[发明专利]一种集成GNSS和激光跟踪仪的垂线偏差测量装置及方法

权利要求书

1.一种集成GNSS和激光跟踪仪的垂线偏差测量装置，其特征在于，包括一基座、一圆筒、一自由落体靶球、若干固定靶球、一激光跟踪仪以及若干个GNSS接收机；

其中，圆筒垂直安装于基座上，且圆筒的中心与基座的中心对准；

激光跟踪仪位于圆筒内；

激光跟踪仪安装于圆筒顶盖的内侧壁中心位置，或安置于圆筒内侧底部中心位置；

固定靶球设置在圆筒内壁上，且各固定靶球在体固坐标系中坐标已知；

自由落体靶球位于圆筒内且可进行自由落体运动；

自由落体靶球和固定靶球均为与激光跟踪仪配套且能被激光跟踪仪实时跟踪的靶球；

GNSS接收机安装于基座上且位于圆筒外侧；

各GNSS接收机天线中心在体固坐标系中坐标已知；

在基座上还设有用于指示垂线偏差测量装置调平的水准气泡；

在基座下方安装有若干个高度可调节的脚架，在每个脚架上安装一个高度调节旋钮；

体固坐标系是以圆筒底部圆心为原点，Z轴沿圆筒中心轴指向圆筒顶部，X轴垂直于Z轴并指向一固定GNSS接收机天线中心，Y轴垂直于XZ平面，和X、Z轴构成右手坐标系；

所述固定靶球有六个，每两个固定靶球作为一组；同一组中两个固定靶球高度相等；

取三组固定靶球中的任意两组，其中同一组的两个固定靶球之间的连线在基座平面内的投影与另一同组的两个固定靶球之间的连线在基座平面内的投影之间形成一定夹角。

2.一种集成GNSS和激光跟踪仪的垂线偏差测量方法，采用如权利要求1所述的集成GNSS和激光跟踪仪的垂线偏差测量装置，其特征在于，该方法包括如下步骤：

s1.集成GNSS和激光跟踪仪的垂线偏差测量装置的安置

首先在测区内较为开阔的地带选择测点P，然后将基座的中心对准测点P，参照水准气泡，利用高度调节旋钮调节脚架的高度进行垂线偏差测量装置的整平，将圆筒内部抽成真空；

s2.利用GNSS接收机获取测点P在地固坐标系下的坐标及体固坐标系与地固坐标系之间的转换参数

打开GNSS接收机进行GNSS观测，分别获得各个GNSS接收机天线中心在地固坐标系下的空间直角坐标，进一步获得测点P在地固坐标系下的空间直角坐标和大地坐标；

根据GNSS接收机天线中心在地固坐标系下的空间直角坐标及其在体固坐标系下的坐标，求得体固坐标系与地固坐标系之间的转换参数；

s3.利用激光跟踪仪获取独立坐标系与体固坐标系转换参数及重力方向矢量

在对自由落体靶球进行自由落体跟踪测量之前，利用激光跟踪仪对各固定靶球进行测量，获得各固定靶球在独立坐标系下的坐标，利用固定靶球在独立坐标系下的坐标以及固定靶球在体固坐标系下的坐标，求得独立坐标系与体固坐标系之间的转换参数；

利用激光跟踪仪对自由落体靶球进行自由落体跟踪测量，获得自由落体靶球在独立坐标系下的空间坐标序列，根据已求得的独立坐标系与体固坐标系之间的转换参数和体固坐标系与地固坐标系之间的转换参数，将自由落体靶球在独立坐标系下的空间坐标序列转换到地固坐标系下；利用最小二乘法从地固坐标系下的空间坐标序列中获得重力方向矢量g_di；

其中，独立坐标系是以激光跟踪仪的镜头中心为原点建立的XYZ三维直角坐标系；

s4.求得测点P的天文大地垂线偏差及其子午圈和卯酉圈分量

设地固坐标系对应的参考椭球长半轴为a，地球扁率为α，则椭球短半轴b＝a-a·α；

若由GNSS测得的测点P在地固坐标系下的坐标为(X₀,Y₀,Z₀)，则：

测点P处的椭球面法向矢量P为

过测点P的子午面的法线方向矢量为

过测点P的卯酉面的法线方向矢量为

通过公式(1)可求得天文大地垂线偏差u：

通过公式(2)将重力方向矢量g_di分别投影到子午面和卯酉面上，即：

其中，g_me为重力方向矢量g_di子午面分量，g_pr为重力方向矢量g_di卯酉面分量；

天文大地垂线偏差的子午圈分量和卯酉圈分量可由式(3)求得：

其中，ξ为天文大地垂线偏差的子午圈分量，η为天文大地垂线偏差的卯酉圈分量；

s5.求得测点P的重力垂线偏差及其子午圈和卯酉圈分量

通过斯托克斯方法求得测点P处的正常重力方向矢量g_nor，测点P处的重力垂线偏差u_g即为即为重力方向矢量g_di与正常重力方向矢量之间的夹角，可由公式(4)求得：

重力垂线偏差的子午圈分量和卯酉圈分量可由公式(5)求得：

3.根据权利要求2所述的一种集成GNSS和激光跟踪仪的垂线偏差测量方法，其特征在于，所述垂线偏差测量方法还包括如下步骤：

s6.根据天文大地垂线偏差及其子午圈和卯酉圈分量的结果求得测点的天文经纬度

已求得测点P处天文大地垂线偏差的子午圈分量ξ和卯酉圈分量η，且测点P在地固坐标系下的大地坐标(B,L)可由GNSS观测获得，那么可由天文经纬度和大地经纬度以及垂线偏差之间的关系求得测点处的天文经纬度计算方法如公式(6)所示：