一种三维地磁空间信息测量全站仪

1.本发明涉及地球物理测量领域，具体为一种三维地磁空间信息测量全站仪。


背景技术：

2.在船舶海上测量、海上施工、港口、海上地球物理勘探、海上石油平台勘测、机场导航等领域，经常都会需要地磁空间信息。例如，飞机上都配置有磁罗经，当电子导航设备(如gps，vor等)出现问题时，磁罗经是最基本的导航设备，在保障飞行安全上扮演一个重要的角色；另外，在军事方面，现代电子战可能预先在作战区域与预测水下潜艇运动路径上布设电磁干扰装置或是直接阻断无线电波，干扰正常的导航定位，磁罗经仍然是最基本的导航设施。由于，磁罗经的方向指针受飞机或运动平台上各种铁磁性部件的影响，要降低影响产生的导航偏差，必须定期检查飞机或运动平台上的磁罗经，并调整磁罗经上的补偿磁铁使之精确。这项工作在航空界叫做磁罗经旋转标定。为了增强飞机的飞行安全，必须定期进行精确的磁偏角测量，机场需要建设专门的磁罗经标定场，能够使飞机完成磁罗经的精度测定。即飞机在机场标定场能够通过飞机旋转，得知各个方向的地磁方位角。因此，机场标定场建设需要机场的三维地磁场空间信息。其他军事装备也配置有磁罗经，同样需要定期检查平台的磁罗经，为标定场提供三维地磁场空间信息。所以，发明一种直接使用磁传感器与光电传感器集成的一体式全站仪，便携、高效、自动化的进行三维地磁场空间信息测量势在必行；三维地磁空间信息测量全站仪配合光学望远镜、光电传感器可测量水平、垂直角度，测距，又有数据计算功能，满足了测磁的要求。磁传感器可以测量出实时的磁力数据；把它们结合起来之后，就可以建立三维地磁空间磁偏角、方位角数据等计算关系模型，实现一站式地磁场要素和空间信息采集与处理，其优势就在于操作的简易性，一体式全因素一站测量计算仪器携带的便捷性以及高度集成与磁-空数据融合，提供了一种特殊类型三维地磁空间信息测量全站仪。


