四川拓圖偉業(yè)測繪科技有限公司
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閱讀：3413發(fā)布時間：2021-9-23
全站儀的測距精度，有全站儀測距標(biāo)稱精度、實(shí)際測距精度的概念。
標(biāo)稱精度
全站儀測距標(biāo)稱精度實(shí)際是全站儀的名義測距精度，是廠商對儀器精度的一種標(biāo)稱。適于系列儀器標(biāo)識。
實(shí)際精度
全站儀測距實(shí)際精度，是通過檢定檢測方法得到。對于具體某型號的某一臺儀器檢測其測距綜合精度、加常數(shù)和乘常數(shù)。不同儀器各數(shù)據(jù)可能是不同的。
對于一般光波全站儀的測距綜合精度，以及儀器的加常數(shù)和乘常數(shù)。一般按照J(rèn)JG100-2003和JJG703-2003進(jìn)行檢定。
但對于免棱鏡激光全站儀的檢定，嚴(yán)格來說我國相關(guān)法律規(guī)程是沒有的。也只能借助于JJG100-2003和JJG703-2003進(jìn)行檢定。
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影響全站儀測距精度的幾個問題的探討
全站儀已廣泛應(yīng)用于工程施工測量由于各種原因技術(shù)人員在工作中常常存在一些認(rèn)識或操作上的誤區(qū)忽視對全站儀測距精度有很大影響的一些因素。本文對這些問題進(jìn)行總結(jié)、探討。
工程施工中全站儀的使用改變了傳統(tǒng)測量方式減小甚至克服了使用光學(xué)測量儀器所無法避免的一些誤差大大提高了測量精度同時隨著高精度全站儀的日趨“平民化”用于施工測量的全站儀普遍為Ⅰ級儀器測距中誤差5mm這些使得技術(shù)人員常常忽視《工程測量規(guī)范》中規(guī)定的、看似無足輕重實(shí)際上對測距精度影響很大的因素如氣象改正、三角高程往返測、棱鏡常數(shù)設(shè)置等。
對于一般工程的測量忽視這些影響因素也能滿足工程施工的精度要求但是在高山地區(qū)或進(jìn)行長大橋、隧控制測量時如果不考慮這些因素的影響測量成果的精度將會大大降低甚至帶入粗差給構(gòu)建筑物的定位帶來較大的影響難以滿足規(guī)范的精度要求。
本文將對工程測量中常見的影響全站儀測距精度的問題進(jìn)行總結(jié)、探討。
一、 氣象改正
全站儀是利用光波在大氣中的傳播速度C為已知這一特性通過測定光波在被測距離上往返傳播的時間來求得距離值的。
如圖1所示。假設(shè)載波往返傳播的時間為t則AB的距離
。由此可見全站儀測距準(zhǔn)確與否除了傳播時間t還與載波在大氣中的傳播速度C密切相關(guān)。
第10屆國際計量大會定義光波在真空中的傳播速度C0=299792458 m/s它可以認(rèn)為是一個無誤常數(shù)。但是我們所需要的是光波在大氣中的傳播速度。由于大氣折射的影響光波在大氣中的傳播速度并不等于其在真空中的傳播速度也不是一個恒定值而是隨大氣折射率的不同而變化。大氣折射率又隨大氣壓、溫度、濕度及氣體成分的不同而變化其中主要的影響因素是大氣壓和溫度根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式
式中與進(jìn)口全站儀、氣壓計的默認(rèn)單位一致大氣壓P的單位以hPa計，1hPa=0.75mmHg溫度t的單位以℃計，α為空氣膨脹系數(shù)取1/273.15n0為標(biāo)準(zhǔn)氣象條件下（t=0℃，P=1013.25hPa）的大氣折射率根據(jù)科希公式：
（λ為光波波長單位以μm計）。
全站儀設(shè)計時是以固定的真空光速和測尺長度在某一氣象條件（儀器的氣象參考點(diǎn)）的折射率為基準(zhǔn)來確定調(diào)制頻率，使此條件下測得的距離為標(biāo)準(zhǔn)距離。實(shí)際作業(yè)時應(yīng)將實(shí)際氣象條件下的大氣折射率n與儀器氣象參考點(diǎn)的折射率n基相比較，計算出折射率改正值，從而得出距離改正值△S，即通常所說的氣象改正值。
例如拓普康 GTS-601全站儀采用的載波波長λ=0.82μm氣象參考點(diǎn)為t基=15℃、P基=1013.25hPa，由科希公式得n0=1.000295022，則：
