专利名称：双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法
技术领域：
本发明方法属于天文学检测技术领域，特别涉及经纬仪水平轴轴端偏摆的检测方法。
背景技术：
轴系由于轴承跳动的存在，会使轴线产生微量的轴线摆动。在通常的机械机构中，一般采用轴系预紧的办法消除轴承间隙以及减小轴承跳动，从而减小轴线的摆动量。在天体测量仪器中，轴线的摆动会产生仪器的测量误差。随着天体测量仪器测量精度的不断提高，使得通常的消轴隙方法不能满足要求。因此低纬子午环采用了轴准直方法测量高度轴的轴线摆动。但是这一方法需要使用轴准直系统，结构比较复杂，而且数据处 理周期较长。
发明内容
为解决现有技术中采用轴准直方法测量经纬仪、子午仪等设备的高度轴的轴线摆动，存在测量仪器结构复杂、数据处理周期长的问题，本发明提供一种双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法，其技术方案如下双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法，包括以下顺序步骤步骤I，安装检测装置在经纬仪的高度轴的两端，分别设置一号码盘和二号码盘，所述一号码盘和二号码盘均为角度编码器；在相应于一号码盘的叉臂上设置两对呈对径正交分布的读数头，按顺时针排列分别为读数头Ap Cp D1，其中读数头A1位于竖直方向的顶部，相邻两读数头之间的夹角为90 °，读数头A1、C1呈对径设置，读数头B1、D1呈对径设置，读数头A1、C1的连线与读数头B1、D1的连线呈正交；在相应于二号码盘的叉臂上设置两对呈对径正交分布的读数头，按顺时针排列分别为读数头A2、B2, C2、D2，其中读数头A2位于竖直方向的顶部，相邻两读数头之间的夹角为90°，读数头A2X2呈对径设置，读数头B2、D2呈对径设置，读数头A2X2的连线与读数头B2、D2的连线呈正交；步骤2，采集望远镜指向各预设天顶距i时，各对径读数头的读数之差，建立各预设天顶距i与各对径读数头的读数之差的回归模型，包括以下步骤步骤2. I :将经纬仪的方位码盘旋转至0°，使高度轴沿东西方向设置，使一号码盘位于高度轴的西端，二号码盘位于高度轴的东端；步骤2.2 :沿子午方向按相同的转角步距旋转高度轴，使望远镜分别指向若干个间距相同的预设天顶距，采集望远镜指向每一个预设天顶距i时，读数头仏、^的读数之差(ArC1)i，读数头Bi、D1的读数之差(BrD1)i，读数头A2、C2的读数之差(A2-C2)i，读数头B2、D2的读数之差(B2-D2)i ；
步骤2. 3 :将所有预设天顶距i和(A1-C1) i代入下述公式I中公式I (A1-C1) J= Δ A01+2rcllsin (acll+i) +Vi ；上式中的Vi是随机误差，用最小二乘法从上式中解算出参数AAQ1、rcll和acll，其中，AAtll代表对径读数头Ap C1的读数之差的零点偏差；步骤2. 4 :将所有预设天顶距i和(B1-D1) i代入下述公式2中公式2 : (B1-D1)尸 Δ B。JSrci2Sin (acl2+i+90。Hvi;上式中的Vi是随机误差，用最小二乘法从上式中解算出参数rcl2和acl2，其中，Λ Btll代表对径读数头D1的读数之差的零点偏差；取!^=^·^+!·^)/2，式中的1^代表一号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的幅值； 取aa=(acll+aa2)/2，式中的aa代表一号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的初位相；步骤2. 5 :将所有预设天顶距i和(A2-C2) i代入下述公式3中公式3 (A2-C2) J= Δ A02+2rC21sin (aC21+i) +Vi ；上式中的Vi是随机误差，用最小二乘法从上式中解算出参数AAc^ rC21和aC21，其中，Λ Atl2代表对径读数头A2、C2的读数之差的零点偏差；步骤2. 6 :将所有预设天顶距i和(B2-D2),代入下述公式4中公式4 (B2-D2) J= Δ B02+2rC22sin (aC22+i+90。)