全站仪应用原理及误差分析_王贤羽

露天采矿技术2012年增刊

1前言

原理误差大多表现为系统误差的属性，也有表现为随机误差属性的。但是全站仪的标称精度表述的都是随机误差，有些人误以为仪器除了随机误差就没有其他任何的误差。而客观事实恰恰相反，系统误差的累积效应的影响作用会更大。从这个意义上讲，关注仪器的系统误差有着更重要的意义。

2全站仪的发展概述

20世纪60年代以后，电子测距技术日益成熟，人们将电磁波测距仪和光学经纬仪组合在一起的仪器统称为“电子速测仪”（Electronic Tachymeter）。后来也叫半站型电子速测仪。随着电子测角技术在经纬仪中的广泛应用，出现了电子经纬仪，人们又把电磁波测距仪和电子经纬仪进行一体化设计，并逐步对其功能不断完善：电子改正（补偿）、电子记录、电子计算等，这就是今天意义上的全站型电子速测仪。

半站型电子速测仪也称之为“测距经纬仪”。这种速测仪出现较早，并且进行了不断的改进，可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪，对斜距进行解算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可自动地传输到外部存储器中。

全站型电子速测仪则是由电子测角、电子测距、电子计算和数据存储单元等组成的三维坐标测量系统．测量结果能自动显示，并能与外围设备交换信息。由于全站型电子速测仪较完善地实现了测量和处理过程的电子化和一体化，所以人们也通常简称为全站仪。

从总体上看，全站仪主要有电子测角系统、电子测距系统、和控制系统3大部分组成。

1）电子测角系统完成水平方向和垂直方向的角度测量；

2）电子测距系统完成仪器到目标之间的斜距测量；

3）控制系统负责测量过程控制、数据采集、误差补偿、数据计算、数据存储、通信传输等。

3全站仪的基本原理

3.1电子测距原理

电子测距的原理是利用电磁波的直线传播和波速稳定的特性，通过测出两点之间的电磁波传播延迟时间进而间接测得直线距离的过程（见图1）。

以分别在A、B两点架设测距仪器和反射器，测距仪发射一束电磁波．电磁波在被测距离A、B之间传播，到达B点后，被反射器反方向反射回来。反射回的电磁波又被测距仪接收，如果电磁波测距仪能测出电磁波从发射到接收这一段的时间间隔，也就是电磁波在被测距离D上往返传播所用的时间t

2d

，那么，A、B之间的距离就可以利用路程、速度、时间的关系计算出来。

设电磁波在大气中的传播速度V，则距离D为：

D=V t2d/2

全站仪应用原理及误差分析

王贤羽，李焕忠，吴琼

（抚顺矿业集团东露天矿，辽宁抚顺113004）

摘要：分析了全站仪测距部产生的误差，测角部产生的误差，轴系误差与度盘误差，为全站仪用户对仪器检验提供了简单的方法。利用自身程序对全站仪进行检验和校正，使观测者对全站仪原理误差有较透彻的了解，使用者在测量过程中注意它的原理误差，进而减小原理误差提高观测精度。使人们在实际测量中能利用自身程序解决一些常见问题。

关键词：全站仪；原理误差；校正

中图分类号：TD178文献标识码：B文章编号：1671－9816（2012）S2－0065－04

收稿日期：2012-04-28

作者简介：王贤羽（1979-），男，辽宁抚顺人，助理工程师，2008年毕业于辽宁工程技术大学测绘工程专业，现任抚矿集团东露天矿生产技术科测量技术员。

图1电子测距原理

测距仪反射器

反射波

入射波

A D B

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··

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式中的t

2d

可由测距仪中的测时系统测出，大气

中的波速V=c/n可以通过大气温度、湿度、压力来求出．这就是电磁渡测距的基本原理。

用于测距的电磁波一般多为微波、激光和红外线。目前全站仪中广泛使用的是红外线。利用这种电子测距仪测量地面两点间的距离，只要测距仪的测程可以到达，且两点间没有障碍物．任何地形条件下都可进行。高山之间、江河两岸、甚至星球之间的距离都可直接测量。在过去的几十年中，许多类型的电子测距仪已经广泛应用于大地测量、航外控制测量、工程测量和地籍测量中，大大地提高了测距的作业效率。