技术实现要素：

3.本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种三维地磁空间信息测量全站仪，以解决上述背景技术提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种三维地磁空间信息测量全站仪，包括物理传感器、磁通门传感器、光学望远镜和主机，其特征在于：所述物理传感器和磁通门传感器均与主机相连，所述物理传感器包括磁传感器探头、水平角度传感器、垂直角度传感器和测距传感器；所述主机由wince系统构成，所述磁通门传感器通过ad转换器将输送电压信号转化成数字信号，所述物理传感器、磁通门传感器均与主机内的单片机之间采用6针的rs-232接口通信，rs-232接口与单片机通信时通过电平转换进行调整。
5.作为本发明的一种优选技术方案，全站仪设计为光电大地测量仪器结构类型，由仪器基座、可水平和垂直方向描准观测目标的照准部，照准部上安装有望远镜，集成有物理传感器、单片机和电源，仪器结构采用无磁金属或非金属材料3d打印成型。
6.作为本发明的一种优选技术方案，所述磁传感器探头集成封装安装在全站仪的光学望远镜上或集成在照准部上望远镜支架内。
7.作为本发明的一种优选技术方案，所述单片机选用8位ad转换功能的stc12c5202，3.5英寸彩色高清显示屏，电源电平转换芯片为max232，磁通门传感器的电路使用lm358。
8.作为本发明的一种优选技术方案，所述wince系统包括串口/并口数据接收程序和观测数据处理计算主程序。
9.一种三维地磁空间信息测量全站仪的测量方法，具体步骤如下：
10.s1：测量全站仪磁传感器标定、电源充电；
11.s2：观测选址；选址时需优先选择在空旷地址，四周无建筑物以及无明显电线及管道处；
12.s3：仪器安置(整平、对中)；
13.首先，在待测点上架设仪器三脚架，并且在三脚架安装仪器基座；
14.然后，通过仪器基座上安装的光学或激光对点器，将仪器基座几何中心与待测点对中；
15.其次，在仪器基座上，安装仪器照准部；
16.最后，通过仪器照准部上安装的光学或电子水平气泡，安平仪器，保证仪器几何中心线处于铅垂状态；
17.s4：测量员准备；
18.s41，去除身上所有金属例如眼镜、皮带、带金属扣的衣物以及鞋子；
19.s42，测量员开机，先进行测试检查磁北方位角等数值是否有剧烈变化，等待仪器稳定；
20.s43，测量员设置仪器参数，水平角度传感器和垂直角度传感器初值置零或配置；
21.s5：正式测量；
22.s51：测量员旋转仪器望远镜描准目标点，通过磁传感器探头、水平角度传感器和垂直角度传感器等，仪器自动测量待测点至目标点方向的物理空间地磁数据-磁偏角d和地理空间几何数据-水平角b、垂直角a，自动记录录磁场强度以及目标方向线的水平角、倾斜角和距离；
23.s52：每次测量都需要进行两次以上独立观测流程并记录；
24.s53：磁通门传感器均与主机内的单片机依据地磁空间数据模型计算磁偏角、磁倾角、磁北方位角、磁北方向角等三维地磁空间数据。
25.作为本发明的一种优选技术方案，所述磁偏角d的测量：先完成待测点地磁数据测量和待测点至目标点方向线地理空间几何数据测量，得到全站仪记录的传感器数据，然后按照模型进行计算；已知b1、b2、a1
26.b2-90
°
＝b4
27.b1-a1＝b3
28.b1-b4＝a2
29.d＝a2-a1＝b3-b4
30.d＝b1-b4-a1＝b1-b2-a1+90
°
31.式中：b1：用全站仪测得的待测点至目标点标志方向的水平角；b2：测出的磁北水
平角；b3：算得的真北水平角；b4：算得的磁北水平角；a1：gps(或)测得的待测点至目标点标志方向的坐标方位角；a2：算得的磁北与目标点标志之间的方位角；d：磁偏角。
32.作为本发明的一种优选技术方案，所述磁倾角i的测量，通过磁偏角测量后，即可进行磁倾角的测量，根据软件程序流程，依次点击按键进行操作即可记录显示磁倾角i数据。
33.作为本发明的一种优选技术方案，所述磁北方位角的计算与测设：先进行磁偏角测量计算后，可以直接计算出磁北方向角的读数，此时锁角，置零，在转动水平度盘到所测位置即可得到地磁方位角。
34.本发明的有益效果是：
35.1、本发明完成全站仪上光学测量传感器与磁通门传感器的集成和三维地磁空间信息解算程序开发，可以独立完成一个完整的测磁工程，发明了用一台仪器在测量点上描准测线直接获得三维地磁空间信息的物理大地测量全站式仪器。仪器结构科学合理，操作简单方便。
36.2、本发明可进行磁方位角的测定和基于磁方位角的导线坐标测量，所以本发明可以应用于地下空间、大型室内等控制点的坐标，大大简化了完成特殊工程测量工作量和难度。
37.3、本发明开发嵌入式磁偏角与方位角参数估算程序，
①
实现磁偏角、方位角参数数字化估算，构建新的三维磁偏角、方位角等参数表达模型；
②
对磁力传感器数据、几何传感器数据统计平差，估算精度高、可靠性好的测量成果，并且可视化表达。
38.4、本发明软件可实现以下功能：
①
程序实现调用全站仪水平、垂直、测距传感器；
②
完成串口调用磁通门传感器程序；
③
完成基本磁偏角与磁倾角的测量计算功能；
④
完成地磁方位角、坐标计算的拓展功能；
⑤
完成程序的可视化表达。
附图说明
39.图1为本发明的组成模块图；
40.图2为本发明的结构示意图；
41.1、磁传感器探头；2、水平角度传感器；3、垂直角度传感器；4、测距传感器；5、磁通门传感器；6、主机、显示器及操作键盘；7、光学望远镜；8、仪器基座；9、电源；10、三脚架。
42.图3为本发明测量方法示意图；
43.图4为本发明的磁偏角测量原理示意图；
44.图5为本发明的磁偏角测量流程图；
45.图6为本发明的磁倾角i测量流程图；
46.图7为本发明的磁通门传感器无磁经纬仪磁偏、倾角测量记录表；
47.图8为本发明的三维地磁空间信息测量全站仪磁偏、倾角计算结果图；
48.图9为本发明的磁通门传感器无磁经纬仪磁偏、倾角实际测量记录表；
49.图10为本发明的地磁空间信息测量全站仪磁偏、倾角实际测量记录表；
50.图11为本发明磁偏角的测量的部分代码；
51.图12为本发明8位的ad转换电路图。
