经纬仪

　　历史

　　经纬仪最初的发明与航海有着密切的关系。在十五 十六世纪，英国、法国等一些发达国家，因为航海和战争的原因，需要绘制各种地图、海图。最早绘制地图使用的是三角测量法，就是根据两个已知点上的观测结果，求出远处第三点的位置,但由于没有合适的仪器，导致角度测量手段有限，精度不高，由此绘制出的地形图精度也不高。而经纬仪的发明，提高了角度的观测精度，同时简化了测量和计算的过程，也为绘制地图提供了更精确的数据。后来经纬仪被广泛地使用于各项工程建设的测量上。

　　经纬仪是由英国机械师西森(Sisson)约于1730年首先研制的，后经改进成型，正式用于英国大地测量中。1904年，德国开始生产玻璃度盘经纬仪。随着电子技术的发展，60年代出现了电子经纬仪。在此基础上，70年代制成电子速测仪。

　　构造

　　经纬仪的结构（主要常用部件）：

　　1. 望远镜制动螺旋 2. 望远镜 3. 望远镜微动螺旋 4.水平制动 5. 水平微动螺旋 6. 脚螺旋 9. 光学瞄准器 10.物镜调焦 11.目镜调焦 12. 度盘读数显微镜调焦 13. 竖盘指标管水准器微动螺旋 14. 光学对中器 15.基座圆水准器 16.仪器基座 17. 竖直度盘 18. 垂直度盘照明镜 19. 照准部管水准器20. 水平度盘位置变换手轮

　　望远镜与竖盘固连，安装在仪器的支架上，这一部分称为仪器的照准部，属于仪器的上部。望远镜连同竖盘可绕横轴在垂直面内转动，望远镜的视准轴应与横轴正交，横轴应通过水盘的刻画中心。照准部的数轴（照准部旋转轴）插入仪器基座的轴套内，照准部可以作水平转动。

　　分类

　　经纬仪根据度盘刻度和读数方式的不同，分为电子经纬仪和光学经纬仪。目前我国主要使用光学经纬仪和电子经纬仪，游标经纬仪早已淘汰。

　　光学经纬的水平度盘和竖直度盘用玻璃制成，在度盘平面的周围边缘刻有等间隔的分划线，两相邻分划线间距所对的圆心角称为度盘的格值，又称度盘的最小分格值。一般以格值的大小确定精度，分为：

　　DJ6 度盘格值为1° DJ2 度盘格值为20′ DJ1 （T3）度盘格值为4′

　　按精度从高精度到低精度分：DJ0.7,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等（D,J分别为大地和经纬仪的首字母）

　　经纬仪是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。整套仪器由仪器、脚架部两部分组成。

　　作用

　　测量时，将经纬仪安置在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。按精度分为精密经纬仪和普通经纬仪；按读数设备可分为光学经纬仪和游标经纬仪；按轴系构造分为复测经纬仪和方向经纬仪。此外，有可自动按编码穿孔记录度盘读数的编码度盘经纬仪；可连续自动瞄准空中目标的自动跟踪经纬仪；利用陀螺定向原理迅速独立测定地面点方位的陀螺经纬仪和激光经纬仪；具有经纬仪、子午仪和天顶仪三种作用的供天文观测的全能经纬仪；将摄影机与经纬仪结合一起供地面摄影测量用的摄影经纬仪等。

　　应用

　　经纬仪是望远镜的机械部分，使望远镜能指向不同方向。经纬仪具有两条互相垂直的转轴，以调校望远镜的方位角及水平高度。此类架台结构简单，成本较低，主要配合地面望远镜（大地测量、观鸟等用途）使用，若用来观察天体，由于天体的日周运动方向通常不与地平线垂直或平行，因此需要同时转动两轴并随时间变换转速才能追踪天体，不过视场中其它天体会相对于目标天体旋转，除非加上抵消视场旋转的机构，否则不适合用于长时间曝光的天文摄影。

