一种用于地图上的多功能数显式方位角测量尺

摘要：在地图测绘领域中，方位角的测量与运用尤为重要。在军事作战训练中，判定方位、标定地图、指示目标、确定射向以及保持行进方向等，更是离不开方位角。尤其在沙漠、草原、山林地等地形上或夜间、浓雾、大风雪等气候条件下行进时，军队常需按方位角行进。能够准确迅速地表达与量算方位角及偏角，是地图使用者的必备技能之一。本文提供实用新型角度测量仪器的原型，具体地说是一种适用于地图测量、易于读数、编程换算单位的多功能数显式方位角测量尺。该原型不仅能为地方测绘人员的图上量读提供参考，同时也具备不可小觑的军用价值。

关键词：方位角尺；数字显示；地图测绘

目前，公知测量地图的数显方位角尺，大都是在双直尺式指针式或刻度式机械方位角尺的结构基础上［1］，加上环形电阻或者容栅传感器，经数字处理实现数字显示［2］。这种机械方位角尺测量时有局限性，而且结构复杂，加工困难，成本高，影响角度测量产品数显化的普及和推广。还有的甚至沿用人工测量的方式进行测算，耗费时间长，测量误差大。

综上所述，对于地图，尤其是军用地形图，亟须一种更加敏锐迅捷的装置来测算方位角及偏角，从而达到减小误差、提高作战反应能力与快速形成作战方案的目的。

一、多功能数显式方位角测量尺的基本组成

这种适于地图的多功能数显式方位角测量尺由刻度圆盘、多功能直尺、环形电阻、数显装置、内嵌轴承、过渡模块等部分组成。其特征是：刻度圆盘、环形电阻和内嵌轴承三轴合一，仅使用一个直刻度尺，且该多功能直尺上嵌入数显装置及其他多功能部件。该多功能数显方位角尺的三维结构示意图如图1所示。图1中标号依次为：刻度圆盘1；环形电阻2；直尺部分3；1∶25000比例直尺4；坐标梯尺5；1∶50000比例直尺6；井字格坐标7；数显装置8；过渡模块9；内嵌轴承10。

数显式方位角测量尺的刻度圆盘由多环黑色刻度标示，要求刻度圆盘的厚度较薄，约为1.5mm，避免刻度圆盘厚度过大带来光的折射增大、测量精度不高等问题。同时为避免混淆，要求中环标示的刻度使用红色。刻度圆盘如图2所示，其上共有6圈刻度，最外面的两个大圈刻度为正向和反向标示的0°至360°，其分度值分别为1°和10°；中间的两个小圈刻度为正向和反向标示的0°至360°，其分度值分别为1°和10°；最里面两圈的刻度量程依次是0°至90°和0°至180°，其分度值均是5°。沿着轴心到边缘方向设置一红色起始箭头，箭头长度与刻度圆盘半径相同。圆盘置于最底层，上部与内嵌轴承和环形电阻同轴固定。另外该刻度圆盘的圆心位置处为硬质透明塑料材质，与刻度圆盘处于同一水平面，在圆心处刻有十字分划，用以标定待测角的顶点。

在该新型实用装置中，多功能直尺整体上要求是透明硬质塑料制成，通过过渡模块与刻度圆盘连接，在直尺一侧设置一根指向刻度圆盘轴心的红色箭头，长度与直尺的长边长度相等。多功能直尺两边缘处为直刻度尺，分别采用1∶25000和1∶50000的比例制成。要求直尺部分在整体上厚度较薄（除数显装置部分外），约为1.5mm，避免直尺部分厚度过大带来光的折射增大、测量精度不高等问题，该刻度尺内嵌井字格坐标和坐标梯尺，要求在靠近刻度圆盘处安装数显装置。（具体分布详见图3）

所述的环形电阻与刻度圆盘同轴，且要求环形电阻所测角度为直尺部分偏离红色起始箭头的角度。环形电阻接入数显装置内的集成电路，要求环形电阻与数显装置之间的部分电路通过过渡模块传导［3］。根据设计要求与实际需要，内嵌轴承分为内外两层，轴承的外层黏合环形电阻，内层下部黏合在刻度圆盘上，环形电阻的电刷部分连接多功能直尺［4］。上述设计要求内嵌轴承摩擦系数小，便于直尺部分绕转刻度圆盘，同时不得遮挡刻度圆盘中心的十字分划。而过渡模块要求连接刻度圆盘和多功能直尺，过渡模块内部传导由环形电阻到数显装置的部分电路。关于多功能数显式方位角测量尺的数显装置，其特征是上部为数字显示屏，内部含有集成电路。

二、多功能数显式方位角测量尺的制作原理

在该测量地图的多功能数显式方位角测量尺中，刻度圆盘内安装环形电阻，多功能直尺部分安装数显装置，环形电阻的过渡模块与直尺一端连接，多功能直尺部分与环形电阻的电刷一起转动，通过改变环形电阻接入电路部分的阻值，与环形电阻的总阻值进行对比，进而根据周角读数得出所测角度的大小。另外，该刻度圆盘的圆心位置处为硬质透明塑料材质，与刻度圆盘处于同一水平面，在圆心处刻有十字分划，用以标定待测角的顶点。围绕转动中心设有环槽，在环槽间的环形电阻接入数显装置的集成电路。环形电阻装置如图4所示，工作电路如图5所示。

