經(jīng)緯儀

　　歷史

　　經(jīng)緯儀最初的發(fā)明與航海有著密切的關(guān)系。在十五 十六世紀，英國、法國等一些發(fā)達國家，因為航海和戰(zhàn)爭的原因，需要繪制各種地圖、海圖。最早繪制地圖使用的是三角測量法，就是根據(jù)兩個已知點上的觀測結(jié)果，求出遠處第三點的位置,但由于沒有合適的儀器，導(dǎo)致角度測量手段有限，精度不高，由此繪制出的地形圖精度也不高。而經(jīng)緯儀的發(fā)明，提高了角度的觀測精度，同時簡化了測量和計算的過程，也為繪制地圖提供了更精確的數(shù)據(jù)。后來經(jīng)緯儀被廣泛地使用于各項工程建設(shè)的測量上。

　　經(jīng)緯儀是由英國機械師西森(Sisson)約于1730年首先研制的，后經(jīng)改進成型，正式用于英國大地測量中。1904年，德國開始生產(chǎn)玻璃度盤經(jīng)緯儀。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，60年代出現(xiàn)了電子經(jīng)緯儀。在此基礎(chǔ)上，70年代制成電子速測儀。

　　構(gòu)造

　　經(jīng)緯儀的結(jié)構(gòu)（主要常用部件）：

　　1. 望遠鏡制動螺旋 2. 望遠鏡 3. 望遠鏡微動螺旋 4.水平制動 5. 水平微動螺旋 6. 腳螺旋 9. 光學(xué)瞄準器 10.物鏡調(diào)焦 11.目鏡調(diào)焦 12. 度盤讀數(shù)顯微鏡調(diào)焦 13. 豎盤指標管水準器微動螺旋 14. 光學(xué)對中器 15.基座圓水準器 16.儀器基座 17. 豎直度盤 18. 垂直度盤照明鏡 19. 照準部管水準器20. 水平度盤位置變換手輪

　　望遠鏡與豎盤固連，安裝在儀器的支架上，這一部分稱為儀器的照準部，屬于儀器的上部。望遠鏡連同豎盤可繞橫軸在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動，望遠鏡的視準軸應(yīng)與橫軸正交，橫軸應(yīng)通過水盤的刻畫中心。照準部的數(shù)軸（照準部旋轉(zhuǎn)軸）插入儀器基座的軸套內(nèi)，照準部可以作水平轉(zhuǎn)動。

　　分類

　　經(jīng)緯儀根據(jù)度盤刻度和讀數(shù)方式的不同，分為電子經(jīng)緯儀和光學(xué)經(jīng)緯儀。目前我國主要使用光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀，游標經(jīng)緯儀早已淘汰。

　　光學(xué)經(jīng)緯的水平度盤和豎直度盤用玻璃制成，在度盤平面的周圍邊緣刻有等間隔的分劃線，兩相鄰分劃線間距所對的圓心角稱為度盤的格值，又稱度盤的最小分格值。一般以格值的大小確定精度，分為：

　　DJ6 度盤格值為1° DJ2 度盤格值為20′ DJ1 （T3）度盤格值為4′

　　按精度從高精度到低精度分：DJ0.7,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等（D,J分別為大地和經(jīng)緯儀的首字母）