通過對上式求微分，可以計算出該儀器在氣象參考點(diǎn)1km的距離上，溫度變化1℃所產(chǎn)生的測距誤差為0.97mm，大氣壓變化1hPa所產(chǎn)生的測距誤差為0.28mm。為了直觀地加以說明現(xiàn)以采用拓普康GTS-601全站儀施測的贛龍鐵路山尾旗隧道控制導(dǎo)線的測量成果為例，計算測距的氣象改正值表1。
由此可見，對于工程控制測量來說氣象改正是不可忽略的因素，尤其是長基線或在高溫天氣、高海拔地區(qū)要嚴(yán)格執(zhí)行《工程測量規(guī)范》的規(guī)定“當(dāng)測四等及以上的邊時應(yīng)量取兩端點(diǎn)的測邊始末的氣象數(shù)據(jù)計算時應(yīng)取平均值”，在測距前量取實(shí)際的大氣壓和溫度，并輸入到全站儀中直接進(jìn)行改正。
二、 棱鏡常數(shù)設(shè)置
由于不同介質(zhì)的折射率不同，全站儀載波信號在棱鏡中傳播的速度與在大氣中的傳播速度也不同，為了準(zhǔn)確計算距離，就必須知道載波信號在棱鏡中傳播的時間差。如圖2說明，棱鏡在設(shè)計時根據(jù)全站儀所采用的載波波長，計算了一個等效的棱鏡“零位”，據(jù)此推算出棱鏡的常數(shù)。
式中GN、RN分別為載波在棱鏡和大氣中的折射率；a、b分別為棱鏡前平面到棱鏡錐頂和支架豎軸的距離。
此外有的棱鏡支架設(shè)計了兩種不同的裝配方式如拓普康，有一型號的支架正、反面均可以安裝棱鏡，棱鏡常數(shù)分別是0和-30相差30mm。
因此測距前一定要詳細(xì)了解相配套的棱鏡型號、棱鏡常數(shù)及支架的裝配方式，以免給測量成果帶入粗差。如需使用不同的棱鏡，測距前應(yīng)參照有關(guān)規(guī)范、說明書仔細(xì)測量棱鏡的常數(shù)。
三、 全站儀三角高程往返測問題
地球表面近似于一個圓球面，由于球差的影響，當(dāng)?shù)孛嫔蟽牲c(diǎn)間達(dá)到一定距離后就互不通視了。此外地球表面的大氣密度分布的總規(guī)律是下密上稀，由于氣差的影響，全站儀發(fā)射的載波信號在大氣中傳播時必然產(chǎn)生連續(xù)折射形成彎向地面的曲線。球差和氣差對高程測量的影響值
式中：R為地球平均曲率半徑，取6371km；K為大氣垂直折光系數(shù)，取0.11S為兩點(diǎn)間的距離，單位為km，工程測量的控制點(diǎn)間距離一般較短，相對于地球平均曲率半徑是個微小量，故可用平距代替斜距。
此外在高山地區(qū)，當(dāng)測點(diǎn)平均高程較大，且測點(diǎn)間高差也較大時，還應(yīng)考慮投影到參考橢球面或測區(qū)平均高程面對高差的影響值：
式中h'為兩測點(diǎn)間高差；Hm為兩測點(diǎn)平均高程；ym為兩測點(diǎn)在高斯平面上投影象的橫坐標(biāo)平均值。
假設(shè)S=500m，Hm=500m，h‘=100m，ym=300km。由上兩式得V=0.017m，△h=0.103m。這對工程控制測量來說是不可忽略的影響值。
通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)K值隨大氣壓和溫度的不同而變化，在中午前后最小，也較穩(wěn)定，而且K值是小于1的數(shù)值，即V恒為正值。如果選擇觀測條件大致相同，特別是同一時間作往返觀測，可以近似地認(rèn)為K值是相同的，即V值是相同的。對于同一測距邊。往返測量時△h大小相等符號相同。由往返觀測三角高程計算公式h=（h往-h返）/2可知，V和△h對三角高程的影響值可以通過往返測量相互抵消。由此可見往返測量對全站儀三角高程測量的重要性，在實(shí)際測量中要認(rèn)真執(zhí)行《工程測量規(guī)范》的規(guī)定，“四、五等光電測距三角高程測量每條邊進(jìn)行對向觀測”，以保證控制點(diǎn)高程的精度。
四、加常數(shù)和乘常數(shù)與固定誤差和比例誤差的區(qū)別
1、加常數(shù)和乘常數(shù)