　　应用举列(已知A、B两点的坐标，求取C点坐标)：

　　是在已知坐标的A、B两点中一点架设仪器（以仪器架设在A点为例），完成安置对中的基础操作以后对准另一个已知点（B点），然后根据自己的需要配置一个读数1并记录，然后照准C点（未知点）再次读取读数2。读数2与读数1的差值既为角BAC的角度值，再精确量取AC、BC的距离，就可以用数学方法计算出C点的精确坐标。

　　自制方法

　　一、赤经及赤纬

　　在茫茫大海中，航行的船只遇到危险，求急救时，第一就是要让救援的人知道船只的所在处，也就是说要将船只所在的经纬度告知救援的人。经纬度不仅能在海洋上指出船只的位置。它的最大好处是能将一个物体的确实位置，很简洁地让大家都能明了。同样的，在无际无涯的夜空星海中，一旦发现了新的星体，你如何将它的正确位置，公诸于世呢？你是否想到应该有一种类似经纬度的度量系统，来标定星球位置，制作星图呢？天文学家所使用的度量系统是赤经（Rightascension）及赤纬（Declination），赤纬的单位是度（Degrees），赤经单位是时（Hours）、分（Minutes），我们对这些也许并不熟悉，但要了解也并不难。

　　由于星辰距我们甚远，单靠眼睛实在辨别不出它们之间的远近差别，因此这些星球在我们看来都好像同样远近。我们就假想有一悬空之球壳罩住了整个地球，这个假想的球就叫做天球（Celestialsphere），而这些星星就固定在球壳内面，每次我们只能看到半个球面。因为地球自转的结果，天球便好像由东至西不断地绕著我们旋转，而天球北（南）极恰在地球地理北（南）极的正上空，天球赤道也恰在地球赤道的正上空，即位在二天极的中央。像地球一样，我们将天球刻划上了经纬度，在天文学中这相当于地球纬（经）度的，便叫做赤纬（赤经）。从天极到天球赤道间，赤纬共分90°；而赤经共分24时，1时又分60分，即1h=60m=15°，这是因为地球或天球每小时旋转15°而得名。这套决定天体位置的方法，看起来相当复杂，但是它有许多好处。例如，天球不断旋转，所以星星的视位置不断改变，像是由东至西横过夜空；同时，又因地球公转结果，虽在同一时刻，隔几天后，星星位置也稍稍偏西；或是你由北向南行走时，星星对地平线之相对位置，也都有所改变。既然星星之视位置，如此善变，故要依照所见来说明其位置，是相当困难的，只能藉著赤经、赤纬来说明了，因为每一个星球恰与一组赤经纬度相对应。但也由于星象瞬息万变，到底应如何去测量其赤经及赤纬呢？

　　二、经纬仪之制作

　　经纬仪（Theodolite）是用来量度赤经、赤纬的，它是一种具有许多天文望远镜特性的观测装置。介绍一种简单的经纬仪做法，所须材料列于表一，各材料之尺寸大小仅供参改，可自斟酌，但各零件之相关位置必须弄清。制作之前先看看图1，图2，图3，及作法：1.用厚(3/8)"之三夹板，锯下二个圆盘，直径比量角器（分度器）稍大约(1/2)"即可。以强力胶在每一圆盘上，黏上二块量角器，量角器底边中点，须确实黏在圆盘中心上。（见图2）。2.把一个圆盘用二根螺丝钉，固定在D上，圆盘之圆心与90°之连线，必须与D之中线重叠，在D之两端各钉上一个螺丝圈，（注意不是钉在有圆盘的那一面，见图2）视线便可通过两个小圈观察。3.在另一圆盘圆心处，凿一(1/4)"的洞，这洞要同时穿过A、C，（见图3），用一螺丝穿过栓好，调整一下松紧程度，使C很容易旋转。4.从附于D之量角器圆心凿洞，以木栓或螺丝将D、C旋紧。但D、C间要能转动，不要固定。5.用铁片截取三个三角形，以螺丝钉或小钉子将它们附于C上，三角形之尖端必须平贴于量角器上。6.以铰链将A、B接好。（见图1）7.G、H上距一端(3/4)"处凿一小洞，距此洞1"处起，沿每一木绦之中线，凿一宽(3/16)"之细缝，直到距另一端1"处。在小洞处以螺丝钉将G、H栓在A之二边，再用座钻通过细缝将G、H栓在B之边上，这是用来调整角度x的。钉螺丝或座钻时，应钉在适当位置，以致当调整至细缝末端时，A、B能够重合。经纬仪这时便可使用了。

