测量机器人在FAST馈源动态跟踪测量中的应用
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摘要
全站仪发展到今天，可以实现测量的全自动化、智能化。自动目标识别跟踪的功能在动态测量中有着广阔应用领域，尤其在小尺度局部坐标测量当中，测量精度、灵活机动、快速便捷、无接触等方面，有着其它测量技术不可比拟的优势。FAST总体组为此购进三台套TCRA1101plus全自动全站仪用于FAST50缩比模型馈源的动态跟踪测量。
基于上述背景，本文对全自动全站仪及其相关测量设备进行了相应的研究，论述了全自动全站仪的跟踪测量原理，分析了动态测量的跟踪特性。对观测合作目标进行实验测试，解释了棱镜定位误差的成因，并给出相应改正公式。
在此基础上研制了多台仪器在线控制高频采样动态跟踪测量系统，采样率大于5Hz，在跟踪小于2cm/s低速运动目标时，测量精度好于2mm；完成对馈源二次精调系统的检测，包括对二次精调平台位置基准的标定和观测棱镜偏心差的测定；设计不同动态测量实验，对全站仪动态跟踪的误差来源和特点进行了分析；从实验角度，对全站仪的测量时滞及其稳定性进行了测试分析，给出了定量的结果；比较了全站仪和计算机的内部时间系统，发现两者存在较大差异。研究成果在西安电子科技大学和清华大学FAST50米缩比模型实验中得以成功应用，为FAST馈源动态测量提供一种有效可行的测量技术方案。
With the development of technology of Total Station Instrument, Automatics and intelligence has been realized in the surveying field. Especially, the function of Automatic Target Recognition has been widely used in the field of kinetic survey. It has the advantages such as highly precision, the flexibility, more efficient use and untouched measurement etc. So that, FAST project purchased three sets of TCRA1101plus Total Station Position System applied for tracking survey in FAST 50 meters model's feed supporting system.
In this dissertation, we studied the TCRA1101plus Total Station Position System,which Introduced the principle and characters of the instrument's closed loop tracking system.Also we explained the cause of prism's position error and brought forward mathematic model to correct, Moreover,the good results has been drawn form the expenriments.
The kinetic survey system have been realized, which the sampling rate attain more than 5Hz and the position precision can be less than 2mm on condition that targeted-point moving slowly at the velocity below 2cm/s. Having finished the survey system to examine whether the fine-tuning Stewart platform in good status, we have finished mensurating the position reference of the fine-tuning Stewart platform and the offset of the prism. The analysis of the erro resources and its characters have been tested in experiments. And that, the magnitude of time delay in kinetic survey and its unstability both were presented which drawn from the testing.Having Compared the time system in computer with the Total Station Instrument's,we have known the difference. The results of the research was succeeded in applying to the experiments of the FAST 50 meters model in the Xidain University and Thsinghua University.Moreover, which also provided a feasible and available project for surveying the kinetic feed hi FAST 500 meters pro
totype.
基于上述背景，本文对全自动全站仪及其相关测量设备进行了相应的研究，论述了全自动全站仪的跟踪测量原理，分析了动态测量的跟踪特性。对观测合作目标进行实验测试，解释了棱镜定位误差的成因，并给出相应改正公式。
在此基础上研制了多台仪器在线控制高频采样动态跟踪测量系统，采样率大于5Hz，在跟踪小于2cm/s低速运动目标时，测量精度好于2mm；完成对馈源二次精调系统的检测，包括对二次精调平台位置基准的标定和观测棱镜偏心差的测定；设计不同动态测量实验，对全站仪动态跟踪的误差来源和特点进行了分析；从实验角度，对全站仪的测量时滞及其稳定性进行了测试分析，给出了定量的结果；比较了全站仪和计算机的内部时间系统，发现两者存在较大差异。研究成果在西安电子科技大学和清华大学FAST50米缩比模型实验中得以成功应用，为FAST馈源动态测量提供一种有效可行的测量技术方案。
With the development of technology of Total Station Instrument, Automatics and intelligence has been realized in the surveying field. Especially, the function of Automatic Target Recognition has been widely used in the field of kinetic survey. It has the advantages such as highly precision, the flexibility, more efficient use and untouched measurement etc. So that, FAST project purchased three sets of TCRA1101plus Total Station Position System applied for tracking survey in FAST 50 meters model's feed supporting system.
In this dissertation, we studied the TCRA1101plus Total Station Position System,which Introduced the principle and characters of the instrument's closed loop tracking system.Also we explained the cause of prism's position error and brought forward mathematic model to correct, Moreover,the good results has been drawn form the expenriments.
The kinetic survey system have been realized, which the sampling rate attain more than 5Hz and the position precision can be less than 2mm on condition that targeted-point moving slowly at the velocity below 2cm/s. Having finished the survey system to examine whether the fine-tuning Stewart platform in good status, we have finished mensurating the position reference of the fine-tuning Stewart platform and the offset of the prism. The analysis of the erro resources and its characters have been tested in experiments. And that, the magnitude of time delay in kinetic survey and its unstability both were presented which drawn from the testing.Having Compared the time system in computer with the Total Station Instrument's,we have known the difference. The results of the research was succeeded in applying to the experiments of the FAST 50 meters model in the Xidain University and Thsinghua University.Moreover, which also provided a feasible and available project for surveying the kinetic feed hi FAST 500 meters pro
totype.