工程上使用的全站儀大多采用相位法測距，即通過測量儀器發(fā)出的連續(xù)正弦電磁波信號在被測距離上往返傳播所產(chǎn)生的相位差，推算出載波傳播時間，從而求得距離S。測距的主要誤差來源有：大氣折射率的誤差、測尺頻率的誤差、相位的誤差以及加常數(shù)的誤差等按其性質(zhì)可劃 分為三類：①與被測距離無關(guān)的誤差通稱為加常數(shù)C；②與被測距離成正比的誤差通稱為乘常數(shù)R；③周期誤差△SA。這些誤差都屬于系統(tǒng)誤差，需要在觀測值中加以改正，計算公式：
式中：S為經(jīng)氣象改正后的距離；A為周期誤差振幅；φ0為周期誤差初相角，μ為測尺長度。除了測尺長度需查閱儀器說明書外，各項(xiàng)參數(shù)都可以在計量部門出具的“檢定證書”中查到，如表2。
由于電子元件老化等因素的影響，儀器使用一段時間后上述各項(xiàng)誤差指標(biāo)都會發(fā)生較大變化，這將給測距結(jié)果帶來不小的影響，因此，要嚴(yán)格執(zhí)行《工程測量規(guī)范》的規(guī)定：“用于控制測量的光電測距儀每年應(yīng)送計量檢定單位檢定一次”。當(dāng)測距精度要求較高時，如隧道控制測量，應(yīng)根據(jù)計量檢定結(jié)果對實(shí)測距離加以改正，特別是加、乘常數(shù)改正。
2、固定誤差和比例誤差
全站儀測距除了上述系統(tǒng)誤差外，還存在著偶然誤差如氣象參數(shù)測定的誤差、發(fā)射光束不均勻的誤差以及儀器對中的誤差等等。根據(jù)統(tǒng)計分析，這些誤差中部分表現(xiàn)出與測量距離無關(guān)的特性，通稱為固定誤差，用a表示，單位為mm，部分表現(xiàn)出與測量距離有關(guān)的特性，通稱為比例誤差，用b表示，單位為ppm即10-6m。
固定誤差和比例誤差就是通常所說的標(biāo)稱精度：±（a+b·D），是生產(chǎn)廠家根據(jù)對一種型號儀器批量產(chǎn)品的實(shí)測資料進(jìn)行統(tǒng)計分析而得到的作為儀器的合格精度指標(biāo)，它在一定程度上反映了全站儀所能達(dá)到的測距精度，但它并不代表現(xiàn)場作業(yè)時的邊長實(shí)測精度。實(shí)際工作中，這兩項(xiàng)誤差通常用于計算測距限差或中誤差，或者控制網(wǎng)設(shè)計時估算測距精度。
五、 測距邊的歸化改正
為了使控制測量與施工測量的長度計算能在同一高程面上進(jìn)行，不致對貫通精度帶來不利影響，平面控制網(wǎng)的測距邊長度一般都要?dú)w算到隧道或橋梁墩頂?shù)钠骄叱堂嫔希嬎愎饺缦拢?/p>
式中D為經(jīng)各項(xiàng)改正后的平距；H0為歸算平均高程面；H為測邊高程。
公路、鐵路工程等專業(yè)測量規(guī)范都對測距邊的歸化改正作了規(guī)定，但其中對于“測邊高程H”的解釋各不相同?！缎陆ㄨF路工程測量規(guī)范》規(guī)定“H為反射鏡高程”隧道部分、“H為儀器與棱鏡橫軸的平均高程橋梁部分”；《工程測量規(guī)范》、《公路勘測規(guī)范》規(guī)定“H為測距邊兩端的平均高程”。徠卡TPS700全站儀《用戶手冊》則指明“平距計算是相對測站高程而言的，并不是鏡站高程”如圖3。
結(jié)合測量規(guī)范、儀器手冊和工程實(shí)踐，筆者認(rèn)為對于工程測量可按如下方法操作：
每條測距邊往返測量應(yīng)盡量選擇在觀測條件大致相同的同一時段；測距時，量取測站的大氣壓和溫度，并進(jìn)行氣象改正；邊長歸化改正計算時，“測邊高程H”選全站儀橫軸（儀器中心）的高程，往返測距的邊長分別歸化改正后再取平均值。
六、 結(jié)束語
全站儀給工程測量帶來了諸多便利大大提高了測量精度，但是不同型號的儀器在性能、操作上存在很大差異，工作中應(yīng)仔細(xì)閱讀儀器的《用戶手冊》和相關(guān)規(guī)范、規(guī)定。全面了解所使用儀器的性能、原理、各項(xiàng)參數(shù)的意義和設(shè)置，做到知其然知其所以然，改正那些認(rèn)識上和操作上的錯誤，這樣才能避免人為地降低測量成果的精度，真正發(fā)揮全站儀高效率、高精度的作用，使之更好地為工程服務(wù)。
信息標(biāo)題：全站儀測距精度
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