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激光跟蹤儀可以測量目標點距離和水平、垂直方向偏轉角。其基本原理是在目標位置上安置一個反射器，激光跟蹤頭發出的激光射到反射器上并返射回到跟蹤頭，當目標移動時，跟蹤頭調整光束方向來對準目標。同時，返回光束為檢測系統所接收，用來測算目標的空間位置。總之，激光跟蹤儀是通過測量一個在目標點上放置的反射器的位置，進而確定目標點的空間坐標。
激光跟蹤儀能直接測量出空間點的三維坐標，這些三維坐標是在激光跟蹤儀的儀器坐標系下得到的。該坐標系定義為：以跟蹤頭中心為原點，以度盤上的0讀數方向為X軸，以度盤平面的法線向上方向為Z軸，以右手坐標系規則確定Y軸
當反射器離開基準位置（基準位置距儀器中心的距離已知），并在空間移動時，激光跟蹤儀會自動跟蹤反射器，同時記錄干涉測距值D 及垂直度盤和水平度盤上的角度值α、β ，用這3個觀測值就可得到點的空間三維直角坐標(x, y, z)。
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