索佳NET05X全站仪在高精度测距中的应用分析

钭春红,李子坡

(浙江省水利水电勘测设计院,浙江 杭州 310002)

0 引 言

杭州市三堡排涝工程作为城市防洪工程,以防洪治涝为主,结合改善水环境、二线船闸下游引航道段排水箱涵建设,进行三堡二线船闸下游引航道西侧防洪堤达标建设.防洪堤与引航道南端的钱塘江标准海塘连接,该工程有利于完善太湖流域防洪布局、构建南排杭州湾防洪工程体系、提高杭州市区排涝能力,有利于推动京杭运河杭州段综合治理、加快江河交汇区开发建设,意义十分重大.应杭州市三堡排涝工程(钱塘江排水口至凤起东路)三个标段(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)施工需要,根据杭州市南排工程建设管理处要求,对三堡排涝工程施工范围内进行二等GPS平面控制测量.测区附近有杭州市规划局施测的两个E级GPS点(A55882、A31570)作为平面起算点,在三个标段附近按业主的要求选埋六点GPS点新点位(B1-B6),组成一个八点GPS点组成的二等GPS控制网,采用八台中海达V8双频接收机进行观测.全网采用索佳NET05X全站仪测定两条基线(B2-B3、B3-B4),基线边呈均匀分布,由于测区地势较低,基线边长投影至零米高程面.解算过程中采用投影到零米高程面上的两条改正后的基线边长分别除以其自由网平差后的边长,取平均值,得到比例因子δ,以离控制网最近的E级GPS点(A55882)作为已知起算点,用两个E级GPS点的方位角和自由网平差后的返算基线边长乘以比例因子δ,算得两个E级GPS点边长,计算出另一E级GPS点(A31570)的坐标;利用新的两点坐标作为平面起算数据进行全约束平差,得到其余GPS点的坐标.由于基线边长的精度直接影响整个二等控制网内GPS点的坐标的准确度,作业中非常有必要掌握两条基线的测定有关的测距精度影响因素,对索佳NET05X全站仪测距精度影响进行分析,并在作业过程中正确进行必要的检查、检测与操作处理.

1 索佳NET05X全站仪高精度测距误差分析

1.1 索佳NET05X全站仪基本特性

索佳NET05X达到了业界最高的0.5(测角精度,以索佳反射片为合作目标,在200 m的范围内提供亚毫米级(0.5 mm+1×10-6)的测量精度,标准单棱镜的测距精度为(0.8 mm+1×10-6),测程可达3500 m.在1000 m以上的边长测量中提供业界最高的测量精度,精测模式中的单次测量时间小于2.4 s,无棱镜的测距精度(1 mm+1×10-6),测程已扩充到100 m,业界独一无二的高亮度LED灯,便于在昏暗的测量环境中清晰照亮棱镜、反射片等目标,IP65的防尘防水等级,在WinCE操作系统的全站仪中,达到了世界最高水平.

1.2 索佳NET05X全站仪测距的基本原理

索佳NET05X全站仪的光电测距部分的分类属于短程相位式型号,基本原理公式为D=ct,采用砷化镓(GaAs)二极管气体激光器产生的相位式测距仪的光源,发射光强直接由注入电流调制,发射一种红外调制光;在测线的另一端安置一个反射器(棱镜或反射片等),使发射的调制光经它反射后,被仪器接收器接收;采用光电转换器件把光信号变为电信号,测距原理公式为D=(N+ΔΦ/2π)=L(N+Δ N)(式中 ΔN=ΔΦ/2π代表测尺长度、N代表整周数、L=c/2f=λ/2代表不足一周的尾数),相位式光电测距仪的工作原理及测距原理形态见图1、图2.

