移动基线的设计和应用*

马建敏　刘芳芳　张 波　郭志敏 / 上海市计量测试技术研究院

移动基线的设计和应用*

马建敏刘芳芳张 波郭志敏 / 上海市计量测试技术研究院

一种用于手持式激光测距仪、超声波测距仪、光学调焦测距仪校准的移动式基线桩，组合摆放后即组成基线。基线桩具有4维自由度微调功能，满足预置整数值的功能。可作为非最高等级大尺寸实物标准器，实现野外即时摆放、标定，并进行校准实验。移动基线方案解决了许多单位准备开拓低精度等级大尺寸测量设备检定校准业务，但受限于无固定永久基线场地的困难。对于人口密集、用地紧张的地区计量部门，此方案可供参考。

基线；手持式激光测距仪；计量

0　引言

基线桩（也称为观测墩）作为大尺寸实物基准，可用于校准各类大尺寸工程测量仪器，但由于建造固定基线桩所要求的条件比较高，必须长期永久占用场地空间，且桩基混凝土施工后需要一定的保养周期，故不是每一个部门都有条件建立永久固定基线桩。作为研究和探索，课题组设计建造了一套可调移动式基线桩，即：两个以上桩基组合，稳定摆放在大空间野外场地上，经过调平等高操作，两两组合的基线桩经全站仪或激光跟踪仪标定校准测量后，即可作为移动基线使用。这一方法基于在环境和地质稳定的情况下，短期内基线可被即时标定并即时投入使用，可应用于校准准确度等级相对较低的手持式激光测距仪、超声波测距仪、超声波液位计、光学调焦测距仪等普通测距仪器。

1　技术依据

1.1测量范围和最大允许误差

JJG 966-2010《手持式激光测距仪》检定规程对原规程JJG 966-2001中的测量范围提出更高要求，量程范围由0 ～ 100 m改为0 ～ 200 m［1］［2］。随着半导体激光测距技术的发展，对于最高准确度等级的0级手持式激光测距仪，最大允许误差要求为：±（1.5 mm + 5×10-5D）。

1.2基线的建立与标定方案

为适应被校对象的技术发展需求，须对标准基线装置作出相应的技术能级升级。事实上，依据GB 16789-1997《比长基线测量规范》、JJF 1214-2008《长度基线场校准规范》要求所建立的基线场，对场地要求比较苛刻（永久性占用直线通道、基线场地地质稳定），许多地处城市区域的检测部门无条件提供具有200 m以上的直线通道场地。

本方案采用的是移动基线桩，可以利用公路边、操场、绿化带等处临时摆放，在测量实验结束后将基线桩运回实验室。

被测对象要求：目前最高等级手持式激光测距仪最大允许误差为±（1.5 mm+5×10-5D）。经计算，在60 m处，最大允许误差为±4.5 mm；在200 m处，最大允许误差为±11.5 mm。采用全站仪或激光跟踪仪现场基线场标定测量方案，预估在60 m和200 m处基线标定测量不确定度分别优于U = 1.6 m（k = 2）和U = 3 mm（k = 2），基本满足JJF 1094-2002《测量仪器特性评定》的相关规定，即：评定示值误差的测量不确定度U与被评定测量仪器的最大允许误差的绝对值之比小于等于三分之一，即

经实验验证，在天气状况稳定的情况下，短时段内移动基线标定数据稳定，并满足手持式激光测距仪的检定要求。

2　设计原理

移动基线桩由零位基线桩和目标靶基线桩两部分组成。总体设计思路为：两个靶桩设计为立方形外观，质量达到400 kg，利用钢质型材构件焊接组合，以三个地脚螺钉的升降方式控制桩基端面水平等高状态。为便于搬运，移动基线桩底部预留铲车搬运专用插槽，便于手动液压铲车（承载800 kg）的运送操作。

2.1零位基线桩

零位基线桩配置花岗岩台面及挡块定位结构，同时具备2维水平方向直线位移自由度调整，2维旋转自由度（转摆角度和俯仰角度）调整。

图1　零位移动基线桩

零位基线桩如图1所示。2维水平方向直线位移自由度可调，结构桩基端面固定连接一组直线滑动导轨滑块组合，上方叠加一组与下方导轨运动方向夹角为90°的另一组导轨滑块组合。这两组直线导轨滑块组各自具有位置微调后锁定功能，满足标定预置整数值功能需求，调整范围：±50 mm。

2.2目标靶移动基线桩

目标靶移动基线桩如图2所示。桩基设计2维旋转自由度调整机构，即：转摆角度和俯仰角度调整，以满足快速找准相距200 m的水平方向目标的功能。然后调整俯仰角度，即：竖直方向调整，以快速找准目标靶上下位置，最终将激光光斑快速调整至基线靶中心位置，并读出校准示值。

