一種基于激光跟蹤儀的地理坐標系建立方法

□ 馮祝雷 □ 李 明 □ 丁海東

上海大學 上海市智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

一種基于激光跟蹤儀的地理坐標系建立方法

□ 馮祝雷 □ 李 明 □ 丁海東

上海大學 上海市智能制造及機器人重點實驗室 上海 200072

地理坐標系是用于確定物體在地球上位置的坐標系，廣泛應用于工業數字測量領域。隨著工業生產向高精度、極端化發展，工業測量系統必須滿足大范圍、快速、動態跟蹤、高精度等要求。在工業測量中，一些高精度的測量儀器如激光跟蹤儀的使用越來越廣泛，但是，這些工業測量用高精度測量儀器并不具備建立地理坐標系的能力，這給高精度測量儀器在工業測量中的大范圍使用增加了困難。針對工業測量用高精度測量儀器并不具備得到經緯度方向能力的缺點，提出一種激光跟蹤儀建立地理坐標系的方法。

地理坐標系 激光跟蹤儀 工業測量

工業測量是指工業制造和設備安裝工程中對部件和產品形體進行精密的三維坐標測量，實時測定出被觀測對象的位置、形狀、運行軌跡和變形參數等三維數據［1］。工業測量是現代工業生產不可缺少的重要生產環節之一［2］。

在工業測量中，坐標系的建立是測量最基本的前提條件。空間坐標系主要分為地理坐標系、空間直角坐標系、投影坐標系［3］，其中，地理坐標系也稱為真實世界的坐標系，是用于確定物體在地球上位置的坐標系，廣泛應用于工業數字測量領域。地理坐標系的建立方法有很多，包括3-2-1方法、一面兩銷方法、空間最佳擬合方法等。這些方法雖然可以建立地理坐標系，但是都必須以直接或間接的點、線、面這些基本要素為基礎，方能得到這些基本要素的經緯度方向及坐標原點，但是大多用于工業測量中的高精度測量儀器，并不具備得到經緯度方向的能力［4］。隨著工業生產向高精度、極端化發展，工業測量系統必須滿足大范圍、快速、動態跟蹤、高精度等要求。激光跟蹤儀因其快速、動態、高精度等特點，在精密工業測量領域的應用越來越廣泛，但是激光跟蹤儀并不能直接建立地理坐標系。

筆者在對上述地理坐標系的建立方法進行系統研究的基礎上，提出一種基于激光跟蹤儀的地理坐標系構建方法。通過結合使用激光跟蹤儀和經緯儀，快速高精度地建立地理坐標系，滿足高精度工業測量需求。

1 激光跟蹤儀

激光跟蹤儀是一種工業測量儀器，它最突出的特點是快速、動態、高精度，因此已被廣泛應用于航空航天、機械制造、造船、汽車、新能源等大尺寸的精密工業測量領域。激光跟蹤儀結構［5］由跟蹤頭、目標反射鏡、控制箱和測量軟件等組成，跟蹤儀內部有一套激光干涉儀、兩套角度編碼器、電機以及光電接收器件等，其系統結構如圖1所示。

▲圖1 激光跟蹤儀的系統結構

激光跟蹤測量系統的基本工作原理［6］：由激光干涉儀發射出的測量光束,經過分光鏡到達跟蹤轉鏡之后,由跟蹤轉鏡反射到目標鏡中心,由目標鏡中心入射的光線按原光路返回,到達分光鏡后，一部分激光束被反射到光電位置檢測器,另一部分光束進入干涉系統與參考光束匯合從而進行位移測量。進入光電檢測器的光束用于實現對目標鏡的跟蹤,平衡狀態時位置檢測器輸出信號為零，此時控制系統并沒有信號輸出；當目標靶鏡開始運動時，返回光束發生平移，在位置檢測器上產生偏差信號。該信號輸入到跟蹤控制系統，驅動電機帶動轉鏡圍繞反射基點旋轉，從而改變進入目標靶鏡的光束方向，使偏差信號減小，實現對目標靶鏡的跟蹤。

