一种界面化测量仪器及测量方法与流程

本发明涉及工程兵侦察测量仪器领域中的界面化测量仪器，尤其是一种针对工程兵单兵前出执行侦察任务的快速、便携的界面化测量仪器及测量方法。

背景技术：

战场工程侦察器材是工程兵作战装备的重要组成部分，当前，我军工程侦察兵普遍使用的测绘工具包括：滚轮皮尺、三角板、经纬仪、水准仪、全站仪以及gnss系统等，均属于传统测绘器材或设备，可分别测量距离、角度、高程等参数，联合解算位置、面积和土方等，不具备单兵实施、快速便捷、自动解算最终成果的能力。因此，工程兵的各种侦察任务，如工事构筑、道路修筑、开设渡场、设置和排除障碍物，测绘工作实施、测绘成果解算和地图标绘等工作仍需要专业人员多人合作完成，效率较低且容易出错。传统仪器具有其精度高的优点，但无法满足战场侦察任务中便携、快速和简捷的需要。

在实际工程侦察任务中，很少单独使用某种测绘器材完成任务，均采用多种器材联合使用，完成侦察测绘任务。比如，全站仪无法完成真北方位的测定，需结合gnss系统或电子罗盘进行真北方位测量；在无已知高等级控制点的区域，仅靠经纬仪和水准仪也无法获得目标的准确位置信息，需结合gnss系统进行定位；一般情况下，无论是全站仪软件，还是gnss测量软件，都不具备面积、土方等特征的计算功能，需结合专业测绘软件进行计算，期间需进行设备间的数据传输。一般情况下，单兵很难完成各类侦察测绘任务，这在很大程度上降低了侦察效率，影响了任务的完成效率和质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提出了一种界面化测绘器材的系统集成，以及结合该设备的测绘方法，解决了现有测绘器材及其在工程侦察任务中所存在的问题。

本发明的目的是通过以下技术手段实现的：

一种界面化测量仪器，其特征在于：主要包括主体仪器、主三角架、主天线以及副天线，主三角架的上端安装二维云台，该二维云台上安装主体仪器，主体仪器采用平板结构，其由机箱和显示屏构成，机箱正面安装显示屏，机箱内部集成测距瞄准部件、电子水平仪、电子罗盘、gnss模组以及主计算机；主体仪器上放置主天线，副天线独立架设，主天线和副天线均通过电缆和主体仪器相连。

而且，所述的主三脚架的上端安装调平基座，二维云台安装在该调平基座上。

而且，所述的二维云台可调节俯仰姿态和方位角，俯仰姿态范围：±85°，方位角范围：0～360°。

而且，所述的主体仪器显示屏是10吋高分高亮触摸显示屏。

而且，所述的主体仪器机箱顶部设置望远镜筒、测距镜筒、gnss天线接口、网络接口、摄像镜头；机箱左侧下部设置电源输入接口，右侧上部设置电源开关。

而且，所述主体仪器机箱坐标系定义为：当主体仪器水平正面放置时，机箱几何中心点为坐标原点，从原点出发，水平指向机箱右侧、且与机箱右壁垂直的方向为x轴正方向；从原点出发，水平指向前方，并与x轴垂直的方向为y轴正方向；根据右手定则，伸出右手，四肢与拇指垂直，并使四指先指向x轴正方向，然后让四指沿握拳方向旋转90°指向y轴正方向，此时大拇指的指向为z轴。