　　經(jīng)緯儀是測量任務(wù)中用于測量角度的精密測量儀器，可以用于測量角度、工程放樣以及粗略的距離測取。整套儀器由儀器、腳架部兩部分組成。

　　作用

　　測量時，將經(jīng)緯儀安置在三腳架上，用垂球或光學(xué)對點器將儀器中心對準地面測站點上，用水準器將儀器定平，用望遠鏡瞄準測量目標，用水平度盤和豎直度盤測定水平角和豎直角。按精度分為精密經(jīng)緯儀和普通經(jīng)緯儀；按讀數(shù)設(shè)備可分為光學(xué)經(jīng)緯儀和游標經(jīng)緯儀；按軸系構(gòu)造分為復(fù)測經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。此外，有可自動按編碼穿孔記錄度盤讀數(shù)的編碼度盤經(jīng)緯儀；可連續(xù)自動瞄準空中目標的自動跟蹤經(jīng)緯儀；利用陀螺定向原理迅速獨立測定地面點方位的陀螺經(jīng)緯儀和激光經(jīng)緯儀；具有經(jīng)緯儀、子午儀和天頂儀三種作用的供天文觀測的全能經(jīng)緯儀；將攝影機與經(jīng)緯儀結(jié)合一起供地面攝影測量用的攝影經(jīng)緯儀等。

　　應(yīng)用

　　經(jīng)緯儀是望遠鏡的機械部分，使望遠鏡能指向不同方向。經(jīng)緯儀具有兩條互相垂直的轉(zhuǎn)軸，以調(diào)校望遠鏡的方位角及水平高度。此類架臺結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，主要配合地面望遠鏡（大地測量、觀鳥等用途）使用，若用來觀察天體，由于天體的日周運動方向通常不與地平線垂直或平行，因此需要同時轉(zhuǎn)動兩軸并隨時間變換轉(zhuǎn)速才能追蹤天體，不過視場中其它天體會相對于目標天體旋轉(zhuǎn)，除非加上抵消視場旋轉(zhuǎn)的機構(gòu)，否則不適合用于長時間曝光的天文攝影。

　　應(yīng)用舉列(已知A、B兩點的坐標，求取C點坐標)：

　　是在已知坐標的A、B兩點中一點架設(shè)儀器（以儀器架設(shè)在A點為例），完成安置對中的基礎(chǔ)操作以后對準另一個已知點（B點），然后根據(jù)自己的需要配置一個讀數(shù)1并記錄，然后照準C點（未知點）再次讀取讀數(shù)2。讀數(shù)2與讀數(shù)1的差值既為角BAC的角度值，再精確量取AC、BC的距離，就可以用數(shù)學(xué)方法計算出C點的精確坐標。

　　自制方法

　　一、赤經(jīng)及赤緯

　　在茫茫大海中，航行的船只遇到危險，求急救時，第一就是要讓救援的人知道船只的所在處，也就是說要將船只所在的經(jīng)緯度告知救援的人。經(jīng)緯度不僅能在海洋上指出船只的位置。它的最大好處是能將一個物體的確實位置，很簡潔地讓大家都能明了。同樣的，在無際無涯的夜空星海中，一旦發(fā)現(xiàn)了新的星體，你如何將它的正確位置，公諸于世呢？你是否想到應(yīng)該有一種類似經(jīng)緯度的度量系統(tǒng)，來標定星球位置，制作星圖呢？天文學(xué)家所使用的度量系統(tǒng)是赤經(jīng)（Rightascension）及赤緯（Declination），赤緯的單位是度（Degrees），赤經(jīng)單位是時（Hours）、分（Minutes），我們對這些也許并不熟悉，但要了解也并不難。