目标靶基线桩靶面垂直于水平端面，其技术要求须满足：平面度≤0.01 mm，与水平端面的垂直度≤0.10 mm。

图2　目标靶移动基线桩

3　标定方法

对于手持式激光测距仪检定，其测量性能技术指标：示值最大允许误差为±（1.5 mm + 5×10-5D）。长度基线场为用于检定的主标准器。

表1　基线标定用仪器设备技术参数比较

移动基线放置、调整操作完成后，可采用激光跟踪仪和全站仪两种不同的设备进行标定测量［3］［4］。

标定过程中，为确保基线标定基准面数据的准确可靠，需设计一组全站仪强制归心定位标定转换结构，如图3所示。

图3　全站仪标定用转换块

移动基线摆放后标定工作是一个重要环节。如图3所示，定制花岗岩预埋与全站仪底部螺纹孔联接的凸螺纹（公英制通用）用镶嵌件，螺纹镶嵌件中心到花岗岩基准侧面的距离为转换标准参数。

将两组完全相同的转换块分别放置在0位移动基线桩端面和目标靶基线端面，分别紧靠0位移动基线桩上的定位挡块和目标靶基线端面上靶面板上。换言之，就是将两个移动基线桩上的螺纹强制归心孔位间距转换为两个基线桩定位挡块同侧面的距离，其目的是符合手持式激光测距仪的挡块靠山方式定位。

同理，当基线采用激光跟踪仪进行标定，则需设计靶球标定转换块，如图4所示。

图4　跟踪仪靶球标定转换模块

定制花岗岩预埋与激光跟踪仪配合使用的圆孔型镶嵌件，当棱镜靶球定位于圆孔球巢镶嵌件中心时，圆孔中心到花岗岩侧基准面的距离即为转换标准参数。

同理，将两组完全相同的转换块放置在0位基线桩端面和目标靶基线桩端面上，中心孔位基线间标定数据即可转换定位挡块与靶面距离的标定数据。

4　拓展应用

移动基线作为一种摆放式地标标准器，有灵活机动的特点。只要具备临时场地和适合天气，无论是路边草坪还是建筑楼顶，都能实现即时摆放、即时标定、即时检测、即时回收。

由此，可推广到用于卫星定位接收机校准的GPS微边基线场建立。标定可采用传统的因瓦标准尺法，也可采用激光跟踪仪测量法（参照GB16789—1997［5］以及JJF 1214-2008［6］）。GPS基线场（观测墩）布局设计可考虑仿制GPS固定基线场，基座水准器和光学对中误差，在1.2 m高度圆柱形观测墩上的基座光学对中，其准轴最大偏差应小于0.1 mm，并满足选址区域点位环视高度15°以上无遮挡条件。设桩基分布为6 m间距，桩距最大允许误差：±0.3 mm，故从量值溯源的三分之一原则，除了因瓦标准尺标定法外，亦可采用激光跟踪仪进行标定测量。这一方案克服了人口密集的大城市永久型地面固定基线的选址困难。

5　结语

目前，该方法已经申请发明专利《一种大尺寸移动式基线桩及标定方法》，专利申请号：201410621092.5。

［1］ 张卫东，马骏.JJG 966-2010《手持式激光测距仪》检定规程解读［J］.江苏现代计量，2011，3：23-25.

［2］ 全国几何量长度计量技术委员会.JJG 966-2010［S］.北京：中国计量出版社，2011.

［3］ 江洪波.全站仪测距综合标准差的测量不确定度评定［J］.科技信息，2010，17：63-64.

［4］ 吴国永.全站仪测距不确定度研究［J］.人民黄河，2010， 32（9）：143-144.

［5］ 全国地理信息标准化技术委员会.GB 16789-1997［S］.北京：中国标准出版社，1997.

［6］ 全国几何量长度计量技术委员会.JJF 1214-2008［S］.北京：中国计量出版社，2008.

Design and application of removable baseline

Ma Jianmin， Liu Fangfang， Zhang Bo， Guo Zhimin
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Abstruct: The thesis introduces a kind of movable baseline pillar for handheld laser distance meters calibration. These combination pillars constitute the baseline. In view of the principle and application， we designed 4-dimensional freedom adjustable mechanism. So the device can be preset the whole number value of baseline by fine adjustment structure. As a large size non-top ranks of the standard， in case the outside weather good，can put instant， real-time calibration， real-time calibration verification. This quick set up and quick withdraw mobile baseline solution solved many problems of metrological service that need to carry out the low precision of large size measuring equipment calibration， but limited by difficulties without fixed permanent baseline field. Especially in densely populated cities lack of area， the practical and effective mobile baseline solved this difficult problem of metrological service.

baseline； hand-held laser distance meters； metrology

上海市质量技术监督局基标准器改造项目（2014AA010）