+Vi ；上式中的Vi是随机误差，用最小二乘法从上式中解算出参数Λ rC22和aC22，其中，ABtl2代表对径读数头B2、C2的读数之差的零点偏差；取rC2=(rC21+rC22)/2，式中的rC2代表二号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的幅值；取aC2=(aC21+aC22)/2，式中的aC2代表二号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的初位相；步骤3，对观测待测星体时高度轴轴端偏摆的实时测算步骤3. I :将经纬仪的方位码盘旋转至0°，使高度轴沿东西方向设置，使一号码盘位于高度轴的西端，二号码盘位于高度轴的东端；步骤3. 2 :沿子午方向旋转高度轴，使望远镜分别指向天顶距为z的待测星体，采集读数头A、C1的读数之差(A1-C1)z，读数头D1的读数之差(B1-D1)z，读数头A2、C2的读数之差(A2-C2)i，读数头民、D2的读数之差(B2-D2)i，分别代入下述公式5-8中，并且将步骤2中求解得到的ΔΑαι、ΔΒ01> rcl和acl,以及AAQ2、AB02^rc2和aC2代入下述公式5_8中公式5 (A1-C1) ζ- Δ A01-2rclsin (acl+z) =2 Δ Θ AC1 ；公式6 : (B1-D1) ζ-Δ BQ1-2rclsin (acl+z+90。) =2 Δ Θ BD1 ；公式7 (A2-C2) ζ- Δ A02-2rC2sin (aC2+z) =2 Δ Θ AC2 ；公式8 (B2-D2) ζ- Δ B02-2rC2sin (aC2+z+90° ) =2 Δ Θ BD2 ；由上述公式分别解算出Δ θΑα、Δ Θ腦、Δ 0AC2和Δ θ·，其中，Δ θ AC1和Δ θ ■分别为观测待测星体时高度轴西端向北和向上的偏移量，Δ ΘΑΚ和△ ΘΒΙ)2分别为观测待测星体时高度轴东端向南和向上的偏移量；取(Λ θ Αει+Δ Θ AC2)/2为观测待测星体时高度轴东端相对于西端在南北方向上的偏摆量;取(Λ Θ BD1- Δ Θ BD2) /2为观测待测星体时高度轴东端相对于西端向上的偏摆量。
作为本发明的优先方案所述步骤2中的预设天顶距i是指-75°和75°之间的步距为1°的整数值角度。作为本发明的进一步优先方案所述观测待测星体时高度轴东端相对于西端向上的偏摆量为I1Sinr' ( Δ Θ AC1+ Δ Θ AC2)/2,式中I1为一号码盘的半径；所述观测待测星体时高度轴东端相对于西端向上的偏摆量为I2Sinl" ( Λ Θ BD1- Δ ΘΒΙ)2)/2，式中 I2 为二号码盘的半径。上述方案中，也可以将一号码盘设置于高度轴的东端，二号码盘设置于高度轴的西端。 上述方案中，所述的向上的偏移量均是指与重力方向相反的方向上的偏移量，比如Λ ΘΒΜ为观测待测星体时高度轴西端向上的偏移量，其含义为Λ θ·为观测待测星体时高度轴西端在与重力方向相反的方向上的偏移量。本发明方法采用在高度轴的两端，各设置一只高度钢带码盘，即数字角度编码器，以及两对正交对径分布的读数头，由各码盘偏心误差的变化，即对径两读数头读数之差值的变化，分别解算出各轴端由轴系误差引起的跳动方向和量值，进而解算出高度轴在观测过程中的实时偏摆的方向和量值，从而替代轴准直器，由于光栅码盘的测量结果是数字量，因此大大提高了高度轴线摆动量测量的效率。原来采用轴准直系统测量轴线摆动，获得模拟图像，再进行数字处理得到数字信号。每晚观测得到的图像，需耗时4小时进行处理。而采用双码盘检测后，可即时获得摆动参数，甚至实现实时测定。
图I为实施本发明方法所使用的经纬仪的主视图；图2为图I中读数头Ap CpD1沿W方向在一号码盘上的投影示意图；图3为图I中读数头A2、B2、C2、D2沿E方向在二号码盘上的投影示意图。
