Trimble全站儀在動(dòng)態(tài)測(cè)磁工程中的應(yīng)用

李金祿 ，張連嵩，鄭永良，喻洲

（1.92330部隊(duì)，青島 郵編266102；2.海軍工程大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，武漢 430033）

1 引言

動(dòng)態(tài)測(cè)磁是指艦船與磁傳感器陣列相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下測(cè)量磁場(chǎng)。與傳統(tǒng)的靜態(tài)測(cè)磁相比，它能夠全方位地測(cè)量艦船磁場(chǎng)，檢測(cè)效率更高[1-2]。動(dòng)態(tài)磁性檢測(cè)站能夠在艦船經(jīng)過(guò)測(cè)量區(qū)域時(shí)自動(dòng)采集艦船磁場(chǎng)，同時(shí)為獲取測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于艦船中心的位置信息，需要對(duì)艦船的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。定位系統(tǒng)主要包括兩種，一種是GPS定位[3]， 另一種是全站儀定位[4]。它有著GPS定位機(jī)不具備的一些優(yōu)點(diǎn)，如不需要衛(wèi)星信號(hào)，可以在比較封閉的環(huán)境下測(cè)量，價(jià)格相對(duì)較低，觀測(cè)數(shù)據(jù)直觀，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，操作方便等。因?yàn)樵谀承┐判詸z測(cè)站中GPS定位系統(tǒng)無(wú)法接受到衛(wèi)星信號(hào)，因此采用全站儀定位系統(tǒng)。全站儀，即全站型電子速測(cè)儀（Electronic Total Station），是集水平角、垂直角、距離(斜距、平距)、高差測(cè)量功能于一體的測(cè)繪儀器系統(tǒng)，是動(dòng)態(tài)測(cè)磁工作站不可或缺的一部分。先將全站儀安裝在檢測(cè)站的某一固定位置，在艦船上安裝目標(biāo)棱鏡。當(dāng)艦船緩慢地通過(guò)磁場(chǎng)傳感器區(qū)域時(shí)，全站儀記錄艦船運(yùn)動(dòng)軌跡，再利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，推算出艦船相對(duì)于傳感器的位置，實(shí)現(xiàn)艦船磁場(chǎng)的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2 全站儀定位原理

動(dòng)態(tài)檢測(cè)站采用美國(guó)Trimble（天寶）公司的5600系列全站儀（見(jiàn)圖1），該類(lèi)產(chǎn)品造型精巧，性能比較穩(wěn)定，精度高，操作簡(jiǎn)單方便，電子化、智能化程度較高，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的要求，而且能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，耐極端溫度。但由于天寶產(chǎn)品有配套的應(yīng)用軟件，其通信指令有限對(duì)外公布，不允許用戶自行開(kāi)發(fā)軟件，因此用戶難以根據(jù)自己需求擴(kuò)展其功能。

全站儀能自動(dòng)地測(cè)量角度和距離，并能按一定程序和格式將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送給相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集器。全站儀自動(dòng)化程度高，功能多，精度好，通過(guò)配置適當(dāng)?shù)慕涌?，可使野外采集的測(cè)量數(shù)據(jù)直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理或進(jìn)入自動(dòng)化繪圖系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的方法相比，省去了大量的中間人工操作環(huán)節(jié)，使勞動(dòng)效率和經(jīng)濟(jì)效益明顯提高，同時(shí)也避免了人工操作，記錄等過(guò)程中差錯(cuò)率較高的缺陷。當(dāng)光波從起點(diǎn)出發(fā)經(jīng)棱鏡反射回到起點(diǎn)時(shí)，會(huì)因往返時(shí)間差引起相位差。一般全站儀就是利用測(cè)相電路直接測(cè)定相位差來(lái)測(cè)算距離SD。全站儀還可以直接測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)的水平角HA垂直角VA和高程DHT，從而測(cè)得的數(shù)據(jù)是一組完整的三維球體坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)變換還可以轉(zhuǎn)化為直角坐標(biāo)系下坐標(biāo)，參考圖2（a）。圖2(b)中的IH為主機(jī)儀器高，SH為棱鏡高，HD為水平距離。為了保證測(cè)量的精度，在進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)處理時(shí)需要考慮全站儀和棱鏡的儀器高度，測(cè)量點(diǎn)的實(shí)際高程為[5]：

3 坐標(biāo)變換

本定位系統(tǒng)采用天寶系列TS5600全站儀進(jìn)行艦船定位。該全站儀具備自動(dòng)跟蹤功能，在手動(dòng)鎖定目標(biāo)棱鏡（臨時(shí)安裝在艦船上的3600反光棱鏡）后，能自動(dòng)跟蹤并鎖定運(yùn)動(dòng)的艦船，通過(guò)相關(guān)軟件就可以采集、輸出、處理其坐標(biāo)信息。