而且，所述主体仪器内部gnss模块为双天线接收机，可同时连接主天线和副天线；所述主天线为安装于主体仪器面板上的天线，其相位中心位于主体仪器架设点位正上方；所述副天线为远端天线，和主天线形成不大于15米的基线；gnss模块接收主、副天线信号，输出主、副天线所在位置坐标和主副天线之间的基线方位，位置坐标是指经纬度和直角坐标；所述电子水平仪模块完成主体仪器水平姿态的测量，其坐标系与机箱坐标系重合，俯仰角代表主体仪器相对于水平面的高低夹角，定义为主体仪器y轴高于水平面时，俯仰角为正，y轴低于水平面时，俯仰角为负；横滚角代表主体仪器相对于水平面之间的横滚角度，x轴高于水平面时，横滚角为正，x轴低于水平面时，横滚角为负；所述测距瞄准部件完成主体仪器至目标之间距离的测量，测距机激光发射轴、瞄准镜筒视准轴与机箱坐标y轴具有较精确的平行度，其测距中心距离原点的垂直距离和水平距离在软件中进行补偿修正。

而且，所述的主天线在使用时安装在主体仪器显示屏正面，通过吸盘固定在显示屏上。

而且，所述的副天线由微型三角架和gnss高精度天线组合而成，架设时需保证与主体仪器通视，副天线距离主体仪器不大于15米，并具备激光对点功能。

一种界面化测量仪器的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在任意点位架设主三角架，利用云台光对点器进行点位对中；点位对中后，利用三角支座的角螺旋调平云台；

步骤2：将主体仪器安装至主三角架，连接相关电缆，启动主体仪器操作系统，启动配套软体；

步骤3：在通视、顶部开阔地方架设副天线，如果需要架设在已知点位上，可利用副天线脚架下部的激光对点器进行点位对中；

步骤4：架设主天线，并连接主、副天线与主体仪器之间的电缆；在配套软体内部点击“天线”按钮，打开天线安装位置示意图，将主天线吸盘固定在该位置上；

步骤5：30s后，获得主、副天线之间的基线方位，主站点坐标等信息；

步骤6：瞄准待测目标，直接读取方位、俯仰值、距离等并保存；

步骤7：通过测量待测范围周界特征点，解算其面积；

步骤8：通过测量待测空间周界范围点位及区域内特征点，解算其体积。

本发明的优点和积极效果是：

1、为提高工程兵测绘工作的效率、增加测绘成果的准确性、降低侦察设备成本，本专利借助多年和测绘部队合作的经验、以及测量设备研制技术的积累，研制了一种新型简易测绘器材，该器材可在短时间内，由单兵完成目标参数的准确测量、解算、存储和标绘，有效降低操作失误率，提高测绘工作效率和可靠性，减轻测绘作业的劳动量，替代工程兵现有侦察测绘工具。

2、本发明中所述的主三角架为一种多功能三角架，由传统三角架、二维云台和编码度盘集成，集成了传统三角架、光学对中、调平基座，方位和俯仰旋转机构，以及水平角测量传感器。主三角架架设于测量点位正上方，通过光学对中部件实施点位对中；所述调平基座实施云台基座的水平调整，水平调整和点位对中交替进行，最终达到水平且对中的效果；所述方位和俯仰机构可实现空间任意方位、高低目标的瞄准和观测，方位可在0°～360°之间自由旋转和固定，俯仰可在-85°～+85°之间自由旋转和固定；所述水平角测量传感器为高精度编码度盘，度盘精度可达0.001°。

3、本发明中所述的主体仪器包括工业计算机平台、触摸显示屏、测距瞄准部件、电子水平仪、电子罗盘、gnss模组以及电源模组等设备及部件，上述部件集成在平板式结构的机箱内部，组成小巧、便携的界面化测量仪器。计算机平台和触摸显示屏为测量仪器提供了强大的控制、计算和显示支撑，将传统测量工作的外业数据采集、内业计算、地图标绘、报告生成等功能集成于一体。所述测距瞄准部件集替代了望远镜、测距机和瞄准摄像头，用于观测和瞄准目标，测量目标距离，瞄准摄像头将望远镜视场内的图像实时传输至显示屏，将传统的“人眼对目镜”的观察瞄准模式转换为轻松观察显示屏的瞄准模式，彻底改变了测绘方式。所述电子水平仪可测量输出主体仪器x、y两个方向上的倾斜角度，y方向角度用于辅助调平，确保横轴水平；x方向角度用于测量目标的高低角。所述电子罗盘用于粗侧方位角，可实时输出主体仪器主轴方位。所述gnss模组用于提供点位坐标和获取初始方位(真北方位)，改变了传统测量中用rtk方式或双gnss接收机测量初始方位的(真北方位)的复杂模式。