根据不同的测时方法，电子测距的基本方法可以分为脉冲法测距、干涉法测距、相位法测距。目前．在生产中使用的仪器绝大多数是相位法测距，所使用的电磁渡谱为红外波段。

1）相位法测距原理。相位法测距，又叫间接法测距，它不需直接测定电磁波往返传播的时间，而是直接测定由仪器发出的连续正弦电磁波信号在被测距离上往返传播面产生的相位变化（即相位差），根据相位差求得传播时间，从而求得距离D。

设测距仪发射的电磁波为：

u=U m sin（ωt+Φ0）

式中，ω为角频率，“ω=2πf”，电磁波在被测距

离上往返传播所需的时间为t

2d

，因此，测距仪接收的电磁波为：

u=U m sin（ωt+Φ0-ωt2d）

于是，在经过被测距离延迟后，发射信号和接受

信号的相位差为ωt

2d

。

测距仪把发出的信号（参考信号）与接收的信号（测距信号）送入测相器，测相器可以测出两路信号的相位差，设测出的值为Φ，那么

Φ=ωt2d t2d=Φ/W

ω=2πf t2d=Φ/2πf

将其代入：D=Vt

2d

/2

V=c/n，c为真空光速，n为大气折光率，则有：

D=Φc/4πfn

这就是相位法测距的基本公式。

任何相位差总可以分为2Nπ及一个不足2π的ΔΦ即Φ＝2Nπ＋ΔΦ＝（N＋ΔN）2π

代入基本公式：

D=λ/2（N+ΔN）

式中，N为正整数；ΔN为小于1的小数；λ为波长。

晶体振荡器是仪器的时间基准。它产生主频调

制信号对发光二极管进行调制，另一路主频信号作为测相参考信号送至基准混频电路本机振荡信号混频产生参考中频信号。我们通常把主频波长的一半称为测尺尺长。

发光二级管受主频信号的调制，该光线经光学系统会聚后射向目标点的反射棱镜。光线经反射后回到接收光电二极管，光电二极管再次将光信号转化成电信号，这时的电信号就是主频经被测距离延迟后的被测信号。由于该信号很微弱，所以需要进行高倍的放大。放大后的被测信号送到测距混频电路和本机振荡信号混频产生被测中频信号，被测中频信号再经放大整形后送至测相电路。电路测出参考中频和被测中频的相位差,此时测相电路的结果实际上不仅包含有被测距离上光信号延迟所导致的相位差，也包含有电信号在电路传输过程的延迟所导致的相差。所以在仪器中都设计了内光路校准测量以测出电路的固有延迟（相位差），通过外、内光路测量结果的相减即为被测光路延迟所导致的相位差。信号的切换、光路的切换等都在微处理器的统一控制下完成。

2）相位法测距原理中的问题及其对应策略。

①精度问题。解决精度问题的方法是使用较高频率的载波（短尺）调制。电子测距的实质还是测量电磁波往返的时间差，要获得1mm的距离分辨率必须获得10-11s的时间测量分辨率，由于脉冲法难以实现这种等级精度的时间测量，于是人们想到了将这种极短的时间差转换为高频信号的相位差。但由于噪声等因素的存在，相位测量的精度也是有限的，对相位测量的精度期望过高必然加重电路设计制造的困难，对使用中的稳定度指标也不利。目前，Leica公司的全站仪或测距仪多选用50MHz频率作为其精尺载波频率。

②测程问题。高频载波的使用解决了精度问题，却又有测程的矛盾。因为相位测量只能测出一个波长（周期）以内的相位差。超过一个波长以上的距离将出现整数个波长的距离丢失—N值问题。譬如对于15 MHz的频率来说，其测程只有10m。于是人们自然想到多载波手段—即利用低频载波（长尺）实现粗测。

③高频信号相位测量精度问题。虽然高频载波送来了相位信息，但直接对其进行测量还是不可能实现高精度的，因为数字相位计实现高分辨率测相的工作频段在低频段。于是人们使用了频率合成技术对其降频并保持相位差信息不变。其具体做法是，另外使用一个高频信号（本振信号），分别对将被测量相位差的两个高频信号进行混合，并通过一个非

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