專利名稱：雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法
技術領域：
本發明方法屬于天文學檢測技術領域，特別涉及經緯儀水平軸軸端偏擺的檢測方法。
背景技術：
軸系由于軸承跳動的存在，會使軸線產生微量的軸線擺動。在通常的機械機構中，一般采用軸系預緊的辦法消除軸承間隙以及減小軸承跳動，從而減小軸線的擺動量。在天體測量儀器中，軸線的擺動會產生儀器的測量誤差。隨著天體測量儀器測量精度的不斷提高，使得通常的消軸隙方法不能滿足要求。因此低緯子午環采用了軸準直方法測量高度軸的軸線擺動。但是這一方法需要使用軸準直系統，結構比較復雜，而且數據處 理周期較長。

發明內容
為解決現有技術中采用軸準直方法測量經緯儀、子午儀等設備的高度軸的軸線擺動，存在測量儀器結構復雜、數據處理周期長的問題，本發明提供一種雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法，其技術方案如下雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法，包括以下順序步驟步驟I，安裝檢測裝置在經緯儀的高度軸的兩端，分別設置一號碼盤和二號碼盤，所述一號碼盤和二號碼盤均為角度編碼器；在相應于一號碼盤的叉臂上設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭，按順時針排列分別為讀數頭Ap Cp D1，其中讀數頭A1位于豎直方向的頂部，相鄰兩讀數頭之間的夾角為90 °，讀數頭A1、C1呈對徑設置，讀數頭B1、D1呈對徑設置，讀數頭A1、C1的連線與讀數頭B1、D1的連線呈正交；在相應于二號碼盤的叉臂上設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭，按順時針排列分別為讀數頭A2、B2, C2、D2，其中讀數頭A2位于豎直方向的頂部，相鄰兩讀數頭之間的夾角為90°，讀數頭A2X2呈對徑設置，讀數頭B2、D2呈對徑設置，讀數頭A2X2的連線與讀數頭B2、D2的連線呈正交；步驟2，采集望遠鏡指向各預設天頂距i時，各對徑讀數頭的讀數之差，建立各預設天頂距i與各對徑讀數頭的讀數之差的回歸模型，包括以下步驟步驟2. I :將經緯儀的方位碼盤旋轉至0°，使高度軸沿東西方向設置，使一號碼盤位于高度軸的西端，二號碼盤位于高度軸的東端；步驟2.2 :沿子午方向按相同的轉角步距旋轉高度軸，使望遠鏡分別指向若干個間距相同的預設天頂距，采集望遠鏡指向每一個預設天頂距i時，讀數頭仏、^的讀數之差(ArC1)i，讀數頭Bi、D1的讀數之差(BrD1)i，讀數頭A2、C2的讀數之差(A2-C2)i，讀數頭B2、D2的讀數之差(B2-D2)i ；
步驟2. 3 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乘法從上式中解算出參數AAQ1、rcll和acll，其中，AAtll代表對徑讀數頭Ap C1的讀數之差的零點偏差；步驟2. 4 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乘法從上式中解算出參數rcl2和acl2，其中，Λ Btll代表對徑讀數頭D1的讀數之差的零點偏差；取!^=^·^+!·^)/2，式中的1^代表一號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的幅值； 取aa=(acll+aa2)/2，式中的aa代表一號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的初位相；步驟2. 5 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乘法從上式中解算出參數AAc^ rC21和aC21，其中，Λ Atl2代表對徑讀數頭A2、C2的讀數之差的零點偏差；步驟2. 