引文
[1]《国际大射电望远镜(LT)争建建议书 国际大射电望远镜中国推进委员会 1996
[2]《FAST总结报告》中国科学院国家天文台大射电望远镜实验室2000
[3]《FAST动态馈源测量系统研究报告》解放军信息工程大学FAST课题组2001
[4]《FAST测量技术研究报告》解放军信息工程大学FAST课题组 2001
[5]《大射电望远镜移动小车支撑方案之实验研究》清华大学fast工程组 2001
[6]《大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究》西安电子科技大学fast课题项目组 2002
[7]《500m口径主动球面望远镜(FAST)反射面系统分析设计与试验研究》同济大学FAST项目课题组 2000
[8]《天线结构分析、优化和测量》段宝岩 西安电子科技大学 1998
[9]《大射电望远镜悬索式馈源支撑系统的非线性静力学、运动学和动力学理论及方法的研究》孙欣 西安电子科技大学博士论文 2001
[10]《工业测量系统》李广云 倪涵 徐忠阳 著 解放军出版社1994
[11]《电子速测技术》段定乾 解放军出版社1997
[12]《全站仪原理》徕卡全站仪技术手册
[13]《TPS1000全站仪定位系统操作手册》徕卡测量系统有限公司
[14]《电子速测实用技术》夏治国 测绘学院1996
[15]《徕卡TPS1000系统》张良琚 测绘学院1997
[16]《全站仪的使用与数据通讯》张良琚 倪涵 香港：徕卡仪器有限公司1992
[17]《TPS1100用户操作手册》徕卡测量系统有限公司
[18]《红外测距仪及其检测》杨德膦 测绘出版社 1989
[19]《自动极坐标实时差分测量系统及其在大坝外部变形监测中的应用》包欢 测绘学院硕士论文2000
[20]《激光跟踪仪和全站仪测量系统在上海光源工程中的应用研究》陈继华 测绘学院硕士论文2001
[21]《GPS卫星测量原理与应用》周忠谟 等 测绘出版社1992
[22]《GPS卫星导航与精密定位》许其凤 解放军出版社1994
[23]《大地坐标系的建立》朱华统 测绘出版社 1986
[24]《天文数据处理方法》丁月蓉 编著 南京大学出版社1998
[25]《计算方法及其在测绘中的应用》朱长青 编著 测绘出版社1997
[26]《近代平差理论及其应用》黄维彬 解放军出版社1992
[27]《GPS相对定位的数学模型》魏子卿 葛茂荣 测绘出版社
[28]《高等应用测量》陈永奇 编著 武汉测绘科技大学出版社1996
[29]《MathLab》工程数学应用 许波 刘征 编著 清华大学出版社2000
[30]《信号分析与处理》赵光宇 浙江大学 舒勤 四川大学2001
[31]《基于MathLab的系统分析与设计》——信号处理楼顺天 等编著 西安电子科技大学出版社2001
[32]大射电望远镜FAST的测量技术研究 郑勇，南仁东，邱玉海 2000年全国博士后学术大会论文集
[33]用于并联机构位置正解的坐标法 杨光 文福安 魏世民 机械科学与技术vol．．20 No．3 2001．5
[34]大射电望远镜精调平台运动精度分析 苏玉鑫 段宝岩 中国机械工程 第12卷第6期 2001．6
[35]六自由度stewart平台运动精度分析 苏玉鑫 段宝岩西安电子科技大学学报 第27卷第4期 2000．8
[36]迭带初值对stewart型平台位置正解精度的影响 苏玉鑫，段宝岩，南仁东机械科学与技术 第20卷 2001．3
[37]载波相位差分技术在馈源舱动态定位中的应用，测绘学报，vol．29，No．1，2000
[38]又多台全站仪组成的馈源舱位姿动态测量系统 王文利，段宝岩，彭勃，南仁东 光学技术vol．17 Nol．1，2000．6(EI)
[39]八根索系大型射电望远镜馈源舱运动轨迹规划 魏强，仇原鹰 段宝岩 中国机械工程
[40]大型射电望远镜类平台的奇异性研究，仇原鹰 杜敬利 段宝岩 中国机械工程vol．12，No．2，2001
[41] Stewart平台的运动奇异性与力奇异性研究 仇原鹰 段宝岩 盛英，Nobuyoshi Morita，2001西安电子科技大学电学报，28(2)，202
[42] A novel degsign for a gaint Arecibo-type spherical radio telescope with an active main reflector, Y.H. Qiu, 1998, MNRAS, 301, 827
[43] The control system of the active main refkector for FAST, Y. Qiu and L. Zhu, 2001, Ap&SS, in press
[44] A Chinese concept for the 1km2 radio telescope, R, Nan and B. peng. 2000, Acta Astronautica, 46(12), 667
[45] A new design project of the line feed structure for large spherical radio telescope and its nonlinear dynamic analysis, B. Y. Duan, Int. J. Mechatronics, 1999, (1):53-64. (SCI)