具体实施例方式在云南天文台研制的多功能天文经纬仪上，望远镜的高度轴通过两只轴承安装在两边的叉臂上，无论器件如何精密、装配如何良好，高度轴两端的几何中心总会产生不同的位置变化，进而引起高度轴轴线指向的变化，使得望远镜的指向也随之变化，从而影响天文测量的可靠性；本发明采用如下方法解决这一问题如图I所示，在高度轴3两端各装置一只高度码盘，即一号码盘I和二号码盘2，每只码盘外侧的叉臂4上都配备四只读数头，呈上下左右正交对径分布如图2所示，在位于一号码盘I外侧的叉臂4上设置两对呈对径正交分布的读数头，按顺时针排列分别为读数头ApB1XpD1，其中读数头A1位于竖直方向的顶部，相邻两读数头之间的夹角为90 °，读数头A1、C1呈对径设置，读数头B1、D1呈对径设置，读数头A1、C1的连线与读数头BpD1的连线呈正交；如图3所示，在位于二号码盘2外侧的叉臂4上设置两对呈对径正交分布的读数头，按顺时针排列分别为读数头A2、B2、C2、D2，其中读数头A2位于竖直方向的顶部，相邻两读数头之间的夹角为90°，读数头A2、C2呈对径设置，读数头B2、D2呈对径设置，读数头A2、C2的连线与读数头B2、D2的连线呈正交；高度轴3设置在经纬仪的叉臂4上，位于一号码盘I和二号码盘3之间的高度轴3上设置有望远镜5 ；在观测每颗星时，除了用于读取望远镜5指向的天顶距以外，还能同时检测高度轴3指向的变化量，用于对观测数据作修正。码盘读数误差
作为一只读数头的读数误差，可以分为读数随机误差、刻线分划误差和偏心误差，
共三类读数随机误差，对于直径35cm码盘，在4000细分的条件下，一般仅有±0〃. 006，在这里±0". 01的要求下，可以不予考虑；刻线分划误差是一项比较大的误差，有随机成分，也有多种周期成分，可以达到±0". 6的量级，必须采用专门的方法，以优于±0". 01的精度，预先测定出来对相应的读数作修正，即对整个码盘的55040条刻线，按顺序编号，测得出每条刻线的内闭合刻划误差改正值，列表备用，当观测读数涉及到某条刻线时，按编号调出这条刻线的改正值，对读数作修正，这是本方法能否实施的前提条件；偏心误差，对于在不同天顶距观测而言，是不断变化着的，因为读数头安装在叉臂上，是不动的，而码盘安装在高度轴的轴端，高度轴的轴端轴承外圈也固定在叉臂上，在高度轴的转动中，轴承的误差将引起高度轴轴端、乃至高度码盘产生相应的偏摆。关于偏心误差一只读数头读数中的偏心误差，包含有两种成分第一种是周期性的偏心误差，属于装配误差，即码盘刻划中心，或称几何中心与高度轴的理想的旋转中心之间不一致引起的误差，这一误差是360°的周期项，即码盘随着高度轴旋转一周，码盘刻划中心绕着高度轴旋转中心描绘一个正规的圆，它的影响在一只读数头读数中的误差值随是一条光滑的正弦曲线。换言之，偏心距误差随转动角度——这里用天顶距表示一是正弦函数，该正弦函数的极坐标也可以表示为一个圆。在两个“中心”偏差的安装精度达到5 μ m的情况下，圆半径约为角秒的量级，这是偏心误差的一种规则变化；第二种是不规则变化的偏心误差，是码盘几何中心相对于理想圆轨迹的变化，有随机的成分，也有短周期成分，在轴承精度达到±10 μ m的情况下，其变化量约为±2〃的量级。同样的误差影响，在两只对径安装(即安装在通过旋转中心的直径的两端)的两只读数头读数中的表现，除了读数头位置偏差不同以外，两种偏心误差效应的量值相等、符号相反，所以取对径两只读数头的读数平均值(即所谓对径读数)能消除除了读数头位置偏差影响以外的偏心误差及其变化。在与一组对径读数头正交的另外两只对径读数头读数中，两种偏心误差的效应与上述前一组的第一只读数头的误差效应在相位上相差±90°。这样，取一只读数头读数减去与其对径的读数头的读数，其差值随码盘转动的变化就包含了两只读数头的两种偏心误差效应，其中第一种偏心误差表现为两倍，也包含读数头位置偏差引起的不变的效应(即后面的零点偏差)。偏心误差的消除本发明所述的两只码盘分别记为一号码盘I和二号码盘2，其中一号码盘I安装在仪器方位示值为O时(高度轴此时为东西方向)的高度轴3的西端，二号码盘2在东端。后面述及高度轴3的偏摆均以此时的状态为基准。每个码盘配装4个读数头，理想情况下在零点位置时，对径两读数头的读数之差为一个定值。如果预先在天顶距±75°间作测量(步距可取为1° )，则在每个码盘上的四个读数数列(每个读数头的读数构成一个读数数列)中，每一只的周期性的偏心误差均呈150°范围的正弦曲线变化，对径的两只读数头的偏心误差相位相差180° ;而不规则变化的偏心误差，在对径两只读数头的数据中的变化方向相反，在读数头可以正常读数的情况下，变化量的绝对值是相等的。