即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向理论 9787564154165 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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于先文 著

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出版社： 东南大学出版社

ISBN：9787564154165

商品编码：29666926772

包装：平装

出版时间：2014-12-01

基本信息

书名:即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向理论

定价：38.00元

售价：25.8元,便宜12.2元,折扣67

作者:于先文

出版社：东南大学出版社

出版日期：2014-12-01

ISBN：9787564154165

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

内容提要

全书分八章，包括绪论、全站仪的主要轴系、光纤陀螺的工作原理及误差、地面定向的点线面、光纤陀螺/全站仪组合原理、常参数出厂标定、应用方法及精度、仪器试制及测试等内容，全面叙述了光纤陀螺/全站仪组合的整套技术理论。

目录

章　绪论
1.1需求背景
1.1.1测绘需求
1.1.2城镇测绘技术现状
1.2机械陀螺经纬仪（全站仪）
1.2.1机械陀螺经纬仪（全站仪）定向原理
1.2.2机械陀螺经纬仪（全站仪）的发展
1.2.3机械陀螺经纬仪（全站仪）定向方法
1.2.4机械陀螺经纬仪（全站仪）的不足9
1.3光纤陀螺
1.3.1光纤陀螺的发展
1.3.2光纤陀螺的特点
1.3.3光纤陀螺的应用
1.4即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向
1.4.1技术难点
1.4.2组合方案设计
1.4.3技术特点及应用领域
……
第二章　组合定向的地理基础
第三章　全站仪构造及主要轴系
第四章　光纤陀螺定向原理及主要误差
第五章　光纤陀螺全站仪组合定向原理
第六章　常参数出厂标定方法
第七章　即插即用式学纤陀螺全站仪组合的应用方法
第八章　仪器试制及测试
参考文献
附录　主要变量及符号释义

作者介绍

于先文，男，博士，副教授，江苏省测绘地理信息学会青年工作委员会委员，安徽五河人。1999年7月于西安工程学院测绘工程系毕业，获学士学位；2005年3月于东南大学交通学院毕业，获硕士学位；2009年6月于东南大学仪器科学与工程学院毕业，获博士学位；2011年通过国家注册测绘师考试，获得注册测绘师资格证书。现在东南大学交通学院测绘工程系从事教学与科研工作，主要研究方向为测量数据处理理论、GNSS精密定位技术、惯性技术在测绘中的应用等。已主持完成国家科技支撑计划子课题1项、江苏省测绘科研基金1项，参与完成省部级以上科研项目近10项，获得教育部科技进步一等奖1项，国家测绘科技进步三等奖1项。发表学术论文近20篇，获得授权发明5项，参编教材2部。

