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(jì)，英國(guó)、法國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家，因?yàn)楹胶：蛻?zhàn)爭(zhēng)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(cè)量法，就是根據(jù)兩個(gè)已知點(diǎn)上的觀測(cè)結(jié)果，求出遠(yuǎn)處第三點(diǎn)的位置,但由于沒有合適的儀器，導(dǎo)致角度測(cè)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(cè)精度，同時(shí)簡(jiǎn)化了測(cè)量和計(jì)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(xiàng)工程建設(shè)的測(cè)量上。

　　經(jīng)緯儀是由英國(guó)機(jī)械師西森(Sisson)約于1730年首先研制的，后經(jīng)改進(jìn)成型，正式用于英國(guó)大地測(cè)量中。1904年，德國(guó)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(cè)儀。

　　構(gòu)造

　　經(jīng)緯儀的結(jié)構(gòu)（主要常用部件）：

　　1. 望遠(yuǎn)鏡制動(dòng)螺旋 2. 望遠(yuǎn)鏡 3. 望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)螺旋 4.水平制動(dòng) 5. 水平微動(dòng)螺旋 6. 腳螺旋 9. 光學(xué)瞄準(zhǔn)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(biāo)管水準(zhǔn)器微動(dòng)螺旋 14. 光學(xué)對(duì)中器 15.基座圓水準(zhǔn)器 16.儀器基座 17. 豎直度盤 18. 垂直度盤照明鏡 19. 照準(zhǔn)部管水準(zhǔn)器20. 水平度盤位置變換手輪

　　望遠(yuǎn)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(zhǔn)部，屬于儀器的上部。望遠(yuǎn)鏡連同豎盤可繞橫軸在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸應(yīng)與橫軸正交，橫軸應(yīng)通過水盤的刻畫中心。照準(zhǔn)部的數(shù)軸（照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)軸）插入儀器基座的軸套內(nèi)，照準(zhǔn)部可以作水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

　　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(guó)主要使用光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀，游標(biāo)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(duì)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(cè)量任務(wù)中用于測(cè)量角度的精密測(cè)量?jī)x器，可以用于測(cè)量角度、工程放樣以及粗略的距離測(cè)取。整套儀器由儀器、腳架部?jī)刹糠纸M成。

　　作用

　　測(cè)量時(shí)，將經(jīng)緯儀安置在三腳架上，用垂球或光學(xué)對(duì)點(diǎn)器將儀器中心對(duì)準(zhǔn)地面測(cè)站點(diǎn)上，用水準(zhǔn)器將儀器定平，用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo)，用水平度盤和豎直度盤測(cè)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(biāo)經(jīng)緯儀；按軸系構(gòu)造分為復(fù)測(cè)經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。此外，有可自動(dòng)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(dòng)瞄準(zhǔn)空中目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤經(jīng)緯儀；利用陀螺定向原理迅速獨(dú)立測(cè)定地面點(diǎn)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(cè)的全能經(jīng)緯儀；將攝影機(jī)與經(jīng)緯儀結(jié)合一起供地面攝影測(cè)量用的攝影經(jīng)緯儀等。

　　應(yīng)用

　　經(jīng)緯儀是望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械部分，使望遠(yuǎn)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(yuǎn)鏡的方位角及水平高度。此類架臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，主要配合地面望遠(yuǎn)鏡（大地測(cè)量、觀鳥等用途）使用，若用來觀察天體，由于天體的日周運(yùn)動(dòng)方向通常不與地平線垂直或平行，因此需要同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)兩軸并隨時(shí)間變換轉(zhuǎn)速才能追蹤天體，不過視場(chǎng)中其它天體會(huì)相對(duì)于目標(biāo)天體旋轉(zhuǎn)，除非加上抵消視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，否則不適合用于長(zhǎng)時(shí)間曝光的天文攝影。

　　應(yīng)用舉列(已知A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo)，求取C點(diǎn)坐標(biāo))：

　　是在已知坐標(biāo)的A、B兩點(diǎn)中一點(diǎn)架設(shè)儀器（以儀器架設(shè)在A點(diǎn)為例），完成安置對(duì)中的基礎(chǔ)操作以后對(duì)準(zhǔn)另一個(gè)已知點(diǎn)（B點(diǎn)），然后根據(jù)自己的需要配置一個(gè)讀數(shù)1并記錄，然后照準(zhǔn)C點(diǎn)（未知點(diǎn)）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(jì)算出C點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

