水平角观测(经纬仪原理)一、水平角测角原理如图3—9所示，A、B、C为地面三点，高程不相等。

将这三点沿铅垂线方向投影到PQ水平面上，在水平面上得到A1、B1、C1三点，则水平成B1A1与B l C1夹角β定义为地面上直线BA和BC间的水平角。

由此可见，地面任意两直线间的水平角度，为通过该两直线所作竖直面间的两面角。

为了能测出水平角的大小，可在此两竖直面的交线上任一高度0点水平地放置一刻度盘，通过BA和BC和一竖直面，与刻度盘的交线为0m、0n，在刻度盘上相应的读数为b和a，从而求得水平角。

β=a—b (3—1)根据以上分析，测量水平角的经纬仪必须具备一个水平度盘，并设有能在刻度盘上进行读数的指标；为了瞄准不同高度的目标，经纬仪的望远镜不仅能在水平面内转动，而且还能在竖直面内旋转。

图3—4水平角测量二、经纬仪原理经纬仪有游标经纬仪、光学经纬仪和电子经纬仪三类。

游标经纬仪一般为金属度盘、游标读数、锥形轴系，目前已很少使用。

电子经纬仪尚未普及，而光学经纬仪具有读数精度高、体积小、重量轻、使用方便和密封性能好等优点被广泛使用，下面对光学经纬仪、电子经纬仪作简要介绍。

1．J6级光学经纬仪如图3—5是北京光学仪器厂生产的红旗Ⅱ型经纬仪。

各部件的名称均标注在图上。

理论上，一测回测角中误差为6″，故称为6秒级经纬仪，它属于较低精度的经纬仪，一般用于五等以下的控制测量和其他较低精度的测量工作。

J6经纬仪是由基座水平度盘和照准部三部分组成的。

基座上有三个脚螺旋6用来整平仪器。

5是轴座连接螺旋，拧紧它可以将仪器固定在基座上，该螺旋不要松动，以免仪器分离而坠落。

水平度盘外面看不见，它是一个玻璃制成的圆环，盘上按顺时针方向刻有分划，从0°—360°，用来测量水平角。

照准部由望远镜、读数系统、横轴、竖直度盘等几部分组成，通过读数显微镜9可读出观测方向值。

一般读到1′估读到10分之1分，即6″的倍数。

如图3—6，为带分微尺测微器J6经纬仪读数窗，HZ表示水平度盘，V表示竖直度盘。

此处水平度盘读数为214°54′，0，竖直度盘读数为79°06′ ．4。

图3—7为单板玻璃测微器的J6经纬仪的读数窗。

国产红旗Ⅱ型及瑞士T1，型光学经纬仪就属这类读数方法。

仪读数窗在读数窗中，下面的窗格为水平度盘的像，中间间格为竖直度盘的象。

读数窗格中间的双线为指标线，度盘1°或30′刻一分划，注记的数字是度数，上面的窗口为测微尺的像，窗口中间的单线也是指标线，测微器每隔5′注记数字转动测微轮，使度盘上整度数或整10′的刻划线恰好夹在双线指标中间，即可读数，如图3—7a竖盘读数为92°17'24"，图3—7b中水平度盘读数为4°30’+11'48″=4°41′48″。

图3—7 J6经纬仪读数窗2.J2级光学经纬仪图3—8是苏州光学仪器厂生产的DJ2型光学经纬仪的外形图。

它的各个部件的名称均注在图上。

J2仪器读数设备与J6比较有两个特点：一是，J2级光学经纬仪采取度盘对径重合读数取平均值，消除了照准部偏心的影响，提高了读数精度；二是在J2级光学经纬仪读数显微镜中，只能看到水平度盘或竖盘的一种影像，要读另一种时，需转动换像手轮9。

如图3—9为苏光J2光学经纬仪的读数窗图，当照准后，转动测微手轮7，使主像(正字注记)与副像、倒字注记的分划线对合好，提出具备下列三个条件而且注有度数的相对分划线。