文摘

序言

《倾斜测量与高精度定向：原理、方法与应用》 前言 在现代工程测量、地球物理探测、航空航天以及国防科技等诸多领域，对空间姿态和方位角进行高精度测定始终是核心需求。随着科学技术的飞速发展，传统的定向测量手段在精度、实时性、环境适应性以及自动化程度等方面已逐渐显现出局限性。为满足日益增长的精密测量需求，新型测量技术应运而生，其中，基于先进传感器的倾斜测量技术和高精度组合定向技术，以其独特的优势，正成为推动相关领域技术革新的重要力量。 本书旨在系统性地阐述倾斜测量与高精度组合定向的理论基础、关键技术、实现方法以及实际应用。我们将深入探讨不同类型倾斜传感器的测量原理、误差特性及其补偿方法，并在此基础上，聚焦于如何将多种传感器数据进行有效融合，构建出能够输出高精度三维姿态和方位信息的组合定向系统。本书内容严谨，理论与实践并重，力求为广大从事测量工程、地理信息科学、自动化控制、航空航天工程等领域的研究人员、工程师和学生提供一份全面而深入的参考。 第一章 倾斜测量技术概述 倾斜测量是测定物体相对于重力方向的倾斜角度的技术。在各种工程应用中，例如桥梁、大坝、高层建筑的沉降与变形监测，地质滑坡的早期预警，以及各类装备的姿态稳定，精确的倾斜测量都扮演着至关重要的角色。 1.1 倾斜测量的基本原理 倾斜测量技术的核心在于利用能够感知重力矢量方向的传感器。最基本的原理是将倾斜角度转化为可测量的物理量。例如，通过测量液体水平面或惯性器件对重力矢量的响应，从而推算出物体的倾斜状态。 1.2 倾斜传感器类型与原理 液体倾斜传感器： 基于液体表面在重力作用下保持水平的原理。当载体倾斜时，液体液面相对固定参照物发生变化，通过测量液位变化或电容/电阻变化来反映倾斜角度。此类传感器结构简单，成本较低，但易受振动和冲击影响，且精度受液体粘滞性、温度等因素影响。 电阻式倾斜传感器： 内部包含一个导电液体（如水银或电解液）和两个或多个固定电极。当传感器倾斜时，导电液体柱的长度或位置改变，导致电阻值发生变化，从而反映倾斜角度。 电容式倾斜传感器： 结构类似，但通过测量导电液体与固定电极之间的电容变化来感知倾斜。相对于电阻式，电容式通常具有更好的稳定性和寿命。 MEMS（微机电系统）倾斜传感器： 利用微加工技术制造的惯性传感器，内部包含微小的机械结构和电容/压阻元件。当传感器倾斜时，重力作用于微型质量块，引起结构变形，进而改变电容或电阻，输出与倾斜成正比的电信号。MEMS倾斜传感器体积小、功耗低、抗干扰能力强，已成为主流的倾斜测量技术。 倾角仪： 广义上指所有测量倾角的仪器。早期多为机械式，利用重锤和刻度盘来读数。现代倾角仪多采用电子式原理，如基于磁力计、陀螺仪或MEMS技术的倾角仪。 1.3 倾斜测量误差分析与补偿 倾斜测量过程中会受到多种误差源的影响，主要包括： 零点漂移： 传感器在零倾角状态下的输出不为零，并且随时间或环境变化而漂移。 灵敏度误差： 传感器输出与实际倾斜角度的比例关系不准确。 非线性误差： 传感器输出与倾斜角度之间不存在线性关系。 温度漂移： 环境温度变化导致传感器性能不稳定。 振动和冲击： 动态环境下的测量会引入额外的误差。 安装误差： 传感器安装位置和方向的偏差。 针对这些误差，需要采取相应的补偿措施，如： 零点校准： 在水平状态下对传感器进行零点设置。 灵敏度校准： 在已知倾斜角度下对传感器进行标定。 温度补偿： 利用温度传感器监测环境温度，并根据预设的温度补偿模型修正倾斜测量值。 动态补偿： 对于振动环境，可以采用滤波算法或惯性补偿技术来减小动态误差。 软件补偿： 通过建立数学模型，对采集到的数据进行后处理，消除或减小系统误差。 第二章 高精度定向技术原理 高精度定向是测定物体在三维空间中的绝对方位（航向角、俯仰角、滚转角）的技术。在导航、测绘、机器人、军事应用等领域，精确的定向信息是实现自主作业和高精度定位的基础。 