　　由于星辰距我們甚遠，單靠眼睛實在辨別不出它們之間的遠近差別，因此這些星球在我們看來都好像同樣遠近。我們就假想有一懸空之球殼罩住了整個地球，這個假想的球就叫做天球（Celestialsphere），而這些星星就固定在球殼內(nèi)面，每次我們只能看到半個球面。因為地球自轉(zhuǎn)的結(jié)果，天球便好像由東至西不斷地繞著我們旋轉(zhuǎn)，而天球北（南）極恰在地球地理北（南）極的正上空，天球赤道也恰在地球赤道的正上空，即位在二天極的中央。像地球一樣，我們將天球刻劃上了經(jīng)緯度，在天文學(xué)中這相當(dāng)于地球緯（經(jīng)）度的，便叫做赤緯（赤經(jīng)）。從天極到天球赤道間，赤緯共分90°；而赤經(jīng)共分24時，1時又分60分，即1h=60m=15°，這是因為地球或天球每小時旋轉(zhuǎn)15°而得名。這套決定天體位置的方法，看起來相當(dāng)復(fù)雜，但是它有許多好處。例如，天球不斷旋轉(zhuǎn)，所以星星的視位置不斷改變，像是由東至西橫過夜空；同時，又因地球公轉(zhuǎn)結(jié)果，雖在同一時刻，隔幾天后，星星位置也稍稍偏西；或是你由北向南行走時，星星對地平線之相對位置，也都有所改變。既然星星之視位置，如此善變，故要依照所見來說明其位置，是相當(dāng)困難的，只能藉著赤經(jīng)、赤緯來說明了，因為每一個星球恰與一組赤經(jīng)緯度相對應(yīng)。但也由于星象瞬息萬變，到底應(yīng)如何去測量其赤經(jīng)及赤緯呢？

　　二、經(jīng)緯儀之制作

　　經(jīng)緯儀（Theodolite）是用來量度赤經(jīng)、赤緯的，它是一種具有許多天文望遠鏡特性的觀測裝置。介紹一種簡單的經(jīng)緯儀做法，所須材料列于表一，各材料之尺寸大小僅供參改，可自斟酌，但各零件之相關(guān)位置必須弄清。制作之前先看看圖1，圖2，圖3，及作法：1.用厚(3/8)"之三夾板，鋸下二個圓盤，直徑比量角器（分度器）稍大約(1/2)"即可。以強力膠在每一圓盤上，黏上二塊量角器，量角器底邊中點，須確實黏在圓盤中心上。（見圖2）。2.把一個圓盤用二根螺絲釘，固定在D上，圓盤之圓心與90°之連線，必須與D之中線重疊，在D之兩端各釘上一個螺絲圈，（注意不是釘在有圓盤的那一面，見圖2）視線便可通過兩個小圈觀察。3.在另一圓盤圓心處，鑿一(1/4)"的洞，這洞要同時穿過A、C，（見圖3），用一螺絲穿過栓好，調(diào)整一下松緊程度，使C很容易旋轉(zhuǎn)。4.從附于D之量角器圓心鑿洞，以木栓或螺絲將D、C旋緊。但D、C間要能轉(zhuǎn)動，不要固定。5.用鐵片截取三個三角形，以螺絲釘或小釘子將它們附于C上，三角形之尖端必須平貼于量角器上。6.以鉸鏈將A、B接好。（見圖1）7.G、H上距一端(3/4)"處鑿一小洞，距此洞1"處起，沿每一木絳之中線，鑿一寬(3/16)"之細縫，直到距另一端1"處。在小洞處以螺絲釘將G、H栓在A之二邊，再用座鉆通過細縫將G、H栓在B之邊上，這是用來調(diào)整角度x的。釘螺絲或座鉆時，應(yīng)釘在適當(dāng)位置，以致當(dāng)調(diào)整至細縫末端時，A、B能夠重合。經(jīng)緯儀這時便可使用了。