　　三、经纬仪之使用

　　将经纬仪支在架子上，像椅子、像机三角架均可，目的只在使视线容易通过D之螺丝圈观察。把经纬仪面向南方放好，首先视臂D不要举起，（即纬度表E指在零），调整B板之倾斜，使视线沿视臂看到地平线，将B板固定在这位置，此时B板即保持水平，现在旋转C、D观察天体，则E即指示出天体之地平纬度（Altitude）。现在将经纬仪A板举高至x角，x=90°－（测量地之纬度），例如，你在台北测量，纬度大约25°3'，角x就等于64°57'；另一个法子是将视臂指向北极星，D保持在这方向，而移动A板，使纬度表E之读数为90°，此时A板即与B成x角了，当然你稍微想想便知道，可用这种方法来测量你所在地的纬度了，为什麽这样子A与B就成x角呢？（注一）仰望天极（即北极星处）时仰角即为你的纬度，因此当E读数为零时，将板A举起x角后，视臂即指向天球赤道，为什么？（注二）调整x角之目的，在于求得星星对天球赤道面之仰角（即赤纬度），而不须顾虑到因观测地之纬度不同，所引起之星星视位置之变化。此时由西至东旋转视臂，便画出了天球赤道位置。为了测度赤经，你必经将经度表F刻成赤经单位——时，每隔15°为1时，由零度起反时针方向刻。现在移动视臂注视南天之一已知星，从星图、天文日历或其它参考星源，决定此星之赤经、赤纬，旋转经度表F，使C之指针指向适当之赤经值。此时纬度表应即自动指在了正确的赤纬值，否则仪器便有了偏差。将F固定住，现在旋转C、D，把视臂指向另一星球，此时从E、F就可读出，此星球之赤纬度、赤经度了。在天球赤道以北之星球赤纬度为正，在天球赤道以南之星赤纬度为负，即E盘上朝开口处之量角器度数为正，另一个为负。例如：角宿大星（Spica），在四、五、六月夜空均可见，它的赤经度(R.A.)=13h23m37s，赤纬度(D.)=-11°00'19''，将视臂指向角宿大星，此时纬度表E读数应约为-11°，调整经度表F至13h23m37s。现在旋转视臂D，注视轩辕大星（Regulus），此时在E上就可读出约12°06'，F上约10h07m，于是知道轩辕大星之R.A.=10h07m，D.=12°06'。再举个例，在冬季夜空可见天狼星（Sirius）R.A.约为6h44m，D.约为-16°40'，将F调整至6h44m后，将视臂举高约在25°赤纬度，再向西旋转到赤经度约为3h45m，此时通过D上之螺丝圈，你就可以看到昴宿（Pleiades）了。在秋冬夜晚较早时，在飞马座（Pegasus）大正方形附近，可见朦胧亮带，那是仙女座大星云（Andromeda），它是漩涡星云中唯一能被肉眼清晰看见的，你有兴趣求求它的概略位置吗？大约是R.A.=0h40m，D.=41°。用这样方法求赤经、赤纬的好处，便在于不必顾虑到观测时间不同，引起星球视位置改变的因素，为什么？因为A板经x角修正后，即与天球赤道面重合，E求得的是星星对A板（即天球赤道面）之仰角，自然就是赤纬度了。又天球虽然不断旋转，但各星星差不多全是极远处之恒星，它们之间的相对位置均不变，我们已知一星之赤经度，以此为准，自然便可由此星与他星之夹角，而求出另一星的赤经度了，所以不论你在什么纬度，什么季节，什么时间观察，你所求得星星之赤经、赤纬度数均不会有所差别。