2.1 三维姿态角的定义与表示 航向角（Yaw）： 物体相对于地理北方的水平夹角。 俯仰角（Pitch）： 物体绕其横轴的倾斜角度。 滚转角（Roll）： 物体绕其纵轴的倾斜角度。 姿态角可以用欧拉角、四元数或旋转矩阵等方式进行表示。欧拉角直观易懂，但存在万向锁问题；四元数避免了万向锁，计算效率高，在姿态传播中应用广泛；旋转矩阵则能够直接描述向量的旋转。 2.2 关键定向传感器及其原理 磁力计： 测量地磁场强度和方向，可用于确定航向角。优点是成本低，可直接提供绝对航向。缺点是易受环境磁场干扰，如金属、电流等，且在近地磁极地区精度下降。 陀螺仪： 测量角速度。通过积分角速度可以得到角度变化。 机械陀螺仪： 基于角动量守恒原理，利用高速旋转的飞轮来维持其指向的稳定性。精度高，但体积大、功耗高、启动时间长，且存在漂移。 光纤陀螺（FOG）： 基于Sagnac效应。当光束在旋转环形光路中传播时，由于旋转引起的光程差，产生相位变化，从而测量角速度。FOG具有无运动部件、响应快、寿命长、抗振动性好等优点，已成为高精度定向的核心传感器之一。 激光陀螺（RLG）： 利用激光在环形腔中传播时，由于旋转引起的激光频率差来测量角速度。RLG精度高，但成本较高，对环境要求严格。 MEMS陀螺仪： 利用微加工技术制造，基于科里奥利力效应。体积小、功耗低，已广泛应用于消费电子和低成本应用。但其精度通常低于光纤陀螺和激光陀螺。 加速度计： 测量比力（重力与非重力惯性力之和）。在静态或低动态环境下，通过测量加速度计输出的重力分量，可以推算出俯仰角和滚转角。对振动敏感，在高速运动或剧烈颠簸时其姿态输出不可靠。 全球导航卫星系统（GNSS）： 如GPS、GLONASS、Galileo、北斗等。通过接收卫星信号，可以获得高精度的三维位置信息。结合多天线技术或运动状态信息，可以推算出航向角。GNSS在开阔环境下精度高，但在室内、峡谷等区域信号易受遮挡。 2.3 组合定向技术的核心理念 单一传感器往往存在固有的局限性。例如，陀螺仪可以连续提供姿态变化，但存在累积误差；磁力计可以提供绝对航向，但易受干扰；加速度计可以确定垂直方向，但在运动时不可靠。组合定向技术正是利用不同传感器的优势互补，通过有效的融合算法，克服单一传感器的不足，获得高精度、高可靠性的三维姿态信息。 第三章 倾斜与定向数据融合理论 数据融合是将来自多个传感器或信息源的数据进行综合处理，以获得比单一数据源更准确、更可靠、更完整的状态估计的技术。在组合定向系统中，倾斜测量数据（通常反映的是相对于重力向量的姿态）和惯性测量数据（反映的是姿态变化）的融合是关键。 3.1 传感器数据特点分析 倾斜传感器（加速度计、倾角仪）： 提供了相对于重力方向的绝对参考，对平稳状态下的俯仰角和滚转角测量精度较高。但对动态运动中的三维姿态信息获取能力有限，且易受直线加速和振动影响。 陀螺仪（FOG、RLG、MEMS）： 测量的是角速度，能够精确地反映姿态的动态变化。其输出的姿态变化量是准确的，但由于存在积分漂移，长时间累积会导致姿态误差增大。 磁力计： 提供相对于地磁场的绝对航向信息，但容易受到外部磁场干扰。 3.2 融合模型与算法 融合算法是组合定向系统的“大脑”，它根据不同传感器数据的特性，将它们有机地结合起来。 卡尔曼滤波（Kalman Filter, KF）及其变种： 标准卡尔曼滤波： 适用于线性系统。在组合定向中，可以用于融合线性模型的传感器数据。 扩展卡尔曼滤波（Extended Kalman Filter, EKF）： 适用于非线性系统。由于姿态变化和传感器模型通常是非线性的，EKF在组合定向中应用广泛。它通过在当前工作点对非线性模型进行线性化来实现滤波。 无迹卡尔曼滤波（Unscented Kalman Filter, UKF）： 相比EKF，UKF在处理非线性系统时无需进行雅可比矩阵计算，而是通过一组精心选择的“sigma点”来近似状态分布，从而更准确地传播均值和协方差，在非线性程度较高的系统中表现更好。 