图3—8J2光学经纬仪外形图图3-9 苏光J2读数面(1)相差180°；(2)主像在左侧，副像在右侧；(3)相距最近。

则该对分划线中的主像所注的度数就是需要读数的度数。

主像分划线与副像分划线间的所夹的格数的一半，即为度盘上应读取的整10′数不足10′，的分，秒数。

在右边的测微尺读出。

故其窗口读数为：度盘上的度数163°度盘上的整10′数2³10′=20′测微尺上的分秒数7′'32．"5全部读数为163°27'32.″5T2型经纬仪与DJ2的读数方法相同，但其测微机构用的是双平板玻璃和阿基米德螺旋线。

所不同者主像在下，副像在上，读数时仍以主像为主。

如图3-10所示，水平度盘读数为0°09'48．"5。

新型T2经纬仪，读数已数字化，读数时，转动测微轮，使主副像刻划线重合，其读数可直接在读数窗中显示出来，提高了读数速度，如图3-11所示，其读数为94°12'44''．2。

图3-10 T2经纬仪读数窗图3-11 新型T2读数3．电子经纬仪电子经纬仪目前一般与测距仪、微顺一起构成全站式电子速测仪。

它采用光电测角，以光电信号的形式表达角度测量结果。

即采用新型的度盘刻划形式，以光电技术和电子测微技术确定与其相适应的光电测角原理。

目前光电测角有三种度盘形式，，即格区式度盘，光棚度盘和编码度盘，下面仅简介格区式度盘动态测角原理。

如图3—12是一种格区式玻璃度盘。

度盘上刻有明暗的间隔，间隔的宽度和数目视设计要求而定。

度盘上还设有光阑LR、LS，光阑上装配有发光二级发电二极管。

当度盘转动时，不动的光阑中的光电二级管将接收在发光二级管送来的格区明暗信号，明暗信号多少将是度盘转动大小的标志。

图3—12 区格式度盘图 3—13 标志刻划度盘明暗格区刻划有两种：标志刻和一般刻划。

图3—13有A、B、C、D四组标志刻划。

各标志以宽窄不同的刻划线和不同的排列设置在起算位置依次为90°的区间上，一般刻划类似图3—12所示，分布在标志刻划分割的四个区间。

一般刻划的暗条纹为明条纹宽度的2倍。

度盘总刻划数1024，如图3—17所示，Φ。

=360³60³60／1024=1265．625秒。

动态扫描是通过光电信号扫描获得角度信息的。

在图3—12中，固定光阑IS设在度盘内侧，可动光阑IR设在度盘外侧与照准部相连。

角度测量时，由于LR随照部旋转，这样Ls，LR之间构成一定的角度。

度盘在马达的带动下，始终以一定的速度旋转，从而使接收二级管断续地接收由发光二级管发来的红外光，在接收到光信号时，它送出高电平电信号，在未收到光信号时，则送出低电子电信号，从而完成对度盘的扫描。

由图3—13可知，Φ。

代表一个刻划宽所代表的角度。

即Φ。

=2π／N 为已知值。

对于任一角度Φ，则可表示成：Φ=n²Φ。

+△Φ（n为正整数，0≤△Φ<Φ。

） (3—2)△Φ的测定：从图3—15中由信号R和信号S送出的波形可以看出，由于△Φ的存在变化范围为0~T。

由于马达转速一定，故有：△Φ=Φ。

／T。

²△t i(i=1，2，．．．．．N)式中：N为度盘总刻划数，△ti可用脉冲填充精确测定。

微处理器算出△Φi后，再依式：△Φ=[△Φi]／N算出最后结果，由此实现了度盘全刻划测角。

图3—14 信号测定图3—1 5n的测定n的测定：度盘上的四组标志刻划是为测定n值而专门设置的。

其作用如图3—15所示，假定被观测的角度为Φ，在测角时，度盘旋转一周，A、B、 C、DF均经过R、S一次，R、S发出信号为RA、SA、RB、SD、RC、SC、RD和SD。