在与A、C正交的两只对径读数头B、D的读数中，周期性的偏心误差也都呈现光滑的150°的正弦曲线弧，幅值相等，相位与读数头A的相差±90°，而不规则变化的偏心误差也呈现随机变化，除了对径两只的变化方向相反以外，与读数头A的比较，其量级和方向还有相位相差±90°的关系。当然，四个读数头的读数之间存在着相对稳定 的系统差异，即读数头位置偏差的不同影响。根据这样的关系，基于第一种偏心误差，即周期性的偏心误差呈现光滑的150°的正弦曲线弧，可以先从四列数据中初步消去第二种偏心误差，即不规则变化的偏心误差，以便减小在解算周期性的偏心误差的参数时随机误差的影响，即将对径两读数头读数数列作比较，平滑掉偏离光滑曲线、两者符号相反的偏离量。下面是解算周期性的偏心误差的参数首先把不规则变化的偏心误差作为随机误差，来解算出周期性的偏心误差的正弦波幅值和初位相和ac。具体的计算方法是把一号码盘I顺时针排列的四个读数头A1A1XpD1的四列读数组合成两列读数差值(A1-C1)i和(B1-D1)i，列出误差方程组(下标为每步测量的天顶距)
权利要求
1.双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法，其特征在于，包括以下顺序步骤 步骤I，安装检测装置 在经纬仪的高度轴的两端，分别设置一号码盘和二号码盘，所述一号码盘和二号码盘均为角度编码器； 在相应于一号码盘的叉臂上设置两对呈对径正交分布的读数头，按顺时针排列分别为读数头A1.B1X1.D1，其中读数头A1位于竖直方向的顶部，相邻两读数头之间的夹角为90°，读数头A1. C1呈对径设置，读数头B1J1呈对径设置，读数头A1. C1的连线与读数头BpD1的连线呈正交； 在相应于二号码盘的叉臂上设置两对呈对径正交分布的读数头，按顺时针排列分别为读数头A2、B2、C2、D2，其中读数头A2位于竖直方向的顶部，相邻两读数头之间的夹角为90°，读数头A2、C2呈对径设置，读数头B2、D2呈对径设置，读数头A2、C2的连线与读数头B2、D2的连线呈正交； 步骤2，采集望远镜指向各预设天顶距i时，各对径读数头的读数之差，建立各预设天顶距i与各对径读数头的读数之差的回归模型，包括以下步骤 步骤2. I :将经纬仪的方位码盘旋转至0°，使高度轴沿东西方向设置，使一号码盘位于高度轴的西端，二号码盘位于高度轴的东端； 步骤2. 2:沿子午方向按相同的转角步距旋转高度轴，使望远镜分别指向若干个间距相同的预设天顶距，采集望远镜指向每ー个预设天顶距i吋，读数头A1. C1的读数之差(ArC1) i;读数头B1. D1的读数之差(BrD1) i，读数头A2^c2的读数之差(A2-C2) i；读数头B2、D2的读数之差(B2-D2)i ； 步骤2. 3 :将所有预设天顶距i和(A1-C1)i代入下述公式I中 公式 I (A1-C1) i= Δ A01+2rcllsin (acll+i) +Vi ； 上式中的Vi是随机误差，用最小二乗法从上式中解算出參数AAtll. rcll和aai，其中，AA01代表对径读数头A1. C1的读数之差的零点偏差； 步骤2. 4 :将所有预设天顶距i和(B1-D1) i代入下述公式2中公式 2 (B1-D1) J= Δ B01+2rcl2sin (acl2+i+90° ) +Vi ； 上式中的Vi是随机误差，用最小二乗法从上式中解算出參数ABtll. rcl2和aa2，其中，AB01代表对径读数头BpD1的读数之差的零点偏差； 取ra=(rai+ra2)/2，式中的ra代表一号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的幅值； 取aa=(acll+aa2)/2，式中的acl代表一号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的初位相； 步骤2. 5 :将所有预设天顶距i和(A2-C2),代入下述公式3中 公式 3 (A2-C2) i= Δ A02+2rC21sin (aC21+i) +Vi ； 上式中的Vi是随机误差，用最小二乗法从上式中解算出參数AAtl2. rC21和aC21，其中，AA02代表对径读数头A2、C2的读数之差的零点偏差； 步骤2. 