具体实施方式
52.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
53.实施例：请参阅图1、图2，本发明提供一种技术方案：一种三维地磁空间信息测量全站仪，
54.本发明测量中实验采用物理传感器、磁通门传感器、光学望远镜和主机集成开发的全站仪。全站仪主机采用windowsce中文操作系统，显示屏为3.5英寸液晶显示屏，可通过触摸板进行操作。
55.1、观测选址：选址时需优先选择在空旷地址，四周无建筑物以及无明显电线及管道处。
56.2、仪器安置(整平、对中)；
57.(1)首先在待测点上架设仪器三脚架10，并且在三脚架安装仪器基座8；
58.(2)通过仪器基座8上安装的光学或激光对点器，将仪器基座8的几何中心与待测点对中；
59.(3)在仪器基座8上，安装仪器照准部；
60.(4)通过仪器照准部上安装的光学或电子水平气泡，安平仪器，保证仪器几何中心线处于铅垂状态；
61.3、测量人员准备；
62.(1)去除身上所有金属例如眼镜、皮带、带金属扣的衣物以及鞋子等；
63.(2)测量员开机，先进行测试检查磁北方位角等数值是否有剧烈变化，等待仪器稳定；
64.(3)测量员设置仪器参数，水平角度传感器和垂直角度传感器初值置零或配置。
65.4、正式测量；
66.(1)测量员旋转仪器望远镜瞄准目标点，通过磁传感器探头1、水平角度传感器2和垂直角度传感器3等，仪器自动测量待测点至目标点方向的物理空间地磁数据-磁偏角d和地理空间几何数据-水平角b、垂直角a，自动记录录磁场强度以及目标方向线的水平角、倾斜角和距离；(如图3所示)
67.(2)每次测量都需要进行两次以上独立观测流程并记录；
68.(3)磁通门传感器5均与主机内的单片机依据地磁空间数据模型计算磁偏角、磁倾角、磁北方位角、磁北方向角等三维地磁空间数据；
69.(4)每台被测仪器都需要进行开机、关机两次测量；
70.(5)磁偏角d测量。先完成待测点地磁数据测量和待测点至目标点方向线地理空间几何数据测量，得到全站仪记录的传感器数据，按照模型进行计算。
71.进行磁偏角的测量要按照步骤，依次点击测量键即可得出磁偏角数据。以下提供测量步骤(如图5所示)以及部分代码(如图11所示)；
72.如图4所示已知b1、b2、a1
73.b2-90
°
＝b4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-1)
74.b1-a1＝b3
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-2)
75.b1-b4＝a2
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-3)
76.d＝a2-a1＝b3-b4
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-4)
77.d＝b1-b4-a1＝b1-b2-a1+90
°ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5-5)
78.式中：b1：用全站仪测得的标志水平角；
79.b2：测出的磁北水平角；
80.b3：真北水平角；
81.b4：算得的磁北水平角；
82.a1：gps测得的方位角；
83.a2：磁北与标志之间的方位角；
84.d：磁偏角。
85.磁倾角i的计算如图6所示：只有先进行磁偏角测量后，才可以进行磁倾角的测量，之后要按照测量步骤，依次点击按键即可得出磁偏角数据。
86.磁北方位角的计算：在先进行磁偏角测量后，可以直接计算出磁北方向角的读数，此时锁角，置零，在转动水平度盘到所测位置即可得到地磁方位角。
87.实验验证：
88.实验验证主要从四个方面进行：实际测量与对比验证、可靠性分析、功能评估、数据验证。
89.以下主要详细介绍实际测量与对比验证以及数据验证。
90.数据验证：
91.本数据验证在实际仪器测试之前完成，目的是为了验证所设计的程序及算法的可行性。
92.1、使用来测试的数据为以往资料中di无磁经纬仪所测得的磁偏、倾角测量真实数值；
93.2、通过把数据输入测量程序得出计算数值；
94.3、对比两者的计算值的误差，如表6；
95.如图7所示，误差分别为5
″
和13
″
，由于测量时使用的di无磁经纬仪，所以得出记录时使用的是分级是以百为计算的，没有计算到秒，而全站仪的记录计算到了秒级。所以在度级、分级相等已经算是基本达成设计初衷。
96.实际测量与对比验证：
97.本发明所做的三维地磁空间信息测量全站仪于2017年6月3日下午3：20至下午5：50在北京某地与jhc-01di磁力仪进行了同点对比测试。测量数据在记录与计算后，对比结果如图8和图9所示；测量数据相差分别为1
°
10’09"和0
°
34’48
″
，经分析主要的误差来源为全站仪磁性干扰，模数(ad)转换的精度误差，周边不规律的磁性干扰。由于是初步测试，误差均未超过1.5
°
，可视为基本达成设计目标。
98.综上得出的结论：
99.首先确定集合所需要的数据处理以及公式方法，研究基于三维地磁空间全站仪基站几何数据的三维地磁空间磁偏角、方位角等参数分析算法。之后通过单片机进行编程，完成i/o接口连接。接着参考已有的大地测量软件程序，在win ce环境下使用evc软件进行编程，完成数据传输、数据导入、数据处理等模块，最后集成；最终完成实验采集地磁空间信息测量全站仪数据，实测对比现有仪器数据等，并开展数据验证、功能评估、精度统计及可靠
性分析。
100.从结果而言，此仪器设计以及程序开发完全达到了预期效果，主要是以下5点：(1)程序实现调用全站仪水平、垂直、测距传感器；(2)完成串口调用磁通门传感器程序；(3)完成基本磁偏角与磁倾角的测量计算功能；(4)完成地磁方位角计算的拓展功能；(5)完成程序的可视化表达。
101.以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于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。