A 由R转到S时所对应的时间为TA，则Φ中所含Φ。

的个数 nA可由式nA=TA／T。

(取整)(3—5)算出。

对于B、C、D组刻划，同样有ni=T i／T。

(i=B、C、D)(3—6)这就是说，在旋转一周时可测出四个n值，微处理器将它们加以比较，如发现差异，则自动重复测定n值，从而保证n值的正确性。

WidTC2000型全站仪就是采用动态扫描的绝对角度测量原理。

能大大地消除度盘分划误差的影响，消除了度盘偏心差的影响，观测值最小读数为0．1″。

一测回观测中误差±0．5″，水平方向，天顶距同时测量的时间为0．9秒。

有关具体操作使用请见说明书。

此处不繁述。

三、水平角观测1．经纬仪的对中、整平和瞄准对中有垂球对中和光学对中。

目前生产的经纬仪均带有光学对点器，一般可采用光学对中，用垂球对中时，对中误差一般应小于3mm。

光学对中误差一般应小于lmm。

但边长越长，对中精度可低一些，边长越短，若要保证同样的测角精度，对中的精度要求就高。

整平：调整脚螺旋(3个)使照准部上的管水准器气泡居中，从而使水平度盘处于水平位置，竖轴竖直。

光学对中和整平工作要交替进行。

因为整平后光学对中会偏离点位，所以对中和整平这两步工作需要反复进行，直到在限差内为止。

整平误差不应超过水准管一格分划值。

瞄准：先调节目镜使十字丝清晰，然后照准目标，调节物镜，使物像清晰，观测水平面时，应尽量瞄准目标的底部，从而提高照准精度。

2．水平角观测的方法水平角的观测方法，视测量工作要求的精度，施测时所用的仪器以及观测方向的多寡而定。

一般有测回法、复测法和全圆测回法三种方法，下面简介测回法和全圆测回法。

(1)测回法如图3—16所示，经纬仪置2点，盘左位置(即正镜)，扳起复测钮，转动照准部，视窗口读数略大于0°，扳下复测钮，这时水平度盘与照准部一起转动，照准前视点3，旋紧水平制动螺旋，扳起复测钮，读取水平度盘读数h，记录入簿(表3—1第4栏中)，放松水平制动螺旋，顺时针方向转动照准后视点 1，读数a l记录入簿，则盘左所测得角值β左：a l-b1称上半测回。

图3—16测回法测角盘右位置(即倒镜)松开水平制动螺旋，先照准后视点1，读数a2，再逆时针照准前视点3，读数a2，则得下半测回角值β右=a2-b2。

进行正镜，倒镜观测，主要是消除或削弱仪器误差对测角的影响。

最后角值：β=(β左+β右)／2两个半测回角值之差，对于J6，应小于40"，对于游标经纬仪，应小于2t，t为游标最小读数。

表3-1 测回法观测手簿(2)全圆测回法，当一个测站上要观测几个角度，即观测方向多于三个时，一般采用此法观测。

如图3—17为一四等三角网中盟山测站有四个方向，为测出各方向相互之间的角值，可用全圆测回法先测出各方向值。

图3—17全圆测回法观测方向值在盟山点安置经纬仪，盘左位置，瞄准第一个目标(取通视好，成像清晰的目标)，此处选麻塘作为第一目标，通常称为零方向，旋紧水平制动螺旋，转动水平微动螺旋精确瞄准，转动度盘变换器使水平度盘读数略大于0°，再检查望远镜是否精确瞄准，旋进测微手轮，使分划重合读一次数，退回一点再旋进重合读——次数，二次读数之差，对于J2经纬仪，不允许超过3"，零方向读数与置数之差不充许超过测微器增量的一半。

顺时针方向旋转照准部，依次照准周家、义山、大坳……等点，最后闭合到零方向(麻塘)所有读数依次序记在手盘在栏内。