全站仪的补偿与改正研究

1 引 言
20 世纪末 ,随着光电技术和微电子技术快速发 展 ,测量仪器取得了突破性进展 ,出现了集电磁波测 距和电子经纬仪为一体的全站仪 。全站仪具有数字 显示 、双轴补偿 、电子校准 、数字信号传输等特点 ,已 成为测量工程界广泛采用的测量仪器 。在实际工作 中 ,人们普遍关注利用全站仪与计算机及外业测图 软件构成自动化成图系统的开发与研究 ,而直接影 响角度测量精度的补偿与改正却常常被忽视 。本文 通过分析全站仪三轴误差对角度测量的影响 ,基于 双轴补偿器的基本原理 ,着重探讨了使用补偿装置 对全站仪进行水平度盘和垂直度盘读数的补偿与改 正。
图 1 垂直轴倾斜示意图
从图中可以看出 ,当照准部绕倾斜后的垂直轴 旋转时 ,水平轴在各方位上的倾斜量是变化的 。这 是它与水平轴倾斜误差不同之处 。垂直轴在水平轴 方向上的倾斜量 iv 随方位的变化而改变 :0 →v →0 →- v →0 。
iv 对水平观测方向的影响为 :
Байду номын сангаас
Δv = iv ·tgα
针对上述问题 ,全站仪 (电子经纬仪) 设有双轴 补偿器及计算改正功能 ,用来自动补偿和改正三轴
第5期
尤宝平 ,等 全站仪的补偿与改正研究
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误差对水平角和垂直角观测的影响 。 3 电子全站仪双轴补偿器工作原理
图 2 为双轴液体补偿器的示意图 ,当仪器水平 时 ,补偿器上部的发光二极管垂直通过补偿器中部 平行的液面 ,到达底部的传感器中心 。当垂直轴倾 斜时 ,倾斜传感器液体形成的光楔导致了光束的折 射而产生了位移 。位移的大小感应在阵列 X 和 Y 方向上 。全站仪内的微处理器根据位移的大小计算 仪器在横向和纵向的倾斜量 ,用来补偿垂直轴倾斜 引起的垂直和水平度盘的读数误差 。
2 全站仪三轴误差对水平方向值的影响
全站仪能够正确测得水平方向值的重要条件是 视准轴 、水平轴 、垂直轴之间在测量时 ,应满足一定 的几何关系 ,即视准轴与水平轴正交 、水平轴水平 、 垂直轴与测站铅垂线一致 。当这些关系不能满足 时 ,将分别引起视准轴误差 、水平轴倾斜误差和垂直 轴倾斜误差 ,合称为“三轴误差”。 211 视准轴误差
第 24 卷第 5 期 2004 年 9 月
海 洋 测 绘
HYDROGRAPHIC SURV EYING AND CHARTING
Vol124 ,No15 Sep1 ,2004
全站仪的补偿与改正研究
尤宝平 ,暴景阳 ,崔高嵩 ,刘雁春
(海军大连舰艇学院 海洋测绘系 ,辽宁 大连 116018)
由 (1) 式可以看出 ,ΔC 的大小不仅与视准轴误
差 C 的大小成正比 , 而且与目标的垂直角 α有关 。
α越大 ,ΔC 就越大 , 反之 , 则越小 。视准轴误差对
观测方向值的影响 ,在望远镜纵转前后是大小相等 ,
符号相反 。因此 , 取盘左与盘右读数之中数可以消
除它的影响 。表 1 给出了对应于不同的视准轴误差
摘要 : 为提高全站仪的测量精度 ,分析研究了全站仪的补偿与改正方法 。基于全站仪三轴误差对角度测量的 影响规律和双轴补偿器的工作原理 ,着重探讨了正确使用补偿装置对全站仪进行水平度盘和垂直度盘读数的补偿 与改正 。
关键词 : 全站仪 ;测量精度 ;补偿与改正 中图分类号 : P204 文献标识码 : B 文章编号 : 167123044 (2004) 0520029203
C 和垂直角α对水平方向值的影响量ΔC 。
表 1 视准轴误差对水平方向值的影响量
垂直角 α 0° 10° 30°
视准轴误差 C
10″ 30″ 60″ 10″ 30″ 60″ 10″ 30″ 60″
水平方向值的影响量ΔC
10″10 30″10 60″10 10″12 30″15 60″19 11″15 34″16 69″13
电子全站仪垂直度盘读数改正值也来自两部 分 ,一是用双轴补偿的方法来补偿垂直轴倾斜引起 的垂直度盘的读数误差 ,二是用机内计算软件和存 储的垂直指标差值 ,计算改正因垂直指标误差引起 的垂直度盘读数误差 。