第一次進(jìn)行定位測(cè)量時(shí)，為了測(cè)得在一個(gè)坐標(biāo)系下的絕對(duì)坐標(biāo)，必須確定一個(gè)正確的方位，從而可以確定以全站儀為原點(diǎn)的相對(duì)坐標(biāo)系，即建站。全站儀以主機(jī)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以選定的參考棱鏡為后視點(diǎn)，該定位儀方位與后視點(diǎn)的連線水平方向?yàn)槿緝x坐標(biāo)的北方向，即Nx方向，如圖3所示。

首先將全站儀測(cè)得的是球面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)（nx，ey，hz）。

根據(jù)圖3，測(cè)得的艦船位置信息是全站儀坐標(biāo)系下的相對(duì)坐標(biāo)，為了確定磁傳感器和艦船的相對(duì)位置，我們需要的是艦船在整個(gè)測(cè)磁區(qū)域坐標(biāo)系下的絕對(duì)坐標(biāo)，因此需要進(jìn)行坐標(biāo)變換。

依據(jù)圖4中的坐標(biāo)變換示意圖（a），當(dāng)Nx方向與絕對(duì)坐標(biāo)系下的Y軸不平行時(shí)，涉及到坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)，因此在選擇全站儀后視點(diǎn)時(shí)應(yīng)盡量與Y方向一致。當(dāng)因場(chǎng)地條件限制難以實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以設(shè)置水平偏置角。假設(shè)全站儀測(cè)得目標(biāo)的坐標(biāo)為（nx，ey，hz），全站儀在絕對(duì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為（x0，y0，z0），如圖4(b)，即x0=△X，y0=△Y，z0=△Z，那么目標(biāo)在絕對(duì)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為：

上述坐標(biāo)變換可以用計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)，運(yùn)行時(shí)無(wú)需操作，利用參考點(diǎn)或樣點(diǎn)坐標(biāo)驗(yàn)證坐標(biāo)轉(zhuǎn)換是否正確。注意到艦船在測(cè)磁區(qū)域主要進(jìn)行的是X軸方向運(yùn)動(dòng)，因此可以考慮只測(cè)量艦船與全站儀的水平距離HD，這樣可以將三維球體坐標(biāo)簡(jiǎn)化為平面直角坐標(biāo)，定位更加簡(jiǎn)潔方便。再根據(jù)全站儀和磁傳感器在絕對(duì)坐標(biāo)系下的位置，實(shí)時(shí)確定測(cè)量點(diǎn)與艦船的相對(duì)位置。但是這就要求艦船沿直線航行，否則會(huì)造成較大誤差。

4 數(shù)據(jù)通訊技術(shù)

在建立一個(gè)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)，一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是如何用計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制全站儀的操作以及如何從全站儀中取得觀測(cè)數(shù)據(jù)，即計(jì)算機(jī)和全站儀的數(shù)據(jù)通訊技術(shù)。由于從全站儀的鍵盤(pán)建站和輸入點(diǎn)坐標(biāo)較為麻煩，所以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)采集、處理數(shù)據(jù)可以大大提高測(cè)量速度和后期處理速度，減少失誤概率，保證實(shí)時(shí)性。目前全站儀都是通過(guò)串口同計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，本文應(yīng)用Visual Basic語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，采用MSComm控件編寫(xiě)通信程序。通過(guò)該控件可完成計(jì)算機(jī)向全站儀發(fā)出指令和接受全站儀的狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果信號(hào)[5-7]。MSComm控件是利用串行通訊端口的屬性來(lái)實(shí)現(xiàn)硬件控制的，它有很多屬性，程序中涉及的主要有以幾個(gè)[6-8]：

Commport：設(shè)置串行端口號(hào)，類(lèi)型為Short，一般設(shè)置為1，即使用COM1端口。Settings：設(shè)置串行口通訊參數(shù)，包括通訊的比特率、奇偶校驗(yàn)、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和停止位等。天寶全站儀的通訊參數(shù)為“9600，N，8，1”，表示串口比特率是9600bit/s，不作奇偶校驗(yàn)，8位數(shù)據(jù)位，1個(gè)停止位。Portopen：設(shè)置串口狀態(tài)，值為T(mén)rue時(shí)打開(kāi)串口，值為False時(shí)關(guān)閉串口。Input：返還并刪除接受緩沖區(qū)中數(shù)據(jù)流。Output：向傳輸緩沖區(qū)寫(xiě)一個(gè)字符串。InBufferCount：返回接受緩沖區(qū)中等待的字符數(shù)。Inputlength：返回或設(shè)置接收緩沖區(qū)內(nèi)用。Input命令寫(xiě)入的字節(jié)個(gè)數(shù)，取0值時(shí)表示Input命令寫(xiě)入整個(gè)緩沖區(qū)的內(nèi)容。

天寶全站儀采用的是Geo/L語(yǔ)言。Geo/L語(yǔ)言是為了在Geodimeter CU系統(tǒng)各設(shè)備間進(jìn)行通訊而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)語(yǔ)言，基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是數(shù)據(jù)由標(biāo)號(hào)標(biāo)定，即：