2 地理坐標系

地理坐標系是使用三維球面來定義地球表面位置，以實現通過經緯度對地球表面點位引用的坐標系。如圖2所示，將地球抽象成一個規則的逼近原始自然

地球表面的橢球體，稱為參考橢球體。參考橢球面上水平線為等緯度線，參考橢球面上垂直線是等經度線，地面沿法線到參考橢球面的距離為大地高［7］。

最常用的地理坐標系為經緯度坐標系：以地球的經度和緯度為坐標軸，經度為東西方向，為X軸；緯度為南北方向，為Y軸。地理坐標系包含6個基本要素，可由經緯度及右手坐標系原則確定的法矢方向為3個坐標軸，這樣確定了坐標系的方向，可滿足角度測量的任務。根據五四坐標系原則，用GPS等相關設備確定坐標原點，可滿足距離測量。

▲圖2 地理坐標系

▲圖3 一種激光跟蹤儀建立地理坐標系示意圖

3 地理坐標系建立方案

地理坐標系包含6個基本要素，可由經緯度及右手坐標系原則確定的法矢方向為3個坐標軸，這樣確定了坐標系的方向，可滿足角度測量的任務。如需測量距離，則需確定具體的坐標系位置，即需要得到確定的坐標原點，因為跟蹤儀是一個測量幾何量的儀器，本身與地理坐標系沒有任何關系。因此建立地理坐標系，需要借助于水平儀和經緯儀等相關設備，借助五四坐標系原則，用GPS來確定坐標原點。

筆者建立的地理坐標系，以經度為X軸，以緯度為Y軸，以基準水平面的法線方向為Z軸。通過對地理坐標系的建立進行系統研究，以X、Y軸分別表示經度和緯度，則需要建立基準水平面，基準水平面為參考橢球面在測量點的切平面，其次需要在測量空間內獲取南北與東西方向。經緯儀可用于測量角度，激光跟蹤儀可用于測量距離，筆者以經緯儀和激光跟蹤儀為測量儀器，建立地理坐標系。激光跟蹤儀自帶水平儀，可確定豎直方向即Z軸，北向通過經緯儀來實現。經緯儀通過4個靶球把北向引入到跟蹤儀內，如圖3所示。具體步驟如下。

（1）調節經緯儀的水平方向和豎直方向，找到正北方向，并將經緯儀置零。

（2）調節激光跟蹤儀，通過其自帶的水平儀，使其找正水平面。通過激光跟蹤儀軟件，可得到此時激光跟蹤儀所在水平面及其相對于地心的法矢方向，即激光跟蹤儀所在點與地心連線方向。找正后得到的水平面作為基準水平面P。

（3）在經緯儀所在空間任意布置2個激光跟蹤儀的靶球A和靶球B，并分別在靶球A、B與經緯儀原點所在大致方向放置兩個靶球C和D，對靶球C和D的具體位置沒有嚴格要求。

（4）調節經緯儀，對準靶球A的中心，測量其對應的水平角α1。固定此時水平角，轉動經緯儀的豎直角到一定位置。移動靶球C及微調經緯儀豎直角，使經緯儀對準靶球C的中心，以確保靶球A和C投影到水平面后處于同一直線上。

（5）調節經緯儀，對準靶球B的中心，測量其對應的水平角α2。固定此時水平角，轉動經緯儀的豎直角到一定位置。移動靶球D及微調經緯儀的豎直角，使經緯儀對準靶球D的中心，以確保靶球B和D投影到水平面P后處于同一直線上。

（6）運用激光跟蹤儀，測量4個靶球A、B、C和D，并將其投影到水平面P內，得到4個投影點A、B、C和D的坐標值，投影后得到的4個點的水平角與對應的4個靶球的水平角沒有發生變化：通過跟蹤儀軟件計算出點A、C連線和點B、D連線在水平面P內的交點O′，O′與A、B構成三角形，若以AB為X軸建立坐標系，需求出AB與正北方向夾角：AB連線與正北方向交于點E，AB連線與正北方向夾角為α角；為求出α角，由激光跟蹤儀軟件計算得到△ABO′內AB、AO′、BO′的長度，∠AO′B=α1-α2。