所述的数显装置由数显单元和数显窗组成，其处在多功能直尺靠近刻度圆盘的一端，当待测方位角的大小改变时，环形电阻的电刷随之移位，环形电阻接入电路的阻值发生变化。进一步地，电路的总阻值也发生变化，电流等参数改变并形成电信号传入数显装置的芯片部分，芯片模块对电信号进行处理后将数值结果呈现在数字显示屏上。通过编程控制设置，可以通过执行代码实现度数和密位的数值换算。通过计算机编程，把测量工作方法或数据处理方法程序化，既提高了测量数据计算的效率，又降低了人工计算的出错概率。利用VisualBasic程序语言设计等编写的算法，可快速准确地计算出坐标方位角等待求量。实现方位角的自动化测量，成为作训需要。现将C语言编写的源代码提供如下：

#include"stdafx.h"

int_tmain（intargc，_TCHAR*argv［］）{return0；}

#include<stdio.h>

#definePI3.14159265f

voidmain（）

{intx；floaty；

printf（"度数转密位请按“密位”键，代号为1；密位转度数请按“度数”键，代号为2。＼＼n"）；

scanf（"%d"，&x）；

switch（x）{

case1：printf（"输入角度："）；

scanf（"%f"，&y）；

printf（"密位为：%d＼＼n"，（int）（y*1.0/0.06））；

break；

case2：

printf（"输入密位："）；

scanf（"%f"，&y）；

printf（"角度为：%0.2f＼＼n"，y*0.06）；

}

}

三、相关使用步骤

刻度圆盘1置于最底层，上部与内嵌轴承10和环形电阻2同轴固定。直尺部分3两侧边缘均为比例尺直尺，改进型坐标梯尺5、井字格坐标7和数显装置8设置在直尺部分3上。数显装置8与环形电阻2的电刷通过过度模块9传导连接。数显装置8内部含有集成电路，数显装置中要求设置五个按钮，依次为“On/Off”“Zero”“Hold”“度数”“密位”。环形电阻2的信号最终传入集成电路内，通过显示屏显示。通过编程控制设置，可以通过执行代码实现度数和密位的数值换算。内嵌轴承10转轴带动环形电阻2的电刷及直尺部分3可作360°转动。

图6为该多功能数显式方位角测量尺的工作状态，为了更加直观清晰地阐述该装置的运转过程，现给出其工作流程图，如图7所示：

四、多功能数显式方位角测量尺的有益效果

本实用新型装置的优点在于：环形电阻测量多功能直尺部分偏离刻度圆盘红色起始箭头的角度，与其他测量仪器相比，本装置简化原有的主直尺和副直尺，仅配置一个刻度圆盘和一个多功能直尺。同时刻度圆盘和直尺部分均紧贴待测面，避免了其他测量仪器主直尺和副直尺不能同时接触待测地图的弊端，减小了测量误差。通过“Hold”按钮，可规避操作不当、角度改变引起的数据丢失。使用C语言编写度数和密位的换算代码，简化了集成电路的结构，减缓了不同单位切换不同阻值电路的缺点。此外，可以通过姿态解算对装置误差进行校正，从理论上构建静态的数学模型及存在测算误差时的数学模型，并利用仿真软件构建角度模型验证测试精度。

当两点之间距离较小的时候（即两点均位于刻度圆盘下面时），此时指针不便于贴紧两点之间的连线，而使用刻度圆盘上的刻度线可以协助测量角度或密位。一定程度上，使用刻度圆盘可直接用刻度去贴靠待测点，这将不再需要人工添加延长线，规避了作图时延长线偏斜或者笔迹较粗、难以准确贴合的情况，既减少了误差，又压缩了作业时间。而且该设计可与数显读数装置优势互补，在直接读取显示数失效时，可展开人工量读机械刻度。

与现有的刻度尺不同，1∶25000比例直尺和1∶50000比例直尺可以通过量取图上两点之间的距离，直接读出对应两点的实地距离，缩减了人工换算比例尺单位的时间，降低了误读、误算的概率，有利于使用者在战场环境下做出当机立断的正确决策。坐标梯尺由相互垂直的两组测尺组成，包含1∶25000和1∶50000两种比例的刻度，便于快速测算某待测点的精确坐标或根据精确坐标查找某目标点。坐标梯尺还设有镂空的几何框，用于快速、美观地绘制圆形和三角形标号。使用时，可将刻度圆盘1的红色起始箭头与直尺部分3的红色长箭头标齐，然后将显示值置零，即可标定角度零位，提高本实用新型的适应性。

结语

总的来说，本文提供了一种适用于地图测量、能够准确迅速地表达与量算方位角及偏角、易于读数、编程换算单位的多功能数显式方位角测量尺。通过对该装置的探究与研制，指战员可在未来战场上敏锐迅捷地测算方位角及偏角，从而达到减小误差、提高作战反应能力与快速形成作战方案的目的。

参考文献：

［1］郭庆坤，王忠，来彦明，等.基于VB的陀螺定向测量方位角计算设计与实现［J］.城市勘测，2021（5）：178180，192.

［2］胡斌斌，张海涛.依赖方位角测量的多智能体系统事件触发协同定位（英文）［J］.控制理论与应用，2021，38（11）：18451854.

［3］陈大龙，朱格苗，霍永章，等.基于终端采样数据AOA的方位角预测方法研究［J］.江苏通信，2021，37（6）：3236.

［4］管军，任塨晔，房善婷，等.基于方位角和匀速圆周运动的单站无源定位算法［J］.雷达与对抗，2021，41（4）：1519.

基金项目：2022年8月***大学关于“军事地形学智慧化教学研究”课题（编号**0221）

作者简介：金复鑫（1978—），男，满族，辽宁抚顺人，博士，陆军航空兵学院基础部副教授，主要从事军事训练与管理研究；巩平（1978—），男，汉族，辽宁开原人，硕士研究生，陆军工程大学军事基础系副教授，从事教育研究和地图测绘相关工作。

*通讯作者：纪文宇（2002—），男，汉族，江苏宿迁人，本科在读，陆军工程大学指挥控制工程学院学员。