能否精确获得全站仪的水平度盘和垂直度盘读 数 ,取决于双轴补偿器的准确度和视准轴误差 C 、水 平轴倾斜误差 i 及垂直指标差的测定精度 。双轴补 偿器的准确度的检验与校正要由专业维修人员来完 成 。视准轴误差 C 、水平轴倾斜误差 i 及垂直指标 差的测定可由测量人员定期按相应的仪器要求进行 检测 ,获得与实际相符的数值 ,以保证全站仪微处理 器改正计算的正确性 , 否则 , 将适得其反 。莱卡 、蔡 司 、捷创力等知名厂家生产的电子全站仪均设有上 述误差的检验程序 。 412 合理设置补偿器和改正计算选项
表 2 给出了对应于不同的水平轴倾斜误差 i 和 垂直角α对水平方向值的影响量Δi 。
表 2 水平轴倾斜误差对水平方向值的影响量
垂直角 α 0° 10° 30°
水平轴倾斜误差 i
10″ 30″ 60″ 10″ 30″ 60″ 10″ 30″ 60″
水平方向值的影响量Δi
0″ 0″ 0″ 1″17 5″13 10″16 5″18 17″13 34″16
图 2 双轴液体补偿器
横向倾斜 ,即仪器垂直轴在水平轴方向的倾斜 。 垂直轴在水平轴方向上的倾斜量由仪器的双轴补偿 器测出 ,电子全站仪内的微处理器根据倾斜量 iv 的 数值对水平观测方向值加以补偿 ,补偿值见 (3) 式 。
纵向倾斜 ,即仪器垂直轴在与水平轴正交方向 的倾斜 ,引起 1∶1 的垂直角误差 ,其补偿值为双轴补 偿器测出的纵向倾斜量 L 。 4 使用补偿装置进行水平度盘和垂直度盘读数改正 411 全站仪补偿器准确度的检验和水平轴倾斜误
实际视准轴与正确视准轴间的夹角为 C , 此 C 即称为视准轴误差 。
此差是由于安装和调整不正确 ,使望远镜的十 字丝中心偏离了正确的位置 ,造成视准轴不与水平 轴正交 ,以致产生视准轴误差 。
对水平方向值的影响为 :
ΔC
=
C
cosα
(1)
式中 ,ΔC 即为视准轴误差 C 对方向观测读数的影
响 ;α为照准目标的垂直角 。
另外 ,在岸线地形测量时 ,碎部点的点位采用极 坐标法 ,使用单个度盘位置 ,当标定的已知方向与待 测点方向的垂直角相差较大时 , 全站仪的视准轴误 差 C 、水平轴倾斜误差 i 和垂直轴倾斜误差 v 均会 对照准方向的方位角带来较大的误差 , 从而使点位 产生相应的横向误差 。例如 , 若全站仪视准轴误差 C 、水平轴倾斜误差 i 均为 60″, 垂直轴倾斜误差 v 为 3′(常用全站仪补偿器最大补偿范围) ,标定的已 知方向与待测点方向的垂直角相差 30°时 ,这三项误 差对方位角的影响量最大可达 150″,当待测点距测 站点 400m ,则点位的横向误差为 013m。不能满足 1 ∶5000 以上大比例尺测图的要求 。
当补偿器选项设置在“开”的位置上 ,双轴补偿 器处在工作状态 ,全站仪的微处理器依据双轴补偿 器测得仪器的横向和纵向的倾斜量 ,自动补偿由垂 直轴倾斜引起的水平度盘和垂直度盘读数误差 。经 补偿改正后 ,测量的基准线为铅垂线 。若改正计算 功能选项也设在“开”的位置上 ,则水平度盘读数又 加上了视准轴误差和水平轴倾斜误差的改正数 ,垂 直度盘读数也加上了垂直度盘指标差改正 。反之 , 水平度盘和垂直度盘读数仅是经过补偿改正 。
212 水平轴倾斜误差
引起水平轴倾斜的主要原因是由于安装或调整
不善以致使水平轴的二支架不等高造成的 。水平轴
两端直径不等也是一个原因 。
水平轴绕垂直轴旋转时 ,在各个方位上的倾斜
角 i 是不变的 。水平轴倾斜误差 i 对观测方向读数
的影响Δi 计算式为 :
Δi = i ·tgα
(2)
收稿日期 : 2004208204 作者简介 : 尤宝平 (19642) ,男 ,河北黄骅人 ,讲师 ,主要从事天文大地测量教学与研究 。
差 、视准轴误差及垂直指标差的测定 全站仪水平度盘读数改正值来自两部分 ,一是 用双轴补偿的方法来补偿垂直轴倾斜引起的水平度 盘的读数误差 ,二是用机内计算软件和存储的水平 轴倾斜误差和视准轴误差值 ,计算改正因水平轴倾 斜误差和视准轴误差引起的水平度盘读数误差 。 垂直轴倾斜引起的水平度盘的读数误差的补偿 值见 (3) 式 ;视准轴误差引起的水平度盘读数误差的 改正数见 (1) 式 ;水平轴倾斜误差引起的水平度盘读 数误差的改正数见 (2) 式 。