6 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乘法從上式中解算出參數Λ rC22和aC22，其中，ABtl2代表對徑讀數頭B2、C2的讀數之差的零點偏差；取rC2=(rC21+rC22)/2，式中的rC2代表二號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的幅值；取aC2=(aC21+aC22)/2，式中的aC2代表二號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的初位相；步驟3，對觀測待測星體時高度軸軸端偏擺的實時測算步驟3. I :將經緯儀的方位碼盤旋轉至0°，使高度軸沿東西方向設置，使一號碼盤位于高度軸的西端，二號碼盤位于高度軸的東端；步驟3. 2 :沿子午方向旋轉高度軸，使望遠鏡分別指向天頂距為z的待測星體，采集讀數頭A、C1的讀數之差(A1-C1)z，讀數頭D1的讀數之差(B1-D1)z，讀數頭A2、C2的讀數之差(A2-C2)i，讀數頭民、D2的讀數之差(B2-D2)i，分別代入下述公式5-8中，并且將步驟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 ；由上述公式分別解算出Δ θΑα、Δ Θ腦、Δ 0AC2和Δ θ·，其中，Δ θ AC1和Δ θ ■分別為觀測待測星體時高度軸西端向北和向上的偏移量，Δ ΘΑΚ和△ ΘΒΙ)2分別為觀測待測星體時高度軸東端向南和向上的偏移量；取(Λ θ Αει+Δ Θ AC2)/2為觀測待測星體時高度軸東端相對于西端在南北方向上的偏擺量;取(Λ Θ BD1- Δ Θ BD2) /2為觀測待測星體時高度軸東端相對于西端向上的偏擺量。
作為本發明的優先方案所述步驟2中的預設天頂距i是指-75°和75°之間的步距為1°的整數值角度。作為本發明的進一步優先方案所述觀測待測星體時高度軸東端相對于西端向上的偏擺量為I1Sinr' ( Δ Θ AC1+ Δ Θ AC2)/2,式中I1為一號碼盤的半徑；所述觀測待測星體時高度軸東端相對于西端向上的偏擺量為I2Sinl" ( Λ Θ BD1- Δ ΘΒΙ)2)/2，式中 I2 為二號碼盤的半徑。上述方案中，也可以將一號碼盤設置于高度軸的東端，二號碼盤設置于高度軸的西端。 上述方案中，所述的向上的偏移量均是指與重力方向相反的方向上的偏移量，比如Λ ΘΒΜ為觀測待測星體時高度軸西端向上的偏移量，其含義為Λ θ·為觀測待測星體時高度軸西端在與重力方向相反的方向上的偏移量。本發明方法采用在高度軸的兩端，各設置一只高度鋼帶碼盤，即數字角度編碼器，以及兩對正交對徑分布的讀數頭，由各碼盤偏心誤差的變化，即對徑兩讀數頭讀數之差值的變化，分別解算出各軸端由軸系誤差引起的跳動方向和量值，進而解算出高度軸在觀測過程中的實時偏擺的方向和量值，從而替代軸準直器，由于光柵碼盤的測量結果是數字量，因此大大提高了高度軸線擺動量測量的效率。原來采用軸準直系統測量軸線擺動，獲得模擬圖像，再進行數字處理得到數字信號。每晚觀測得到的圖像，需耗時4小時進行處理。而采用雙碼盤檢測后，可即時獲得擺動參數，甚至實現實時測定。


圖I為實施本發明方法所使用的經緯儀的主視圖；圖2為圖I中讀數頭Ap CpD1沿W方向在一號碼盤上的投影示意圖；圖3為圖I中讀數頭A2、B2、C2、D2沿E方向在二號碼盤上的投影示意圖。