　　三、經(jīng)緯儀之使用

　　將經(jīng)緯儀支在架子上，像椅子、像機三角架均可，目的只在使視線容易通過D之螺絲圈觀察。把經(jīng)緯儀面向南方放好，首先視臂D不要舉起，（即緯度表E指在零），調(diào)整B板之傾斜，使視線沿視臂看到地平線，將B板固定在這位置，此時B板即保持水平，現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)C、D觀察天體，則E即指示出天體之地平緯度（Altitude）?，F(xiàn)在將經(jīng)緯儀A板舉高至x角，x=90°－（測量地之緯度），例如，你在臺北測量，緯度大約25°3'，角x就等于64°57'；另一個法子是將視臂指向北極星，D保持在這方向，而移動A板，使緯度表E之讀數(shù)為90°，此時A板即與B成x角了，當(dāng)然你稍微想想便知道，可用這種方法來測量你所在地的緯度了，為什麼這樣子A與B就成x角呢？（注一）仰望天極（即北極星處）時仰角即為你的緯度，因此當(dāng)E讀數(shù)為零時，將板A舉起x角后，視臂即指向天球赤道，為什么？（注二）調(diào)整x角之目的，在于求得星星對天球赤道面之仰角（即赤緯度），而不須顧慮到因觀測地之緯度不同，所引起之星星視位置之變化。此時由西至東旋轉(zhuǎn)視臂，便畫出了天球赤道位置。為了測度赤經(jīng)，你必經(jīng)將經(jīng)度表F刻成赤經(jīng)單位——時，每隔15°為1時，由零度起反時針方向刻?，F(xiàn)在移動視臂注視南天之一已知星，從星圖、天文日歷或其它參考星源，決定此星之赤經(jīng)、赤緯，旋轉(zhuǎn)經(jīng)度表F，使C之指針指向適當(dāng)之赤經(jīng)值。此時緯度表應(yīng)即自動指在了正確的赤緯值，否則儀器便有了偏差。將F固定住，現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)C、D，把視臂指向另一星球，此時從E、F就可讀出，此星球之赤緯度、赤經(jīng)度了。在天球赤道以北之星球赤緯度為正，在天球赤道以南之星赤緯度為負，即E盤上朝開口處之量角器度數(shù)為正，另一個為負。例如：角宿大星（Spica），在四、五、六月夜空均可見，它的赤經(jīng)度(R.A.)=13h23m37s，赤緯度(D.)=-11°00'19''，將視臂指向角宿大星，此時緯度表E讀數(shù)應(yīng)約為-11°，調(diào)整經(jīng)度表F至13h23m37s?，F(xiàn)在旋轉(zhuǎn)視臂D，注視軒轅大星（Regulus），此時在E上就可讀出約12°06'，F(xiàn)上約10h07m，于是知道軒轅大星之R.A.=10h07m，D.=12°06'。再舉個例，在冬季夜空可見天狼星（Sirius）R.A.約為6h44m，D.約為-16°40'，將F調(diào)整至6h44m后，將視臂舉高約在25°赤緯度，再向西旋轉(zhuǎn)到赤經(jīng)度約為3h45m，此時通過D上之螺絲圈，你就可以看到昴宿（Pleiades）了。在秋冬夜晚較早時，在飛馬座（Pegasus）大正方形附近，可見朦朧亮帶，那是仙女座大星云（Andromeda），它是漩渦星云中唯一能被肉眼清晰看見的，你有興趣求求它的概略位置嗎？大約是R.A.=0h40m，D.=41°。用這樣方法求赤經(jīng)、赤緯的好處，便在于不必顧慮到觀測時間不同，引起星球視位置改變的因素，為什么？因為A板經(jīng)x角修正后，即與天球赤道面重合，E求得的是星星對A板（即天球赤道面）之仰角，自然就是赤緯度了。又天球雖然不斷旋轉(zhuǎn)，但各星星差不多全是極遠處之恒星，它們之間的相對位置均不變，我們已知一星之赤經(jīng)度，以此為準，自然便可由此星與他星之夾角，而求出另一星的赤經(jīng)度了，所以不論你在什么緯度，什么季節(jié)，什么時間觀察，你所求得星星之赤經(jīng)、赤緯度數(shù)均不會有所差別。一些參考星源列于表二。