激光跟踪仪高精度测角误差补偿技术研究

【摘要】：激光跟踪仪是空间大尺寸三维坐标测量仪器，仪器采用反射镜跟踪模式，通过二维精密跟踪转台水平轴和俯仰轴的转动，调节跟踪头内反射镜的方位以实现对激光束的空间指向与跟踪，通过安装在水平轴和俯仰轴上的圆光栅测角系统获得目标的角度数据，通过激光干涉仪和绝对测距仪获得目标的距离数据，由球坐标计算出目标的空间三维坐标。激光跟踪仪测角误差直接影响仪器的测量精度，是仪器的主要误差来源，为了实现高精度测角需采用误差补偿技术。 本文在分析激光跟踪仪金属圆光栅测角系统的误差来源和误差模型、双头对径读数原理、多种误差补偿模型和算法的基础上，采用自准直仪结合多面棱体对测角误差进行了离散标定，应用基于非线性最小二乘的误差谐波补偿方法，取幅值较大且相位基本不变的谐波分量建立误差补偿模型，对激光跟踪仪水平测角和俯仰测角进行误差补偿，并与线性补偿、三次样条补偿、多项式补偿等误差补偿方法进行了对比。 本文分析了标定测角误差的不确定度，对测角误差组成和补偿前后精度进行了分析。在置信概率为99.73%的范围内，水平测角精度补偿前后分别为1.60"和0.90"，俯仰测角精度补偿前后分别为4.89"和0.91"，精度分别提高了44%和81%，达到了亚角秒级的测量精度。本文研究结果表明误差谐波补偿方法是有效的，可以大大提高仪器的测量精度。