4、所述副天线用于gnss短基线精密定向，是一种多功能天线，集成了光学对中、调平和gnss天线。所述光学对中用于对中地面控制点；所述调平水平可辅助调平gnss天线姿态。副天线相位中心有明显标识，配合主体仪器瞄准。

5、本发明基于强大的计算机平台以及各类传感器及数据采集、数据处理软件，获取坐标、方位、距离、面积以及土方等要素，并生成地图图层和侦察报告文件。配套软体的数据处理单元支持拷贝数据或信息传输获取最终测量成果。

6、本发明研发的界面化测量仪器的测量方法，不同于传统测绘器材的观察和测绘方法，本方法的界面化测量仪器的观察、瞄准依托于10吋高清触摸屏，数据采集、显示及解算依托于计算机平台，可结合地图开展测绘工作，并自动生成侦察报告。

7、本发明采用显示屏观察及触控操作代替了传统测绘器材的观测和操作，实现了测绘工作的界面化、可视化、扁平化。本发明将激光测距望远镜、电子水平仪、电子罗盘、编码度盘、gnss系统、工业摄像头以及工业计算机等多种光学、电子设备功能融合为一体，利用现代系统集成技术、软件技术，将传统的基于精密机械结构、光学原理的观察测量仪器，转化为一种高度集成、多功能、易操作、小型化、实时化、高速化、抗干扰以及强大的计算支撑平台等一系列优点的军用测量仪器。与传统测量仪器相比，本发明具备体积小、重量轻、结构简单、成本低、功耗低、可靠性高、适用性强以及具备易于批量化生产和智能化测量等特点。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是主体仪器的正视图；

图3是主体仪器的俯视图；

图4是主体仪器的左视图；

图5是主体仪器的右视图。

图中标记为：

1、主天线；2、天线支座；3、主体仪器；4、二维云台；5、调平基座；6、主三角架；7、副天线；8、橡胶护套；9、测距镜筒；10、望远镜筒；11、摄像镜头；12、串口；13、网络接口；14、电源输入；15、电源开关。

具体实施方式

下面结合附图详细叙述本发明的实施例，需要说明的是，本实施例是叙述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。

一种界面化测量仪器及测量方法，主要包括主体仪器3、主三角架6、主天线1、副天线7以及配套电缆，主三脚架的上端安装调平基座5，该调平基座上端安装二维云台4，二维云台可调节俯仰姿态(姿态范围：±85°)和方位角(方位角范围：0～360°)。

主体仪器安装在主三角架顶部的二维云台上，主体仪器和主三角架之间采用快锁装置连接。安装时，右手握持主体仪器，左手拇指向下推云台顶部安全杆，同时，食指逆时针旋转锁杆90°后，拇指松开安全杆，安全杆止档块锁定锁杆。将主体仪器底部“快装板”对准云台安装接口并放入，依靠主体仪器自身重量，压下安全杆，使得锁杆复位，锁紧“快装板”，完成安装。

主体仪器采用平板结构，采用触摸式操作，与其配套软体及各种硬件驱动支持其规定功能的实现。主体仪器由机箱和显示屏构成，机箱正面安装10吋高分高亮触摸显示屏，机箱内部集成测距瞄准部件、电子水平仪、电子罗盘、gnss模组以及主计算机。