1.3 索佳NET05X全站仪测距精度影响因素

1.3.1 测距精度影响因素

图1 电测距仪工作原理

图2 测距原理形态图

全站仪测距精度影响因素就其产生“误差”方式来讲分两大类,一些与测量距离长短无关,称其为“固定误差”;有些是与测量距离成比例的,称为“比例误差”.固定误差来源主要包括测相、加常数和对中误差,其中测相误差包括测相设备本身的误差、幅相误差、照准误差、信噪比引起的误差、周期误差;加常数误差包括全站仪加常数、反射镜加常数;对中误差又分全站仪、反射镜两种情形.比例误差来源主要包括测量时气象因素和全站仪测距频率偏移(乘常数),气象因素主要包括温度、气压、湿度;引起频率偏移原因有全站仪电源电压、温度变化等.浙江省水利水电勘测设计院购置的索佳NET05X全站仪(编号103274)于2010年2月检定,加常数K=-2.3 mm、乘常数 R=0 mm/km、周期误差振幅 A=0.1 mm、初相 B=291°9′37.3″,可见固定误差中测相误差很小,对中误差可以人为减弱,比例误差中测距频率偏移(乘常数)忽略不计,反射镜加常数由于根据不同品牌型号仪器对应专用的配套反射镜,出厂时经过严格测定,可以忽略反射镜加常数的影响.因此在杭州市三堡排涝工程实践中,最关注的是固定误差中的加常数和比例误差中的气象因素改正,本文主要针对索佳NET05X全站仪讨论固定误差中仪器加常数和比例误差中气象改正因素形成原理或变化特性.

1.3.2 加常数

索佳NET05X全站仪外光路测得的距离是由发光面和接收面的实际中心到反射面的距离,内光路测量的距离是由发射面经内光路到接收面的等效反射面的距离,待测的距离为仪器中心(竖轴)到反射中心(竖轴)的距离.由于发光面和接收面与仪器实际中心不重合;等效反射面与反射中心不重合;内光路距离值以及内部线路自身的时间延迟等的影响,使仪器测得的距离与实际距离之间有一个常数差,此常数称为仪器的加常数.仪器出厂前,该常数都要进行严格的检测,并将其检测出的常数预置到仪器内,这样测距时仪器显示是地面两点间的实际距离值.该常数不是一个永久不变的值,使用中仪器光电路参数产生漂移而使仪器加常数发生变化,为了保证测距的精度,必须对加常数进行定期的检测,变化大的要重新设置或在测距成果中进行加常数改正.索佳NET05X全站仪(编号103274)出厂日期是2009年7月,常数严格检测后常数预置到仪器内,2010年2月2日由上海市测绘产品质量监督检验站重新检测,常数值K变化为-2.3 mm(测量标准差为0.3 mm).索佳NET05X全站仪的标准单棱镜的测距精度为0.8 mm+1×10-6,测程＜3.5 km,显然常数值K=-2.3 mm对测定短基线影响比较显著.

1.3.3 气象因素改正

气象改正实质是大气折射率对距离的改正,大气折射率与气压、气温、湿度有关.标准参考大气条件下距离公式D0=(n0代表标准参考大气折射率),实际作业中距离公式D==D0×(n代表实际大气折射率),因此呈比例改正.根据索佳NET 05X全站仪使用说明书介绍,气象改正值可采用如下公式Δ=282.324-(公式中T为温度值、P为气压值、E为水蒸汽气压值),仪器按照温度15℃、气压1013 hPa、相对湿度50%时的气象改正数为0设计,水蒸汽气压值E由相对湿度与饱和水蒸汽气压值换算.从该公式可以推算出,在通常的大气情况下,当气压保持不变,温度值每变化1℃,或者温度值保持不变,气压值每变化3.6 hPa时,都将引起所测距离值 1×10-6的变化,即每公里1 mm的变化;当其他条件不变,相对湿度值每变化1%,会引起所测距离值0.04×10-6的变化,因此温度值是最关键的因素,相对湿度值影响最小.

2 保证索佳NET05X全站仪测距精度的措施

2.1 提高索佳NET05X全站仪测距时大气参数测定的精度

气象仪表检定和校核至关重要,选购质量稳定可靠的气象仪表,能够精确判读0.2格值以上,使用前对温度计、气压表和湿度表进行校核,湿度表、气压表上有温度计的情况,进行交叉比对,符合要求后用于距离测量.正确读取数据,视线应垂直于仪表读数面,手温不要影响温度,气象仪表应放置在通风良好的位置,并尽量高于地面,以免产生地面植被、河道水汽对测量基线气象的偏差.由于B03选在船闸的建筑屋顶,地势较高,B02、B04地势较低,因此测定了两条基线两端的气象参数,让气象参数真正符合现场情形.