=

在此基礎(chǔ)上加上命令和變量以使數(shù)據(jù)有來(lái)源去向，命令為：

…，=（CR）

[(LF)]

所有的指令以回車(chē)換行結(jié)束，當(dāng)所有指令執(zhí)行完以后總是送出(默認(rèn)為ASCII字符“>”)，表示傳輸結(jié)束，系統(tǒng)準(zhǔn)備好等待新指令。數(shù)據(jù)通訊時(shí)涉及的主要指令如下：

測(cè)量方式設(shè)置: PG，3=

讀數(shù)：RG[]，[]

其中變?cè)猘rg為測(cè)量方式，0表示標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量STD方式，1表示跟蹤測(cè)量TRK方式，2表示算術(shù)平均值D—bar方式。讀數(shù)指令就是從全站儀的控制單元讀取測(cè)量數(shù)據(jù)或者指定標(biāo)記的數(shù)據(jù)。arg指輸出方式，省略或?yàn)镾時(shí)表示標(biāo)準(zhǔn)輸出，為N時(shí)表示帶名稱(chēng)輸出，為D時(shí)是數(shù)據(jù)輸出，為T(mén)時(shí)返回測(cè)試信號(hào)，有信號(hào)為301，無(wú)信號(hào)為300。其它命令還有很多，例如：

PV,20 ：打開(kāi)補(bǔ)償器；PV,21：關(guān)閉全站儀。

動(dòng)態(tài)檢測(cè)站需要實(shí)時(shí)連續(xù)地測(cè)量數(shù)據(jù)，因此程序采用Timer時(shí)鐘控件來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量事件的定時(shí)發(fā)生。天寶全站儀在跟蹤測(cè)量模式下最快測(cè)量時(shí)間是0.4 s，因此時(shí)鐘控件的Interval屬性設(shè)為400，即每400 ms內(nèi)讀取一個(gè)測(cè)量數(shù)據(jù)。考慮到實(shí)用性，還設(shè)計(jì)了錯(cuò)誤檢查程序，當(dāng)測(cè)量模式發(fā)生改變或出現(xiàn)通信線路故障、電源故障時(shí)，及時(shí)提醒用戶。

為了更好的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和交流電源供電，需要設(shè)計(jì)一套由供電模塊和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊組成的集成裝置。測(cè)磁站所使用的天寶全站儀都是由充電電池提供的12 V/ 4 A直流電源，充電耗時(shí)長(zhǎng)，不耐用且易壞。設(shè)計(jì)的供電裝置主要由變壓器、整流器和保護(hù)電路組成。它接入電源為220 V的AC，整流變壓后提供全站儀和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊所需電源。

全站儀還提供RS232C串行通信接口，數(shù)據(jù)線和電源線集成到一個(gè)接口上，如圖5所示。根據(jù)RS232C標(biāo)準(zhǔn)，各裝置之間線纜長(zhǎng)度不應(yīng)超過(guò)15 m，傳送距離不夠遠(yuǎn)，難以滿足工業(yè)控制的要求，需要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為RS422A/RS485模式[9]。串行通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊主要由ADAM模塊構(gòu)成。當(dāng)計(jì)算機(jī)向全站儀發(fā)出指令時(shí)，該控制命令由ADAM模塊將RS232串行通信數(shù)據(jù)變?yōu)镽S422通信數(shù)據(jù)，再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換回RS232格式傳送給全站儀。全站儀收到命令后，對(duì)某一已知距離進(jìn)行測(cè)量，并將數(shù)據(jù)通過(guò)ADAM模塊轉(zhuǎn)換后傳給計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離通訊。

5 結(jié)束語(yǔ)

動(dòng)態(tài)檢測(cè)站是艦船磁場(chǎng)測(cè)量的主要發(fā)展方向之一，通過(guò)定位系統(tǒng)和測(cè)磁系統(tǒng)就可以準(zhǔn)確、快速地對(duì)艦船進(jìn)行磁性定位和測(cè)量，因此對(duì)全站儀的應(yīng)用研究顯得尤為重要。全站儀作為定位系統(tǒng)的主要設(shè)備，其操作簡(jiǎn)單，測(cè)量方便、準(zhǔn)確，時(shí)效性好，在測(cè)磁站中得到廣泛應(yīng)用。通過(guò)全站儀動(dòng)態(tài)獲取艦船在測(cè)磁區(qū)的位置，經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換推算出磁場(chǎng)傳感器相對(duì)于艦船的位置信息。這樣就可以很方便對(duì)艦艇進(jìn)行磁性分析，以判斷是否需要對(duì)其進(jìn)行消磁處理。用軟件實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與全站儀的數(shù)據(jù)通訊，便于消磁工作者實(shí)時(shí)控制定位系統(tǒng)和測(cè)量數(shù)據(jù)處理，極大地提高了動(dòng)態(tài)測(cè)磁的工作效率。

[1] 隗燕琳. 艦船近場(chǎng)動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)測(cè)量中的磁性定位方法研究[D]. 武漢: 海軍工程大學(xué), 2009.

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