感器包括倾斜检测器、用于确定该倾斜检测器在地球表 面上的实际位置的定位装置W及具有用于提供数据的装置和计算装置的计算单元。所述用 于提供数据的装置优选地包括存储装置，该存储装置适于存储局部和/或区域垂直偏转数 据，即，关于地球表面上的特定点和/或区域的重力加速度和/或重力矢量的方向的数据。 所述计算装置适于基于垂直偏转数据和重力矢量数据计算基准矢量数据。从所述基准矢量 数据，可导出对象相对于基准矢量的倾角。基于所述基准矢量数据，例如，相对于基准矢量 数据的倾角可被显示给用户，可确定测量点的坐标，或者装置可相对于基准平面调平。
[0017] 确定倾斜检测器在地球表面上的实际位置不需要具有大地测量精度。对于大多数 应用，W几米或W上的精度确定"粗略"位置就足够了。优选地，由倾角传感器的定位装置 确定的实际位置至少具有小于50米，尤其小于20米的50 %圆概率误差（CE巧，对于充分考 虑局部异常而言足够精确。
[0018] 在本发明的优选实施方式中，定位装置是全球导航卫星系统（GNS巧接收器，例如 LeicaViva" GNSS GS 12接收器。目前使用的最常见卫星定位系统是全球定位系统佑P巧， 但是其它卫星定位系统也在使用或在开发中。一些模拟卫星系统的地面系统也正在开发。 另外地或另选地，定位装置适于通过诸如无线局域网（WLAN)连接或移动电话连接的无线 电信网络来确定位置。另外地或另选地，定位装置可W是用于确定倾斜检测器相对于基准 坐标系的位置的参照全站仪。
[0019] 在另一优选实施方式中，计算单元的用于提供数据的装置包括通信装置，尤其是 调制解调器，W用于使得能够与远程公共服务器或访问受限的服务器所提供的外部存储装 置的数据业务。因此，局部和/或区域垂直偏转数据可从服务器下载或被上传至服务器。
[0020] 优选地，计算单元包括选择算法W用于针对确定的各个位置从可用数据集合选择 最适合的局部或区域垂直偏转数据。有利地，所述选择算法还适于从两条或更多条位置相 关垂直偏转数据计算平均值。例如，如果没有实际位置可用的数据，但是存在附近=个相似 远点可用的数据，则可从可用垂直偏转数据的空间分布来计算或估计实际位置处的垂直偏 转。
[0021] 在优选实施方式中，倾角传感器另外包括校准功能。例如，该校准功能用作利用不 同角位置的测量值或者通过与外部标准进行比较的自校准。优选地，校准值（与位置链接） 可被存储在计算单元的存储装置中。因此，使得用户能够向现有数据库增加位置相关垂直 偏转数据或者创建自己的数据库。如果使用外部比较标准，则还可补偿与装置有关的误差。
[0022] 优选地，倾角传感器包括用于确定、存储和上传局部垂直偏转数据W便同一装置、 相同装置或者甚至不同装置稍后使用的装置。
[0023] 在优选实施方式中，倾角传感器适于自动决定对于实际测绘目的所期望的精度而 言，可用位置相关垂直偏转数据是否足够精确。如果没有足够的数据可用，则可向用户发出 警告，例如告知用户开始校准程序或者建立与远程服务器的连接。另选地，可完全自动地建 立与远程服务器的连接W下载足够的数据，只有没有可建立的连接或者服务器上没有足够 的数据可用时，才发出警告。
[0024] 倾斜检测器可W是任何类型的，其输出可被电子计算装置处理和解释的电子信号 (局部重力矢量数据）；例如，倾斜检测器可W是液面传感器、气泡传感器或MEMS传感器。
[0025] 除了已经提及的用在大地测量设备和应用中W外，根据本发明的倾角传感器还可 W用在将W基准楠球体为参照并且期望高精度的各种各样不同的装置中。例如，该些装置 可W是自调平激光测量装置，例如精确点激光和线激光、等级激光（grade laser)或管激光 (pipe laser)。另外，与激光跟踪仪一起使用的手持探针或机器控制传感器可配备有根据 本发明的倾角传感器。该些装置的示例是来自LeicaGcosystcmsi'的T-Mac?、T-Probc";巧 T-Sca