許多偉大的實驗，它所需要的裝置，往往是相當(dāng)簡單的，所以你不要小看經(jīng)緯儀，很可能有一天，你利用它標定出一顆從未為人發(fā)現(xiàn)的星球的位置，而馳名于世呢？原文系摘自“ChallengeoftheUriverse”117頁“ProjectsandExperiments”1962年由“NationalScienceTeachersAssociation”出版。原文僅說明制作法，并不討論原理，譯者加入一些原理的簡單說明而成。注一：見圖4，B板指向南方地平線，D指向天球北極，A板與D垂直，∠Y即觀測地之緯度，因北極星距地球甚遠，故指向天球北極之D，與北極至地心之聯(lián)線平行，很容易的我們就可證出∠Z=∠Y，而∠x+∠Z=90°，因此∠x=90°-∠Z=90°-∠Y=90°-（觀測地之緯度）。注二：E讀數(shù)為零時，D與A平行，見圖4知，A與天球北極成直角，即指向天球赤道，故D也指向天球赤道。原理　經(jīng)緯儀是根據(jù)測角原理設(shè)計的。為了測定水平角，必須在通過空間兩方向線交點的鉛垂線上，水平地放置一個帶有角度分劃的圓盤──水平度盤（圖2）。圖上，OAA1豎直面與水平度盤的交線在度盤上得到讀數(shù)ɑ,OBB1豎直面與水平度盤的交線在度盤上得到讀數(shù)b,b減ɑ就是圓心角β,即為水平角A1O1B1的角值β1。為了測定豎直角,又必須豎放一個圓盤──豎直度盤。由于豎直角的一個方向是特定的方向（水平方向或天頂方向），所以只需在豎直度盤上讀取視線指向欲測目標時的讀數(shù)，即可獲得豎直角值。類別　經(jīng)緯儀的種類很多，按精度可分為普通經(jīng)緯儀和精密經(jīng)緯儀，有一定的系列標準。中國生產(chǎn)的精密光學(xué)經(jīng)緯儀，一測回水平方向中誤差不大于±0.7″,其望遠鏡放大倍數(shù)為56倍、45倍、30倍,水平度盤直徑158毫米，最小讀數(shù)值0.2″，豎直度盤直徑88毫米,最小讀數(shù)值 0.4″。經(jīng)緯儀按讀數(shù)設(shè)備分為游標經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀；按軸系又可分為復(fù)測經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。目前最常用的是光學(xué)經(jīng)緯儀。為使作業(yè)方便，提高效率，這類儀器在原有基礎(chǔ)上又有所改進。例如采用正像望遠鏡；快調(diào)焦、慢調(diào)焦機構(gòu)；同軸制動、微動機構(gòu)；度盤讀數(shù)數(shù)字化，用帶有分劃尺的讀數(shù)顯微鏡或帶有光學(xué)測微器的讀數(shù)顯微鏡；兩個度盤影像呈現(xiàn)不同顏色；粗、精配置度盤機構(gòu)以及豎盤指標自動歸零裝置等。還有某些具有特殊功能的經(jīng)緯儀，例如，帶有光學(xué)測距裝置的視距經(jīng)緯儀；利用磁針定磁北方位的羅盤經(jīng)緯儀；將陀螺儀和經(jīng)緯儀組合，能測定真北方位的陀螺經(jīng)緯儀（見礦山測量）；利用激光形成可見視準軸，能進行導(dǎo)向、定位和準直測量的激光經(jīng)緯儀；進行地面攝影的攝影經(jīng)緯儀；自動跟蹤測量的電影經(jīng)緯儀；自動測角和記錄的電子經(jīng)緯儀；以及將電子經(jīng)緯儀、電磁波測距裝置、微型信息處理機和記錄器等綜合成單體整機的電子速測儀。電子速測儀不僅可在現(xiàn)場迅速獲得斜距、平距、高差（或高程）和坐標增量（或坐標）等數(shù)據(jù)，并能自動顯示、打印和穿孔記錄，或在磁帶上存貯數(shù)據(jù)，還可建立數(shù)字地形模型，或利用專用接口與計算機連接自動成圖。在如隧道工程等黑暗環(huán)境下作業(yè)時，利用 LDT520對測點發(fā)射的可見激光束可高效率實施方向控制和點位定位。陰天環(huán)境下，激光束有效作業(yè)半徑達600m，黑暗環(huán)境下則更遠。