　　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(xiǎn)，求急救時(shí)，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(gè)物體的確實(shí)位置，很簡(jiǎn)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(biāo)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(shí)（Hours）、分（Minutes），我們對(duì)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(yuǎn)，單靠眼睛實(shí)在辨別不出它們之間的遠(yuǎn)近差別，因此這些星球在我們看來都好像同樣遠(yuǎn)近。我們就假想有一懸空之球殼罩住了整個(gè)地球，這個(gè)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(gè)球面。因?yàn)榈厍蜃赞D(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(shí)，1時(shí)又分60分，即1h=60m=15°，這是因?yàn)榈厍蚧蛱烨蛎啃r(shí)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(shí)，又因地球公轉(zhuǎn)結(jié)果，雖在同一時(shí)刻，隔幾天后，星星位置也稍稍偏西；或是你由北向南行走時(shí)，星星對(duì)地平線之相對(duì)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?yàn)槊恳粋€(gè)星球恰與一組赤經(jīng)緯度相對(duì)應(yīng)。但也由于星象瞬息萬變，到底應(yīng)如何去測(cè)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(yuǎn)鏡特性的觀測(cè)裝置。介紹一種簡(jiǎn)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(gè)圓盤，直徑比量角器（分度器）稍大約(1/2)"即可。以強(qiáng)力膠在每一圓盤上，黏上二塊量角器，量角器底邊中點(diǎn)，須確實(shí)黏在圓盤中心上。（見圖2）。2.把一個(gè)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(gè)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(gè)小圈觀察。3.在另一圓盤圓心處，鑿一(1/4)"的洞，這洞要同時(shí)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(dòng)，不要固定。5.用鐵片截取三個(gè)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(xì)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(xì)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(shí)，應(yīng)釘在適當(dāng)位置，以致當(dāng)調(diào)整至細(xì)縫末端時(shí)，A、B能夠重合。經(jīng)緯儀這時(shí)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(jī)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(shí)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(cè)量地之緯度），例如，你在臺(tái)北測(cè)量，緯度大約25°3'，角x就等于64°57'；另一個(gè)法子是將視臂指向北極星，D保持在這方向，而移動(dòng)A板，使緯度表E之讀數(shù)為90°，此時(shí)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(cè)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(shí)仰角即為你的緯度，因此當(dāng)E讀數(shù)為零時(shí)，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(duì)天球赤道面之仰角（即赤緯度），而不須顧慮到因觀測(cè)地之緯度不同，所引起之星星視位置之變化。此時(shí)由西至東旋轉(zhuǎn)視臂，便畫出了天球赤道位置。為了測(cè)度赤經(jīng)，你必經(jīng)將經(jīng)度表F刻成赤經(jīng)單位——時(shí)，每隔15°為1時(shí)，由零度起反時(shí)針方向刻。現(xiàn)在移動(dòng)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(shí)緯度表應(yīng)即自動(dòng)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(shí)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(fù)，即E盤上朝開口處之量角器度數(shù)為正，另一個(gè)為負(fù)。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(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(shí)，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(cè)時(shí)間不同，引起星球視位置改變的因素，為什么？因?yàn)锳板經(jīng)x角修正后，即與天球赤道面重合，E求得的是星星對(duì)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(yuǎn)處之恒星，它們之間的相對(duì)位置均不變，我們已知一星之赤經(jīng)度，以此為準(zhǔn)，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(shí)間觀察，你所求得星星之赤經(jīng)、赤緯度數(shù)均不會(huì)有所差別。一些參考星源列于表二。許多偉大的實(shí)驗(yàn)，它所需要的裝置，往往是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，所以你不要小看經(jīng)緯儀，很可能有一天，你利用它標(biāo)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(jiǎn)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(cè)地之緯度，因北極星距地球甚遠(yuǎn)，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(cè)地之緯度）。注二：E讀數(shù)為零時(shí)，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(cè)角原理設(shè)計(jì)的。為了測(cè)定水平角，必須在通過空間兩方向線交點(diǎn)的鉛垂線上，水平地放置一個(gè)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(cè)定豎直角,又必須豎放一個(gè)圓盤──豎直度盤。由于豎直角的一個(gè)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(cè)目標(biāo)時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)生產(chǎn)的精密光學(xué)經(jīng)緯儀，一測(cè)回水平方向中誤差不大于±0.7″,其望遠(yuǎn)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(biāo)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(cè)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(jìn)。例如采用正像望遠(yuǎn)鏡；快調(diào)焦、慢調(diào)焦機(jī)構(gòu)；同軸制動(dòng)、微動(dòng)機(jī)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(cè)微器的讀數(shù)顯微鏡；兩個(gè)度盤影像呈現(xiàn)不同顏色；粗、精配置度盤機(jī)構(gòu)以及豎盤指標(biāo)自動(dòng)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(cè)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(cè)定真北方位的陀螺經(jīng)緯儀（見礦山測(cè)量）；利用激光形成可見視準(zhǔn)軸，能進(jìn)行導(dǎo)向、定位和準(zhǔn)直測(cè)量的激光經(jīng)緯儀；進(jìn)行地面攝影的攝影經(jīng)緯儀；自動(dòng)跟蹤測(cè)量的電影經(jīng)緯儀；自動(dòng)測(cè)角和記錄的電子經(jīng)緯儀；以及將電子經(jīng)緯儀、電磁波測(cè)距裝置、微型信息處理機(jī)和記錄器等綜合成單體整機(jī)的電子速測(cè)儀。電子速測(cè)儀不僅可在現(xiàn)場(chǎng)迅速獲得斜距、平距、高差（或高程）和坐標(biāo)增量（或坐標(biāo)）等數(shù)據(jù)，并能自動(dòng)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(jì)算機(jī)連接自動(dòng)成圖。在如隧道工程等黑暗環(huán)境下作業(yè)時(shí)，利用 LDT520對(duì)測(cè)點(diǎn)發(fā)射的可見激光束可高效率實(shí)施方向控制和點(diǎn)位定位。陰天環(huán)境下，激光束有效作業(yè)半徑達(dá)600m，黑暗環(huán)境下則更遠(yuǎn)。