2.2 检核索佳NET05X全站仪的加常数等仪器检定参数

尽管索佳NET05X全站仪由上海市测绘产品质量监督检验站检定,高精度测距前仍然有必要对其检定参数进行检核,认真比对后才放心使用.固定误差中测相误差很小,比例误差中测距频率偏移(乘常数)可以忽略不计,忽略反射镜加常数的影响,由于测定加常数存在误差,加上光路的微变和电路的老化,仪器加常数检核显得非常重要.用于测定加常数的常用方法有解析法、迭加法与比较法等,解析法和迭加法都是利用仪器自身的测量结果,通过平差求解加常数,比较法是把仪器的观测值与精确基线值进行比较.由于受条件所限,采用两种简单方法进行检校:(1)在仪器检校室将索佳NET05X全站仪固定在升降台上,另一端安置索佳配套单棱镜,通过升降将全站仪视准线水平,让其相当于一条短基线.经过气象、加常数改正后,所测距离与使用铟钢尺量取距离大致相同.(2)在不具备因瓦尺校准条件下,可以采用简单解析法检定加常数,在50 m距离的平坦地面上,架设3个以上脚架,使它们位于一条水平直线上,每个脚架上固定一个基座,相邻脚架构成n个小测段(n=3或4),首末两个脚架构成一个大测段.用同一只棱镜和同一台受检全站仪分别测定n个小测段距离d1-d2-dn和大测段距离D,因为它们都包含一个加常数K和乘常数R,应当满足如下方程:(n-1)K=D-∑d+(D-∑d)R,其中,(D-∑d)和R数值都很小(编号103274全站仪R值为零),二者乘积可以忽略不计,所以加常数可以按照如下公式计算:K=(D-∑d)/(n-1),求取加常数[4].

3 测距改正中应注意的几个问题

3.1 除索佳NET05X全站仪本身以外的测距精度影响因素

本文以上提到到的为索佳NET05X全站仪有关的测距精度影响,实践中还应注意仪器、反射设备对中的精度,配套反射设备不能混淆,脚架稳定和操作的科学性.对中的精度涉及基座水平圆、管气泡以及光学或电子对点的精确度,测距前对其进行了检校;配套反射设备根据品牌、类型分类,一般分索佳、拓普康、徕卡等几个品牌,分棱镜、反射片等几种类型,预置常数(界面见图3,图4,索佳目标类型为棱镜、常数为-30 mm);应选配结实稳重脚架,拧紧螺丝,防止震动.为获取更高精度的测量结果,应对棱镜条件进行检测,在仪器设置下棱镜检测项为“开”,测试返回信号和ALC状态,如果视准轴偏离棱镜中心,精度将受影响.

图3 界面参数设置EDM

图4 界面参数设置PPM

3.2 测距改正的两种方法比较

3.3 应考虑地球曲率和大气折射引起的误差

3.4 归化改正、投影改正后平距与GPS二维约束平差边长的比较

为保证与GPS二维约束平差边长距离的可比性,需将所测实际平距归算到测区平均高程面,投影到国家大地水准面(简称为归化改正),将椭球面的长度归化到高斯平面改正(简称为投影改正).

归化改正公式为

其中:H—观测边的平均大地高;R—该地区平均曲率半径.

4 结 语

平差时,首先将杭州坐标系的已知点A55882和A31570转换成1954年北京坐标系,全网用SOKKIA NET05X全站仪测定了2条边,B02～B03、B03～B04,边长经过归化改正、投影改正,作为GPS的拟合边计算比例因子δ用.平差后二等GPS网的点位中误差为1.4 mm小于规范规定的5～7 mm;最弱相邻点边长相对中误差为1/295000＜1/250000(规定),成果质量优良.实践证明,在高精度测距中正确掌握仪器的的工作原理和特性,采用正确的实施方法,能够保证精密的测距结果.

[1]中国有色金属工业协会.GB 50026-2007工程测量规范[S].北京:中国计划出版社,2008.

[2]水利水电规划设计总院.SL 197-97水利水电工程测量规范[S].北京:中国水利水电出版社,1997.

[3]中华人民共和国国家经济贸易委员会.DL/T 5173-2003水电水利工程施工测量规范[S].北京:中国电力出版社,2003.

[4]付子傲,宋以胜,包 欢,等.全站仪测距常数检定新方法[J].测绘科学技术学报,2009(3):53.