所述主体仪器机箱坐标系定义为：当主体仪器水平正面放置时，机箱几何中心点为坐标原点，从原点出发，水平指向机箱右侧、且与机箱右壁垂直的方向为x轴正方向；从原点出发，水平指向前方，并与x轴垂直的方向为y轴正方向；根据右手定则，伸出右手，四肢与拇指垂直，并使四指先指向x轴正方向，然后让四指沿握拳方向旋转90°指向y轴正方向，此时大拇指的指向为z轴。

所述主体仪器内部gnss模块为双天线接收机，可同时连接主天线和副天线；所述主天线为安装于主体仪器面板上的天线，其相位中心位于主体仪器架设点位正上方；所述副天线为远端天线，和主天线形成不大于15米的基线；gnss模块接收主、副天线信号，输出主、副天线所在位置坐标(经纬度和直角坐标)和主副天线之间的基线方位。所述电子水平仪模块完成主体仪器水平姿态的测量，其坐标系与机箱坐标系重合，俯仰角代表主体仪器相对于水平面的高低夹角，定义为主体仪器y轴高于水平面时，俯仰角为正，y轴低于水平面时，俯仰角为负；横滚角代表主体仪器相对于水平面之间的横滚角度，x轴高于水平面时，横滚角为正，x轴低于水平面时，横滚角为负。所述测距瞄准部件完成主体仪器至目标之间距离的测量，测距机激光发射轴、瞄准镜筒视准轴与机箱坐标y轴具有较精确的平行度，其测距中心距离原点的垂直距离和水平距离在软件中进行补偿修正。

仪器主体采用平板式结构，镁铝合金材质，具有重量轻、强度高的特点；仪器正面安装10.4吋高分高亮触摸显示屏；机箱顶部设置望远镜筒10、测距镜筒9、gnss天线接口12、网络接口13、摄像镜头11等；机箱左侧下部设置电源输入接口14，右侧上部设置电源开关15。为确保测量仪器适用于各种恶劣环境，机箱左右两侧加装橡胶护套8，接口加装密封罩，具备优于ip54等级的防护性能。

主天线在使用时安装在主体仪器显示屏正面，通过吸盘或天线支座2固定在显示屏上，且主天线通过电缆和主体仪器相连。主天线云台俯仰角采用螺旋调节方式，调节范围内全程采用螺旋调节。顺时针旋转调节旋钮，俯仰角增大，即主体仪器顶部高于水平面；逆时针旋转调节旋钮，俯仰角减小，即主体仪器顶部低于水平面。

副天线独立架设，距离主体仪器不大于15米，并具备激光对点功能。副天线由微型三角架和gnss高精度天线组合而成，架设时需保证与主体仪器通视，副天线通过电缆和主体仪器连接，与安置在主体仪器上部的主天线共同实现gnss短基线定向功能。

一种界面化测量仪器的测量方法，包括以下步骤：

步骤1：在任意点位架设主三角架，利用云台光对点器进行点位对中；点位对中后，利用三角支座的角螺旋调平云台；

步骤2：将主体仪器安装至主三角架，连接相关电缆，启动主体仪器操作系统，启动配套软体；

步骤3：在通视、顶部开阔地方架设副天线，如果需要架设在已知点位上，可利用副天线脚架下部的激光对点器进行点位对中；

步骤4：架设主天线，并连接主、副天线与主体仪器之间的电缆；在配套软体内部点击“天线”按钮，打开天线安装位置示意图，将主天线吸盘固定在该位置上；

步骤5：30s后，获得主、副天线之间的基线方位，主站点坐标等信息；

步骤6：瞄准待测目标，直接读取方位、俯仰值、距离等并保存；

步骤7：通过测量待测范围周界特征点，解算其面积；

步骤8：通过测量待测空间周界范围点位及区域内特征点，解算其体积。

以下详细介绍上述测量方法：

1、仪器架设

所述主三角架架设、对中及基座调平方式仍雷同于普通三角架，主三角架架设完毕后，通过快装机构将主体仪器安装于二维云台之上，将编码度盘通讯电缆连接至主体仪器，仪器架设完毕。