6 :将所有预设天顶距i和(B2-D2),代入下述公式4中公式 4 (B2-D2) J= Δ B02+2rC22sin (aC22+i+90° ) +Vi ； 上式中的Vi是随机误差，用最小二乗法从上式中解算出參数ABtl2. rC22和aC22，其中，AB02代表对径读数头B2、C2的读数之差的零点偏差； 取rC2=(rC21+rC22)/2，式中的rC2代表二号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的幅值；取aC2=(aC21+aC22)/2，式中的aC2代表二号码盘的周期性偏心误差正弦曲线的初位相； 步骤3，对观测待测星体时高度轴轴端偏摆的实时测算 步骤3. I :将经纬仪的方位码盘旋转至0°，使高度轴沿东西方向设置，使一号码盘位于高度轴的西端，二号码盘位于高度轴的东端； 步骤3. 2 :沿子午方向旋转高度轴，使望远镜分别指向天顶距为z的待测星体，采集读数头Ap C1的读数之差(A1-C1)z，读数头D1的读数之差(B1-D1)z，读数头A2、C2的读数之差(A2-C2)i，读数头B2、D2的读数之差(B2-D2)i，分别代入下述公式5-8中，并且将步骤2中求解得到的AAQ1、AB01>rcl和acl,以及AAQ2、AB02>rC2和aC2代入下述公式5_8中 公式 5 (A1-C1) z- A A01-2rclsin (acl+z) =2 A 0 AC1 ； 公式 6 (B1-D1) z- A B01-2rclsin (acl+z+90° ) =2 A 0 BD1 ； 公式 7 (A2-C2) z- A A02-2rC2sin (aC2+z) =2 A 0 AC2 ； 公式 8 (B2-D2) z- A B02-2rC2sin (aC2+z+90° ) =2 A 9 BD2 ； 由上述公式分别解算出A 0AC1、A 0—、A 0AC2和A 0BD2，其中，A 0AC1和A 0BD1分别为观测待测星体时高度轴西端向北和向上的偏移量，A 0Ae2和A eBD2分别为观测待测星体时高度轴东端向南和向上的偏移量； 取(A 0ac1+A 0Ae2)/2为观测待测星体时高度轴东端相对于西端在南北方向上的偏摆量; 取(A 0 BD1- A 0 BD2) /2为观测待测星体时高度轴东端相对于西端向上的偏摆量。
2.根据权利要求I所述的双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法，其特征在于 所述步骤2中的预设天顶距i是指-75°和75°之间的步距为1°的整数值角度。
3.根据权利要求I或2所述的双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法，其特征在于 所述观测待测星体时高度轴东端相对于西端在南北方向上的偏摆量为I1Sinr' ( A 0 AC1+ A 0 AC2)/2,式中I1为一号码盘的半径； 所述观测待测星体时高度轴东端相对于西端在向上的偏摆量为I2Sinl" ( A 0 BD1-A 0BD2)/2，式中I2为二号码盘的半径。
全文摘要
双码盘检测经纬仪高度轴轴端偏摆的方法，属于天文技术领域，解决了现有测量经纬仪高度轴偏摆的轴准直仪结构复杂、数据处理周期长的问题，包括以下步骤步骤1，在经纬仪的高度轴的两端，分别设置一号码盘和二号码盘，在每支码盘相应的叉臂上分别设置两对呈对径正交分布的读数头；步骤2，采集望远镜指向各预设天顶距时，各对径读数头的读数之差，建立各预设天顶距与各对径读数头的读数之差的回归模型；步骤3，对观测待测星体时高度轴轴端偏摆的实时测算。本发明方法中的光栅码盘的测量结果是数字量，因此大大提高了高度轴线摆动量测量的效率，可以实现实时测定。
文档编号G01B11/00GK102853766SQ201210367038
公开日2013年1月2日 申请日期2012年9月27日 优先权日2012年9月27日
发明者杨磊, 程向明, 苏婕, 陈林飞, 王建成, 李彬华, 冒蔚, 铁琼仙 申请人:中国科学院云南天文台