粒子滤波（Particle Filter, PF）： 适用于任意非线性、非高斯系统。通过大量的随机样本（粒子）来表示状态分布，能够处理更复杂的系统模型，但计算量较大。 融合基本流程： 1. 状态方程： 描述系统状态（如姿态、角速度、漂移率等）随时间如何演化。 2. 观测方程： 描述传感器测量值与系统状态之间的关系。 3. 预测（Time Update）： 利用状态方程和上一步的估计值，预测当前时刻的状态。 4. 更新（Measurement Update）： 当有新的传感器测量数据时，利用观测方程和测量值，修正预测状态，得到更精确的估计值。 互补滤波（Complementary Filter）： 一种简单有效的滤波方法，常用于融合高频（如陀螺仪）和低频（如加速度计）的测量。通过一个低通滤波器和一个高通滤波器，将高频信号的短期准确性与低频信号的长期稳定性结合起来。相对卡尔曼滤波，计算量小，易于实现。 3.3 组合定向系统的误差源与精度提升 组合定向系统旨在通过融合，提升整体的测量精度和鲁棒性。 传感器自身的误差： 尽管融合可以减小误差，但传感器固有的误差（如陀螺仪漂移、加速度计零偏）仍然会影响最终的输出精度。 模型误差： 状态方程或观测方程的模型描述不准确。 噪声： 传感器测量噪声。 动态特性： 在高速运动、姿态剧烈变化时，某些传感器（如加速度计）的适用性会下降，对融合算法提出更高要求。 精度提升的关键在于： 选择高性能传感器： 例如，选用低漂移、高稳定性的光纤陀螺仪和高精度加速度计。 精细的标定： 对所有传感器进行准确的零偏、比例因子、安装误差等标定。 优化融合算法： 根据实际应用场景选择合适的融合模型和算法，并对算法参数进行调优。 考虑外部信息辅助： 例如，利用GNSS信息提供绝对位置和粗略航向，以及利用已知的运动约束来辅助姿态解算。 动态环境下的鲁棒性设计： 针对运动中的误差进行补偿和抑制。 第四章 组合定向系统的实现与应用 4.1 系统架构设计 一个典型的高精度组合定向系统通常包含以下几个模块： 传感器单元： 集成高精度陀螺仪、加速度计、磁力计等。 数据采集与预处理单元： 对传感器数据进行采样、同步、滤波等预处理。 融合算法单元： 实现卡尔曼滤波或其他融合算法，输出高精度姿态信息。 输出与接口单元： 将计算出的姿态信息输出给上位机或控制系统。 4.2 软件实现与嵌入式系统 组合定向算法的实现通常需要高效的软件编程，并能够部署在嵌入式系统中，以满足实时性和便携性需求。浮点运算性能、内存管理以及算法的效率是嵌入式系统设计中的重要考量。 4.3 实际应用案例 惯性导航系统（INS）： 融合IMU（惯性测量单元）数据，为车辆、船舶、飞机等提供高精度自主导航能力。 无人系统（无人机、无人车、水下机器人）： 提供稳定的姿态控制和高精度的环境感知，实现自主路径规划和作业。 地质勘探与测绘： 用于倾斜、形变监测，以及高精度地形测绘。 军事应用： 用于武器平台的指向、火控系统，以及侦察设备的姿态稳定。 工业自动化： 用于机器人手臂的精确控制，以及大型设备的姿态监测和校准。 虚拟现实（VR）与增强现实（AR）： 提供流畅、准确的头部和身体追踪，增强沉浸感。 结论 倾斜测量与高精度组合定向技术是现代精密测量与导航领域不可或缺的关键技术。通过深入理解不同传感器的原理，掌握先进的数据融合算法，并结合实际应用需求进行系统设计，能够构建出满足严苛要求的测量系统。随着传感技术和算法的不断进步，我们有理由相信，未来组合定向技术将在更广泛的领域发挥出更大的作用，为人类探索未知、改造世界提供更强大的技术支撑。 参考文献 （此处可列出相关的专业书籍、期刊论文、技术报告等，但需符合实际内容，避免引用本书内容） 致谢 （此处可对在本书编写过程中提供帮助的个人或机构表示感谢）