具體實施例方式在云南天文臺研制的多功能天文經緯儀上，望遠鏡的高度軸通過兩只軸承安裝在兩邊的叉臂上，無論器件如何精密、裝配如何良好，高度軸兩端的幾何中心總會產生不同的位置變化，進而引起高度軸軸線指向的變化，使得望遠鏡的指向也隨之變化，從而影響天文測量的可靠性；本發明采用如下方法解決這一問題如圖I所示，在高度軸3兩端各裝置一只高度碼盤，即一號碼盤I和二號碼盤2，每只碼盤外側的叉臂4上都配備四只讀數頭，呈上下左右正交對徑分布如圖2所示，在位于一號碼盤I外側的叉臂4上設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭，按順時針排列分別為讀數頭ApB1XpD1，其中讀數頭A1位于豎直方向的頂部，相鄰兩讀數頭之間的夾角為90 °，讀數頭A1、C1呈對徑設置，讀數頭B1、D1呈對徑設置，讀數頭A1、C1的連線與讀數頭BpD1的連線呈正交；如圖3所示，在位于二號碼盤2外側的叉臂4上設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭，按順時針排列分別為讀數頭A2、B2、C2、D2，其中讀數頭A2位于豎直方向的頂部，相鄰兩讀數頭之間的夾角為90°，讀數頭A2、C2呈對徑設置，讀數頭B2、D2呈對徑設置，讀數頭A2、C2的連線與讀數頭B2、D2的連線呈正交；高度軸3設置在經緯儀的叉臂4上，位于一號碼盤I和二號碼盤3之間的高度軸3上設置有望遠鏡5 ；在觀測每顆星時，除了用于讀取望遠鏡5指向的天頂距以外，還能同時檢測高度軸3指向的變化量，用于對觀測數據作修正。碼盤讀數誤差
作為一只讀數頭的讀數誤差，可以分為讀數隨機誤差、刻線分劃誤差和偏心誤差，
共三類讀數隨機誤差，對于直徑35cm碼盤，在4000細分的條件下，一般僅有±0〃. 006，在這里±0". 01的要求下，可以不予考慮；刻線分劃誤差是一項比較大的誤差，有隨機成分，也有多種周期成分，可以達到±0". 6的量級，必須采用專門的方法，以優于±0". 01的精度，預先測定出來對相應的讀數作修正，即對整個碼盤的55040條刻線，按順序編號，測得出每條刻線的內閉合刻劃誤差改正值，列表備用，當觀測讀數涉及到某條刻線時，按編號調出這條刻線的改正值，對讀數作修正，這是本方法能否實施的前提條件；偏心誤差，對于在不同天頂距觀測而言，是不斷變化著的，因為讀數頭安裝在叉臂上，是不動的，而碼盤安裝在高度軸的軸端，高度軸的軸端軸承外圈也固定在叉臂上，在高度軸的轉動中，軸承的誤差將引起高度軸軸端、乃至高度碼盤產生相應的偏擺。關于偏心誤差一只讀數頭讀數中的偏心誤差，包含有兩種成分第一種是周期性的偏心誤差，屬于裝配誤差，即碼盤刻劃中心，或稱幾何中心與高度軸的理想的旋轉中心之間不一致引起的誤差，這一誤差是360°的周期項，即碼盤隨著高度軸旋轉一周，碼盤刻劃中心繞著高度軸旋轉中心描繪一個正規的圓，它的影響在一只讀數頭讀數中的誤差值隨是一條光滑的正弦曲線。換言之，偏心距誤差隨轉動角度——這里用天頂距表示一是正弦函數，該正弦函數的極坐標也可以表示為一個圓。在兩個“中心”偏差的安裝精度達到5 μ m的情況下，圓半徑約為角秒的量級，這是偏心誤差的一種規則變化；第二種是不規則變化的偏心誤差，是碼盤幾何中心相對于理想圓軌跡的變化，有隨機的成分，也有短周期成分，在軸承精度達到±10 μ m的情況下，其變化量約為±2〃的量級。同樣的誤差影響，在兩只對徑安裝(即安裝在通過旋轉中心的直徑的兩端)的兩只讀數頭讀數中的表現，除了讀數頭位置偏差不同以外，兩種偏心誤差效應的量值相等、符號相反，所以取對徑兩只讀數頭的讀數平均值(即所謂對徑讀數)能消除除了讀數頭位置偏差影響以外的偏心誤差及其變化。在與一組對徑讀數頭正交的另外兩只對徑讀數頭讀數中，兩種偏心誤差的效應與上述前一組的第一只讀數頭的誤差效應在相位上相差±90°。這樣，取一只讀數頭讀數減去與其對徑的讀數頭的讀數，其差值隨碼盤轉動的變化就包含了兩只讀數頭的兩種偏心誤差效應，其中第一種偏心誤差表現為兩倍，也包含讀數頭位置偏差引起的不變的效應(即后面的零點偏差)。偏心誤差的消除本發明所述的兩只碼盤分別記為一號碼盤I和二號碼盤2，其中一號碼盤I安裝在儀器方位示值為O時(高度軸此時為東西方向)的高度軸3的西端，二號碼盤2在東端。后面述及高度軸3的偏擺均以此時的狀態為基準。每個碼盤配裝4個讀數頭，理想情況下在零點位置時，對徑兩讀數頭的讀數之差為一個定值。