在△ABO′內，由余弦定理得：

（7）通過激光跟蹤儀軟件建立地理坐標系，以水平儀所得的法矢方向為Z軸，AB所在直線為X軸，原點可按實際需要，根據GPS等相關設備提供的坐標點確定，建立完成后得到坐標系T0。將所建坐標系T0繞Z軸旋轉-α角，即可得最后需要的地理坐標系T。轉換方程如下所示：

轉換矩陣R計算方式為：

建立地理坐標系的步驟流程如圖4所示。

▲圖4 建立地理坐標系的步驟流程圖

4 結論

坐標系的建立是測量最基本的前提條件，地理坐標系的應用尤為廣泛。筆者系統地研究了地理坐標系的建立方法，針對激光跟蹤儀不具備直接建立地理坐標系的能力，提出了一種直接用于激光跟蹤儀測量的地理坐標系建立方法。對于激光跟蹤儀的工業測量普及具有實用價值。該方法結構相對簡單，計算容易，精確度高；對于靶球的安放沒有嚴格要求，可根據現場實際情況來確定安放的具體位置，降低了操作的難度；對于其它不具備地理坐標系建立功能的測量儀器有一定借鑒作用。

［1］朱振宇，江國焰，王永明.工業測量系統自由坐標系建立方法研究［J］.礦山測量，2009（5）：63-66.

［2］馮文灝.工業測量［M］.武漢：武漢大學出版社，2004.

［3］韓晨，程軍，楊秀英.地理坐標系淺析［J］.價值工程，2012（32）：318-320.

［4］黃文鑫，李明，姜良銀，等.物體空間位置的實時測量方法研究［J］.機械傳動，2011，35（8）：20-24.

［5］張振友，李明，田應仲.物體空間姿態的實時測量方法研究［J］.機械設計與研究，2008，24（5）：83-87.

［6］張靚，李明，郁菁菁，等.物體空間動態測量方法的研究［J］.機械制造，2007，45（12）：54-56.

［7］郝向春，孔欣，常崢，等.淺談地理坐標系與投影坐標系在林業調查中的應用 ［J］.內蒙古林業調查設計，2014（4）：40-41.

（編輯 小 前）

攀鋼成功試制980 MPa級冷軋雙相鋼

攀鋼集團公司西昌鋼釩有限公司冷軋廠酸軋機組近日順利完成980 MPa級雙相鋼試軋，并成功軋制出厚度1.8 mm冷硬卷，合格率達到100%。據了解，此舉將為攀鋼加快結構調整和產品升級提供有力支撐。

980 MPa級冷軋雙相鋼是汽車用先進超高強度鋼板之一，是汽車實現輕量化的材料首選。目前，我國可批量、穩定生產這一鋼種的企業屈指可數。相關研究數據顯示，國外高強度鋼車身應用比例正在逐年增加，目前整體水平超過50%。我國汽車行業計劃用3～5年時間，將強度鋼車身應用比例從目前的約20%提高到40%以上。

攀鋼此次試軋的980 MPa級冷軋雙相鋼質量要求高，軋制工藝窗口較窄。由于原料卷本身硬度較高，達到酸軋機組產品的設計極限能力，生產難度較大。為確保該產品軋制成功，攀鋼西昌鋼釩公司嚴格按照產品大綱要求，優化酸軋機組入口開卷焊接、中部酸洗和軋機軋制等系統工藝，并對激光焊機、酸洗速度、拉矯機延伸率、卷取張力、軋制規程等進行了技術攻關，對相關技術參數進行重新匹配和調整修正，要求生產管理人員和崗位操作人員嚴格按照規程進行操作，保證軋制過程穩定受控。在生產過程中，攀鋼釩鈦鋼研究所汽車板研發團隊的專家進行了跟蹤指導，提出優化方案，成功完成軋制。

（孟祥林 高 飛 蘇 琳）

TH744

A

1000-4998（2015）10-0059-03

2015年4月