[2]《FAST总结报告》中国科学院国家天文台大射电望远镜实验室2000
[3]《FAST动态馈源测量系统研究报告》解放军信息工程大学FAST课题组2001
[4]《FAST测量技术研究报告》解放军信息工程大学FAST课题组 2001
[5]《大射电望远镜移动小车支撑方案之实验研究》清华大学fast工程组 2001
[6]《大射电望远镜馈源支撑与指向跟踪系统仿真与实验研究》西安电子科技大学fast课题项目组 2002
[7]《500m口径主动球面望远镜(FAST)反射面系统分析设计与试验研究》同济大学FAST项目课题组 2000
[8]《天线结构分析、优化和测量》段宝岩 西安电子科技大学 1998
[9]《大射电望远镜悬索式馈源支撑系统的非线性静力学、运动学和动力学理论及方法的研究》孙欣 西安电子科技大学博士论文 2001
[10]《工业测量系统》李广云 倪涵 徐忠阳 著 解放军出版社1994
[11]《电子速测技术》段定乾 解放军出版社1997
[12]《全站仪原理》徕卡全站仪技术手册
[13]《TPS1000全站仪定位系统操作手册》徕卡测量系统有限公司
[14]《电子速测实用技术》夏治国 测绘学院1996
[15]《徕卡TPS1000系统》张良琚 测绘学院1997
[16]《全站仪的使用与数据通讯》张良琚 倪涵 香港：徕卡仪器有限公司1992
[17]《TPS1100用户操作手册》徕卡测量系统有限公司
[18]《红外测距仪及其检测》杨德膦 测绘出版社 1989
[19]《自动极坐标实时差分测量系统及其在大坝外部变形监测中的应用》包欢 测绘学院硕士论文2000
[20]《激光跟踪仪和全站仪测量系统在上海光源工程中的应用研究》陈继华 测绘学院硕士论文2001
[21]《GPS卫星测量原理与应用》周忠谟 等 测绘出版社1992
[22]《GPS卫星导航与精密定位》许其凤 解放军出版社1994
[23]《大地坐标系的建立》朱华统 测绘出版社 1986
[24]《天文数据处理方法》丁月蓉 编著 南京大学出版社1998
[25]《计算方法及其在测绘中的应用》朱长青 编著 测绘出版社1997
[26]《近代平差理论及其应用》黄维彬 解放军出版社1992
[27]《GPS相对定位的数学模型》魏子卿 葛茂荣 测绘出版社
[28]《高等应用测量》陈永奇 编著 武汉测绘科技大学出版社1996
[29]《MathLab》工程数学应用 许波 刘征 编著 清华大学出版社2000
[30]《信号分析与处理》赵光宇 浙江大学 舒勤 四川大学2001
[31]《基于MathLab的系统分析与设计》——信号处理楼顺天 等编著 西安电子科技大学出版社2001
[32]大射电望远镜FAST的测量技术研究 郑勇，南仁东，邱玉海 2000年全国博士后学术大会论文集
[33]用于并联机构位置正解的坐标法 杨光 文福安 魏世民 机械科学与技术vol．．20 No．3 2001．5
[34]大射电望远镜精调平台运动精度分析 苏玉鑫 段宝岩 中国机械工程 第12卷第6期 2001．6
[35]六自由度stewart平台运动精度分析 苏玉鑫 段宝岩西安电子科技大学学报 第27卷第4期 2000．8
[36]迭带初值对stewart型平台位置正解精度的影响 苏玉鑫，段宝岩，南仁东机械科学与技术 第20卷 2001．3
[37]载波相位差分技术在馈源舱动态定位中的应用，测绘学报，vol．29，No．1，2000
[38]又多台全站仪组成的馈源舱位姿动态测量系统 王文利，段宝岩，彭勃，南仁东 光学技术vol．17 Nol．1，2000．6(EI)
[39]八根索系大型射电望远镜馈源舱运动轨迹规划 魏强，仇原鹰 段宝岩 中国机械工程
[40]大型射电望远镜类平台的奇异性研究，仇原鹰 杜敬利 段宝岩 中国机械工程vol．12，No．2，2001
[41] Stewart平台的运动奇异性与力奇异性研究 仇原鹰 段宝岩 盛英，Nobuyoshi Morita，2001西安电子科技大学电学报，28(2)，202
[42] A novel degsign for a gaint Arecibo-type spherical radio telescope with an active main reflector, Y.H. Qiu, 1998, MNRAS, 301, 827
[43] The control system of the active main refkector for FAST, Y. Qiu and L. Zhu, 2001, Ap&SS, in press
[44] A Chinese concept for the 1km2 radio telescope, R, Nan and B. peng. 2000, Acta Astronautica, 46(12), 667
[45] A new design project of the line feed structure for large spherical radio telescope and its nonlinear dynamic analysis, B. Y. Duan, Int. J. Mechatronics, 1999, (1):53-64. (SCI)