如果預先在天頂距±75°間作測量(步距可取為1° )，則在每個碼盤上的四個讀數數列(每個讀數頭的讀數構成一個讀數數列)中，每一只的周期性的偏心誤差均呈150°范圍的正弦曲線變化，對徑的兩只讀數頭的偏心誤差相位相差180° ;而不規則變化的偏心誤差，在對徑兩只讀數頭的數據中的變化方向相反，在讀數頭可以正常讀數的情況下，變化量的絕對值是相等的。在與A、C正交的兩只對徑讀數頭B、D的讀數中，周期性的偏心誤差也都呈現光滑的150°的正弦曲線弧，幅值相等，相位與讀數頭A的相差±90°，而不規則變化的偏心誤差也呈現隨機變化，除了對徑兩只的變化方向相反以外，與讀數頭A的比較，其量級和方向還有相位相差±90°的關系。當然，四個讀數頭的讀數之間存在著相對穩定 的系統差異，即讀數頭位置偏差的不同影響。根據這樣的關系，基于第一種偏心誤差，即周期性的偏心誤差呈現光滑的150°的正弦曲線弧，可以先從四列數據中初步消去第二種偏心誤差，即不規則變化的偏心誤差，以便減小在解算周期性的偏心誤差的參數時隨機誤差的影響，即將對徑兩讀數頭讀數數列作比較，平滑掉偏離光滑曲線、兩者符號相反的偏離量。下面是解算周期性的偏心誤差的參數首先把不規則變化的偏心誤差作為隨機誤差，來解算出周期性的偏心誤差的正弦波幅值和初位相和ac。具體的計算方法是把一號碼盤I順時針排列的四個讀數頭A1A1XpD1的四列讀數組合成兩列讀數差值(A1-C1)i和(B1-D1)i，列出誤差方程組(下標為每步測量的天頂距)
權利要求
1.雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法，其特征在于，包括以下順序步驟 步驟I，安裝檢測裝置 在經緯儀的高度軸的兩端，分別設置一號碼盤和二號碼盤，所述一號碼盤和二號碼盤均為角度編碼器； 在相應于一號碼盤的叉臂上設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭，按順時針排列分別為讀數頭A1.B1X1.D1，其中讀數頭A1位于豎直方向的頂部，相鄰兩讀數頭之間的夾角為90°，讀數頭A1. C1呈對徑設置，讀數頭B1J1呈對徑設置，讀數頭A1. C1的連線與讀數頭BpD1的連線呈正交； 在相應于二號碼盤的叉臂上設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭，按順時針排列分別為讀數頭A2、B2、C2、D2，其中讀數頭A2位于豎直方向的頂部，相鄰兩讀數頭之間的夾角為90°，讀數頭A2、C2呈對徑設置，讀數頭B2、D2呈對徑設置，讀數頭A2、C2的連線與讀數頭B2、D2的連線呈正交； 步驟2，采集望遠鏡指向各預設天頂距i時，各對徑讀數頭的讀數之差，建立各預設天頂距i與各對徑讀數頭的讀數之差的回歸模型，包括以下步驟 步驟2. I :將經緯儀的方位碼盤旋轉至0°，使高度軸沿東西方向設置，使一號碼盤位于高度軸的西端，二號碼盤位于高度軸的東端； 步驟2. 2:沿子午方向按相同的轉角步距旋轉高度軸，使望遠鏡分別指向若干個間距相同的預設天頂距，采集望遠鏡指向每ー個預設天頂距i吋，讀數頭A1. C1的讀數之差(ArC1) i;讀數頭B1. D1的讀數之差(BrD1) i，讀數頭A2^c2的讀數之差(A2-C2) i；讀數頭B2、D2的讀數之差(B2-D2)i ； 步驟2. 3 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乗法從上式中解算出參數AAtll. rcll和aai，其中，AA01代表對徑讀數頭A1. C1的讀數之差的零點偏差； 步驟2. 4 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乗法從上式中解算出參數ABtll. rcl2和aa2，其中，AB01代表對徑讀數頭BpD1的讀數之差的零點偏差； 取ra=(rai+ra2)/2，式中的ra代表一號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的幅值； 取aa=(acll+aa2)/2，式中的acl代表一號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的初位相； 步驟2. 