一些参考星源列于表二。许多伟大的实验，它所需要的装置，往往是相当简单的，所以你不要小看经纬仪，很可能有一天，你利用它标定出一颗从未为人发现的星球的位置，而驰名于世呢？原文系摘自“ChallengeoftheUriverse”117页“ProjectsandExperiments”1962年由“NationalScienceTeachersAssociation”出版。原文仅说明制作法，并不讨论原理，译者加入一些原理的简单说明而成。注一：见图4，B板指向南方地平线，D指向天球北极，A板与D垂直，∠Y即观测地之纬度，因北极星距地球甚远，故指向天球北极之D，与北极至地心之联线平行，很容易的我们就可证出∠Z=∠Y，而∠x+∠Z=90°，因此∠x=90°-∠Z=90°-∠Y=90°-（观测地之纬度）。注二：E读数为零时，D与A平行，见图4知，A与天球北极成直角，即指向天球赤道，故D也指向天球赤道。原理　经纬仪是根据测角原理设计的。为了测定水平角，必须在通过空间两方向线交点的铅垂线上，水平地放置一个带有角度分划的圆盘──水平度盘（图2）。图上，OAA1竖直面与水平度盘的交线在度盘上得到读数ɑ,OBB1竖直面与水平度盘的交线在度盘上得到读数b,b减ɑ就是圆心角β,即为水平角A1O1B1的角值β1。为了测定竖直角,又必须竖放一个圆盘──竖直度盘。由于竖直角的一个方向是特定的方向（水平方向或天顶方向），所以只需在竖直度盘上读取视线指向欲测目标时的读数，即可获得竖直角值。类别　经纬仪的种类很多，按精度可分为普通经纬仪和精密经纬仪，有一定的系列标准。中国生产的精密光学经纬仪，一测回水平方向中误差不大于±0.7″,其望远镜放大倍数为56倍、45倍、30倍,水平度盘直径158毫米，最小读数值0.2″，竖直度盘直径88毫米,最小读数值 0.4″。经纬仪按读数设备分为游标经纬仪、光学经纬仪和电子经纬仪；按轴系又可分为复测经纬仪和方向经纬仪。目前最常用的是光学经纬仪。为使作业方便，提高效率，这类仪器在原有基础上又有所改进。例如采用正像望远镜；快调焦、慢调焦机构；同轴制动、微动机构；度盘读数数字化，用带有分划尺的读数显微镜或带有光学测微器的读数显微镜；两个度盘影像呈现不同颜色；粗、精配置度盘机构以及竖盘指标自动归零装置等。还有某些具有特殊功能的经纬仪，例如，带有光学测距装置的视距经纬仪；利用磁针定磁北方位的罗盘经纬仪；将陀螺仪和经纬仪组合，能测定真北方位的陀螺经纬仪（见矿山测量）；利用激光形成可见视准轴，能进行导向、定位和准直测量的激光经纬仪；进行地面摄影的摄影经纬仪；自动跟踪测量的电影经纬仪；自动测角和记录的电子经纬仪；以及将电子经纬仪、电磁波测距装置、微型信息处理机和记录器等综合成单体整机的电子速测仪。电子速测仪不仅可在现场迅速获得斜距、平距、高差（或高程）和坐标增量（或坐标）等数据，并能自动显示、打印和穿孔记录，或在磁带上存贮数据，还可建立数字地形模型，或利用专用接口与计算机连接自动成图。在如隧道工程等黑暗环境下作业时，利用 LDT520对测点发射的可见激光束可高效率实施方向控制和点位定位。阴天环境下，激光束有效作业半径达600m，黑暗环境下则更远。