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海 洋 测 绘
第 24 卷
Δi 的大小不仅与 i 的大小成正比 , 而且与目标的垂 直角α有关 。α越大 ,Δi 也越大 。当α= 0 时 ,Δi = 0 ,即观测水平目标时 , 水平轴倾斜误差对观测结果 没有影响 。这是一个特例 。水平轴倾斜误差对观测 方向值的影响 ,在望远镜纵转前后是大小相等 ,符号 相反 ,因此 ,在盘左与盘右中数中 ,可以得到消除 。
电子全站仪水平度盘和垂直度盘读数的补偿与 改正 ,通常是由功能选项来控制 ,补偿器和改正计算 的选项开关的开与关组合成以下四种情况 ,见表 4 。
表 4 补偿与改正开关的不同设置对度盘读数的影响
补偿 改正 垂直度盘值
on on on off off on off off
V+ I+L V+L V+ I V
水平度盘值
Hz +ΔC +Δi +Δv Hz +Δv
Hz +ΔC +Δi
Hz
基准线
铅垂线 铅垂线 垂直轴 垂直轴
表 4 中 ,V 、Hz 为电子度盘传感器测得的垂直度 盘和水平度盘值 ; I 为垂直度盘指标差 ; L 为垂直轴 纵向倾斜量 ;ΔC 为视准轴误差引起的水平度盘读 数误差的改正数 ;Δi 为水平轴倾斜误差引起的水平 度盘读数误差的改正数 ;Δv 为垂直轴倾斜引起的水 平度盘的读数误差的补偿值 。
(3)
垂直轴倾斜的方向和大小 , 是不随照准部的转
动而变化的 ,所引起的水平轴倾斜的方向在望远镜 纵转前后也是相同的 ,Δv 的正负号并不改变 , 因而
对任一观测方向不能期望在盘左 、盘右观测取中数
而消除其误差的影响 。表 3 给出了对应于不同的垂 直轴倾斜误差 v 和垂直角α对水平方向值的最大影 响量Δv 。
当补偿器选项设置在“关”的位置上 ,双轴补偿 器处在关闭状态 ,测量的基准线为垂直轴方向 。若 改 正计算功能选项设在“开”的位置上 ,则水平度盘
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第5期
穆宣社 ,等 略图调制系统的设计与实现
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括更加稳定流畅的数据转换功能 、数据的查询统计 分析 ,并进一步改善系统性能包括使用 GDI + 图形 界面引擎 ,使图形具有平滑的轮廊和用真实颜色调 和的透明度等 。此外还将尝试在调制好的二维平面 略图 (包括导入其它数据) 的基础上 ,辅以其它必要 的属性参数 ,快速生成对应的真实感三维虚拟视景 等高级应用 。
213 垂直轴倾斜误差 仪器的垂直轴与测站铅垂线之间的微小夹角 v
称为垂直轴倾斜误差 。它是由于仪器未严格整平而 产生的 。假设视准轴和水平轴 、水平轴和垂直轴均 已正交 。如图 1 , OV 为垂直轴与铅垂线一致的位 置 ,与其正交的水平轴为 HH1 , OV′为垂直轴的倾斜 位置 , v 即为垂直轴倾斜误差 , 水平轴也随之倾斜至 H′H′1 ,望远镜俯仰时 ,将形成斜面而不是垂面 , 从而 给水平方向观测带来误差 。可见 , 垂直轴倾斜误差 对水平方向观测的影响是以水平轴倾斜的形式出现 的 ,故其影响有相同之处 。
表 3 垂直轴倾斜误差对水平方向值的最大影响量
垂直角 α 垂直轴倾斜误差 v 水平方向值的影响量Δi
60″
0°
120″
180″
60″
10°
120″
180″
60″
30°
120″
180″
0″ 0″ 0″ 10″16 20″14 30″18 34″16 69″16 103″18
在高精度的控制测量中 ,水平方向观测均采用 盘左与盘右两个度盘位置读数 ,通过盘左盘右取中 数的方法 ,来减弱或消除视准轴误差 、水平轴倾斜误 差对观测方向值的影响 ,但垂直轴倾斜误差对水平 方向观测的影响通过此法则消除不了 。当观测目标 的垂直角相差较大时 ,对水平角 (两个观测目标水平 方向值之差) 带来较大的误差 。例如 ,全站仪的垂直 轴倾斜在水平轴方向上的倾斜量 iv = 60″, 两观测方 向的垂直角相差 30°时 ,两观测方向的水平角误差最 大可达 35″(见表 3 数值) ,远大于《海道测量规范》海 控一 、二级点的测角中误差 ±5″、±10″的要求 。