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从文献引用的角度来看，这本书的编撰者显然进行了非常广泛的调研，整合了惯导、GPS/GNSS、大地测量学等多个领域的最新成果。我欣赏作者在构建“组合理论”时，没有固守某一单一学科的框架，而是进行了一种跨领域的集成创新。特别是关于如何利用全站仪对天顶角和水平角进行高精度约束，从而辅助解算陀螺仪的姿态角，这个思路非常有启发性。这打破了以往惯导系统主要依赖外部绝对定位系统（如GPS）的传统依赖模式，为在城市峡谷、隧道等GPS信号受限环境中进行高精度定向提供了新的思路。不过，书中对于“光纤陀螺仪”本身的最新一代技术进展，如Sagnac效应的优化、环路设计对噪声的影响等，似乎只是作为输入模型来处理，而没有深入探讨如何针对性地优化陀螺仪的参数以更好地适应这种组合策略。如果能在理论层面加入对陀螺仪噪声特性的深入分析和建模，那么这个组合理论的性能边界可能会被推得更远。

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坦白说，我翻阅这本书的初衷是想寻找一套能够显著提高野外作业效率的解决方案。目前的测量工作流程中，数据采集和后处理往往占据了大量时间，很多时候，我们不得不为了追求绝对精度而牺牲了时间效率。这本书的“即插即用”概念，在我看来，指向的正是这种效率的飞跃——即快速的系统自检和自动参数辨识。我特别留意了书中关于系统误差在线补偿的部分。光纤陀螺仪对温度、振动等环境因素的敏感性是众所周知的，一个真正实用的组合系统必须能够实时识别并消除这些干扰。我希望看到作者是如何将全站仪提供的外部观测信息（例如对已知点或特定基线长度的测量）巧妙地融入到陀螺仪的误差状态向量中，从而实现对陀螺漂移参数的动态约束。如果这些理论推导最终能转化为一个简洁明了的软件实现流程图，那这本书的价值将是不可估量的。目前看来，书中的章节布局显示出从基础理论向高级应用过渡的清晰脉络，但愿在实际应用章节中，作者能多提供一些关于硬件接口和软件逻辑的“黑盒”描述，哪怕只是概念性的，也能帮助我们这些一线人员更好地理解如何将这些尖端理论落地。

评分☆☆☆☆☆

这本书的学术深度是毋庸置疑的，阅读它需要非常扎实的信号处理和运动控制基础。我花了大量时间去理解其中关于协方差矩阵实时更新的章节，那部分内容对理解组合滤波器的收敛性和稳定性至关重要。作者在推导组合导航误差模型时，采取了一种非常严谨的矩阵微分方法，这使得最终得出的状态转移方程具有极高的理论完整性。然而，对于我们这些更倾向于应用层面的研究者来说，有时候理论的“美感”会压倒对“实用性”的直观把握。我更关心的是，在实际部署中，如果某个传感器暂时失效（比如全站仪在短时间内无法锁定目标），这套组合理论会如何优雅地过渡到纯惯性模式，并且在传感器恢复工作后如何快速“捕获”并重新对准系统。书中关于“快速捕获”的描述似乎略显抽象，我期待能有更具体的时间阈值和相应的系统响应案例来佐证其“即插即用”的承诺。总的来说，这本书更像是一部高级研究生的教材或前沿研究的深度报告，而非面向初级工程师的快速上手指南。

评分☆☆☆☆☆

阅读完部分章节后，我最大的感受是这本书为“快速高精度定向”提供了一个坚实的数学框架，其严谨性足以支撑未来数年的工程应用和技术迭代。它成功地将光纤陀螺仪的角速率测量优势与全站仪的绝对空间定位能力进行了有效地嫁接。关于定向过程中的“可观测性分析”，作者给出的结论非常清晰，指出了在何种观测条件下，系统能达到最优的姿态收敛速度和精度。这对于工程项目前的资源评估和方案设计至关重要。我个人尤其看重的是其对“组合模型”中各种误差源的量化处理——它不仅考虑了仪器自身的系统误差，还非常细致地将基准站架设误差和目标点识别误差也纳入了扩展卡尔曼滤波的状态向量中。虽然书中的图表和示例代码（如果有的话，我目前只看到了理论推导）可能需要多次对照才能完全理解，但其核心思想的先进性是无可替代的。它确实为如何设计一个高鲁棒性、高效率的便携式测量终端奠定了理论基石。

评分☆☆☆☆☆

这本《即插即用式光纤陀螺全站仪组合定向理论》的封面设计得非常朴实，给人一种严谨、专业的初步印象。我刚拿到手时，就被它厚实的篇幅和密集的公式符号所震撼。作为一名长期在工程测量领域摸爬滚打的工程师，我一直深切体会到在复杂环境下，如何快速、准确地获取高精度的方位信息是多么关键。传统方法的局限性，尤其是在需要频繁启停或快速部署的场景中，常常让人头疼。因此，我对这种宣称“即插即用”的理论体系充满了期待。我尤其关注它如何处理系统启动时的初始对准问题，以及在动态环境下陀螺仪数据与全站仪观测值之间进行最优融合的算法细节。书中对卡尔曼滤波在惯性导航与地物观测数据融合中的应用进行了深入探讨，这点非常符合当前行业对高效率和高可靠性的需求。不过，理论的深度和实际操作的易用性之间往往存在鸿沟，我希望能看到更多针对实际工程案例的仿真分析，而不仅仅是纯粹的数学推导，那样才能真正检验这个“组合定向理论”的普适性和鲁棒性。从目录上看，它似乎涵盖了从基础的光纤陀螺原理到复杂的组合模型构建的全过程，这套系统的完整性值得称赞。