5 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乗法從上式中解算出參數AAtl2. rC21和aC21，其中，AA02代表對徑讀數頭A2、C2的讀數之差的零點偏差； 步驟2. 6 :將所有預設天頂距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是隨機誤差，用最小二乗法從上式中解算出參數ABtl2. rC22和aC22，其中，AB02代表對徑讀數頭B2、C2的讀數之差的零點偏差； 取rC2=(rC21+rC22)/2，式中的rC2代表二號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的幅值；取aC2=(aC21+aC22)/2，式中的aC2代表二號碼盤的周期性偏心誤差正弦曲線的初位相； 步驟3，對觀測待測星體時高度軸軸端偏擺的實時測算 步驟3. I :將經緯儀的方位碼盤旋轉至0°，使高度軸沿東西方向設置，使一號碼盤位于高度軸的西端，二號碼盤位于高度軸的東端； 步驟3. 2 :沿子午方向旋轉高度軸，使望遠鏡分別指向天頂距為z的待測星體，采集讀數頭Ap C1的讀數之差(A1-C1)z，讀數頭D1的讀數之差(B1-D1)z，讀數頭A2、C2的讀數之差(A2-C2)i，讀數頭B2、D2的讀數之差(B2-D2)i，分別代入下述公式5-8中，并且將步驟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 ； 由上述公式分別解算出A 0AC1、A 0—、A 0AC2和A 0BD2，其中，A 0AC1和A 0BD1分別為觀測待測星體時高度軸西端向北和向上的偏移量，A 0Ae2和A eBD2分別為觀測待測星體時高度軸東端向南和向上的偏移量； 取(A 0ac1+A 0Ae2)/2為觀測待測星體時高度軸東端相對于西端在南北方向上的偏擺量; 取(A 0 BD1- A 0 BD2) /2為觀測待測星體時高度軸東端相對于西端向上的偏擺量。
2.根據權利要求I所述的雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法，其特征在于 所述步驟2中的預設天頂距i是指-75°和75°之間的步距為1°的整數值角度。
3.根據權利要求I或2所述的雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法，其特征在于 所述觀測待測星體時高度軸東端相對于西端在南北方向上的偏擺量為I1Sinr' ( A 0 AC1+ A 0 AC2)/2,式中I1為一號碼盤的半徑； 所述觀測待測星體時高度軸東端相對于西端在向上的偏擺量為I2Sinl" ( A 0 BD1-A 0BD2)/2，式中I2為二號碼盤的半徑。
全文摘要
雙碼盤檢測經緯儀高度軸軸端偏擺的方法，屬于天文技術領域，解決了現有測量經緯儀高度軸偏擺的軸準直儀結構復雜、數據處理周期長的問題，包括以下步驟步驟1，在經緯儀的高度軸的兩端，分別設置一號碼盤和二號碼盤，在每支碼盤相應的叉臂上分別設置兩對呈對徑正交分布的讀數頭；步驟2，采集望遠鏡指向各預設天頂距時，各對徑讀數頭的讀數之差，建立各預設天頂距與各對徑讀數頭的讀數之差的回歸模型；步驟3，對觀測待測星體時高度軸軸端偏擺的實時測算。本發明方法中的光柵碼盤的測量結果是數字量，因此大大提高了高度軸線擺動量測量的效率，可以實現實時測定。
文檔編號G01B11/00GK102853766SQ201210367038
公開日2013年1月2日 申請日期2012年9月27日 優先權日2012年9月27日
發明者楊磊, 程向明, 蘇婕, 陳林飛, 王建成, 李彬華, 冒蔚, 鐵瓊仙 申請人:中國科學院云南天文臺