[发明专利]倾角传感器

说明书

本发明涉及一种用于确定对象相对于基准坐标系的基准矢量的倾角的倾角传感器和方法，其尤其用于与测绘标杆(survey pole)和大地测绘装置一起使用。

用于大地测量或工业测量的许多装置和仪器包括用于使得能够与重力方向对准或相对于重力方向取向的倾斜检测器。

现有技术中已知有许多不同类型的倾斜检测器。例如，一些倾斜检测器利用摆锤来工作，所述摆锤被机械或电磁支撑，通过电子、电感、电容或光学手段来检测其位置。微电子机械系统(MEMS)通常使用弹簧-质量系统，所述弹簧-质量系统根据位置检测小测试质量的位移。其它倾斜检测器基于液体，并且使用光线在液面上的反射或折射、取决于液体位置的电阻测量或电容测量，来确定倾斜角度。

由于地球既不是完美球体，也不具有完全均匀的组成，也并非在空间中静止的，所以地球上的点的重力矢量的方向几乎无处精确地相交于地球的中心。另外，点之间重力加速度不同。

在地球的表面处，平均重力加速度为大约9.81m/s²。这是平均值，因为地球的形状不是球形，而更像回转的椭球体，使得与赤道相比两极更靠近地球的中心。此外，地球旋转，使得地球表面的点越靠近赤道，局部重力由于离心力而越低；在地球的两极处，这种效应完全消失。总之，作为这两种效应的结果，在地球的表面上，两极处的重力比赤道处大了约0.5％。因此，在两极处重力加速度为9.832m/s²，在赤道处为9.745m/s²。

另外，地壳的不均匀组成导致地球表面上的重力的方向和量的不均匀分布。例如，特别高密度的大质量(例如，山或地下的大型矿床附近)可导致局部重力异常。地球上的点的局部重力场的方向由于这些局部重力异常而偏移了多少的度量是“垂直偏转”。这是局部重力矢量(即，实际铅垂线)与基准矢量(即，垂直于基准椭球体的表面(例如，被选为近似于地球的海平面)的线)之间的局部差异。

为了相对于基准坐标系(例如，所提及的基准椭球体)测量地球表面上的点的大地测量目的，特别是如果需要高精度，则垂直偏转可导致严重的问题，因为大地测量装置的倾斜检测器仅检测局部铅锤方向(即，局部重力矢量的方向)，而非参照基准坐标系的矢量的方向。

例如，需要在待测量的点上放置大地测绘标杆，使得反射部分在该点上方居中。用户使用气泡式水准仪在待测绘的点上的垂直位置上固定测绘标杆，使得回射器在待测绘的点正上方。除非标杆相对于地面完全垂直，否则反射器的水平位置与地面上的关注位置相比将移位。

通常，还通过局部重力矢量的测量观察标杆的俯仰和横滚，从而引起加速度计上的加速度测量。

例如，文献US 2009/0024325Al和US 5,929,807中公开了一种与大地测绘装置(例如，全站仪)一起使用并且包括倾斜检测器和位置检测装置(例如，GNSS天线)的大地测绘标杆。

通过在装置的设置过程中输入局部重力方向和/或加速度的已知值，可至少部分地补偿垂直偏转影响。然后，装置的补偿软件可通过基于输入的重力值或垂直偏转数据计算校正的倾角值来自动补偿不期望的影响。然而，对于这种解决方案，当前位置的重力值或垂直偏转数据对于用户而言必须为已知的，或者至少在测量时对于用户而言可用。另外，这种方法将相当耗时，并且通过输入误差，成为测量误差的一致来源。在更简单的解决方案中，可仅输入(近似)纬度，然而因此完全忽略了局部异常的影响。

因此，本发明的目的是提供一种用于快速、可靠且精确地确定对象相对于基准坐标系的基准矢量的倾角的倾角传感器和方法。

一个具体目的是提供这种倾角传感器和这种方法，其与测绘设备或系统一起使用，尤其是与测绘标杆和/或大地测绘装置(例如，全站仪或经纬仪)一起使用。

本发明的另一目的是提供一种使得用户能够方便地确定点相对于基准坐标系的坐标的测绘系统。

这些目的中的至少一个通过根据权利要求1所述的倾角传感器、权利要求5所述的测绘系统、权利要求9所述的方法和/或本发明的从属权利要求来实现。