2、目标瞄准

启动主体仪器，打开拍摄摄像头，依托主三角架的二维云台旋转、俯仰机构，调整主体仪器姿态，快速寻找目标，将目标置于显示屏中央(此工作替代经纬仪或全站仪的枪瞄，但操作简单、直观)；打开瞄准摄像头，将望远镜市场图像显示在显示屏上，用视场中十字丝对中测量目标，锁定云台方位及俯仰机构(此工作代替经纬仪、全站仪精瞄工作，但操作简单、直观且高效)。瞄准工作依托观察显示屏上显示的现场图像及望远镜视场图像来完成。

3、方位角测量

距主三角架15m左右，选择与主体仪器通视、顶部无遮挡地点架设副天线，利用副天线自带光学对中器和调平水泡实施点位对中和天线调平。连接副天线和主体仪器，主体仪器望远镜瞄准副天线相位中心标识，此时，gnss短基线定向结果即为主天线和副天线两点形成的基线的方位值。

所述gnss模组为双天线卫星定位系统，用于测量仪器定位和初始定向。选择开阔、顶部无遮挡地点架设主三角架并安装主体仪器，启动所述gnss模组，即可获得架设地点的精确坐标以及和副天线形成的短基线(≯15m)的精确方位。

获得短基线精确方位后，松开方位锁紧螺栓，按所述目标瞄准方法瞄准目标，直接在人机界面读取方位，该数据将自动保存至数据库。

4、俯仰角测量

通过机械设计及光学标校手段，保证了当云台调平后，主体仪器处于水平状态。此设计和标校工作确保了本发明所测得的俯仰角为主体仪器水平面相对于大地水平面的俯仰角，可用于精确计算目标的高低角，并以此计算不可达目标的高程。

5、距离测量

重复所述瞄准流程，当望远镜镜筒十字分划与目标重叠时，旋紧方位及俯仰锁紧螺钉，固定主体仪器姿态，此时，可直接读取测距机测得的目标距离。测量仪器采用脉冲式测距机，适用于1500m以内的无合作目标的距离测量，精度优于1m。

6、目标点坐标测量及标绘流程

重复所述架设、对中流程，启动gnss系统，接收卫星信号，即可获得架设点坐标数据。利用所述方位测量方法、测距方法，结合瞄准方法，可获得不可达点坐标信息。

7、导线测量

所述导线测量及标绘流程适用于工程兵道路规划、原有道路勘察的遂行侦察任务中，是一系列点位坐标的现场测绘工作，现场测绘工作包括可达点坐标测量、不可达点坐标测量、已知坐标输入或地图拾点等任务，以及相邻两点形成基线的方位、距离、坡度等要素的测量、计算、存储和标绘等任务，导线测量及标绘流程见图2所示。

重复所述架设、对中流程，启动北斗接收机，接收北斗信号，读取北斗定位数据，即可获得架设点坐标数据。利用所述方位测量方法、距离测量方法，结合地图功能，可获得导线各点位(目标点)坐标信息。

8、面积测量

所述面积测量主要用于部队集结、开设渡场等工程侦察任务中可利用区域面积的测量和计算，其实质是目标区域周界特征点位坐标的现场测绘工作，现场测量工作包括可达点坐标测量、不可达点坐标测量、已知坐标输入或地图拾点等任务。采用所述四种方式获得尽可能周详的空间周界点及内部表面特征点信息，进行投影、图形分割等，将目标区域划分为规则图形或近似规则图形，计算其面积。

9、土方测量

所述土方测量主要用于道路阻断、开设渡场等工程侦察任务中挖填方量的测量和计算，是目标区域一系列形体特征点位坐标的现场测绘工作，现场测量工作包括可达点坐标测量、不可达点坐标测量、已知坐标输入或地图拾点等任务。采用所述四种方式获得尽可能周详的空间周界点及内部表面特征点信息，进行空间分割和建模，目标区域进行建模、优化和挖填方计算。