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全站仪误差与检验研究 摘要 电子全站仪是光电测距仪、电予经纬仪和微处理器的集成，它能在测 站上同时测量、计算、显示及记录各种测量数据，在工程测量中得到广泛 应用。与传统的测量仪器相比，全站仪的一个主要优势就在于能够与计算 机等其它设备( 如电子记录簿) 等进行数据通信，极大地提高了测量王作效 率，减少了人工读写错误，容易实现测量内、外业一体化。全站仪维修检 测系统包括测角和测距两大部分。全站仪与光学经纬仪有许多相同的原 理，但全站仪比经纬仪复杂 | 孽多，具有经纬仪无法比拟的优点和特点。 论文文详尽介绍了全站仪的基本原理，各种误差产生的机理，如何检 验。根据实验测量的数据和全站仪轴系阀的几何关系，利用误差原理解算 出所求未知量，对仪器进行误差检验和译定。 关键词：轴系误差电子补偿最小二乘法电子全站仪校正 4 t h ee r r o ra n dt e s tf o rt h ee l e c t r o n i c t o t a ls t a t i o n o b s e r v 嚣t i o n s a b s t r a c t t h ee l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o ni st h ei n t e g r a t i o no fg e o d i m e t e r , e l e c t r o n i c t h e o d o l i t ea n dm i c r o p r o c e s s o r , a n di tc a n m e a s u r e ，c o m p u t e ，d i s p l a ya n dr e c o r d t h es u r v e y i n gd a t a si m u l t a n e o u s l y , s oi t i s a p p l i e db r o a d l yi n e n g i n e e r i n g s u r v e y 。i nc o m p a r i s o nw i t ht r a d i t i o n a ls u r v e y i n gi n s t r u m e n t s ，t h et o t a ls t a t i o n h a v ea na d v a n t a g ei nd a t ac o m m u n i c a t i o nw i t ht h e c o m p u t e ra n d o t h e r e q u i p m e n t s u c ha se l e c t r o n i c n o t e b o o k b yu s i n g t h ee l e c t r o n i ct o t a l s t a t i o n ，t h ee f f i c i e n c yo fs u r v e y i n gw o r kc a nb ei m p r o v e di n a g r e a t d e g r e e ，m i s t a k e so fm a n u a lr e a d i n g - w r i t i n gr e d u c e da n dt h ei n t e g r a t i o no f i n s i d ea n do u t s i d es u r v e y i n gw o r kr e a l i z e d t o t a ls t a t i o no p t i c a lt h e o d o l i t e a n ds h a r eal o ti np r i n c i p l e ，b u tt o t a ls t a t i o ni sm u c hm o r ec o m p l i c a t e dt h a n t h et h e o d o l i t e ，at h e o d o l i t ei n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e sa n dc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e p a p e re x p l a i n st h eb a s i cp r i n c i p l e so ft h et o t a ls t a t i o n ，t h em e c h a n i s mo f e r r o r , h o wt ot e s t a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a ld a t aa n dm e a s u r e m e n to ft h e t o t a ls t a t i o ns h a f tg e o m e t r y , c a l c u l a t e du s i n gt h el e a s ts q u a r e ss o l u t i o n sf o r t h eu n k n o w nq u a n t i t yo fe q u i p m e n tf o re r r o re v a l u a t i o na n de r r o rc o r r e c t i o n 。 k e y w o r d s ：a x e se r r o r s e l e c t r o n i cc o m p e n s a t i o ne l e c t r o n i ct o t a ls t a t i o n t h el e a s ts q u a r e ss o l u t i o n sc o r r e c o t i o n 5 插图清单 图2 - 1 相位法测距的基本原理4 图3 - 1 水准器调整示意图8 图3 - 2 水准器调整示意图2 8 阌3 3 高一平一低点法9 图3 - 4 多管检验法1 0 图3 5 标准竖直角法示意图1 l 图3 6 视准轴误差示意图1 2 图3 7 褫准轴误差对水平方向观测僵的影响。1 2 图3 - 8 视准轴误差对竖直方向观测值的影响1 3 图3 9 横轴倾斜误差对水平方向观测值的影响1 5 图3 一l o 横轴倾斜误差对竖直方向观测值的影响1 6 圈3 1l 竖轴横向倾斜口，对水乎方向值的影响1 8 图3 - 1 2 竖轴纵向倾斜a 。，对水平方向值的影响1 9 图3 - 1 3 竖轴纵向倾斜a ，对天顶距韵影响2 0 圈4 - 1 全站仪度盘的偏心2 3 图5 - 1 垂直轴倾斜示意图3 5 图5 2 双轴液体补偿器3 7 l o 表格清单 表4 - i 度盘偏心误差的检验。2 6 表4 - 2 水平盘正倒镜差的构成3 1 表4 - 3 垂蛊正倒镜差的构成3 2 表5 - i 视准轴误差对水平方向值的影响量3 4 表5 - 2 水平轴倾斜误差对水平方向值的影响3 4 表5 - 3 垂壹轴倾斜误差对水平方向值的影响3 6 表5 - 4 补偿器不同设置对度盘的影响3 8 独创性声明 本入声唠所呈交熬学穰论文是零人在导癖蠹导一f 遴行 冬研究f 律及墩撙的研究成果。 握我所知，除了文中特嬲加以标注攀l 致澍 ! 勺地方外，论文中不包禽其他人已经发表戏撰弓 过的研究成果，也不包含为获得盒8 蹩! ：些厶堂或其他教育机构的学位或证二滞而使 用过的材料。与我一同工作静面志对本研究所徽的任何贡献均已在论文审律了明确的说明 并表示谢慧。 黼论文作者签名：芗。犯、 止f 涟蝴剐h 孙瑟 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金胆薹些厶堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保鼹 并向国家宵关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被资阅和借阅。本入授权盒 篷玉丝太堂可以将学位论文的全部或部分内窬编入有关数据库进行检索，可以采耀影印、 缩印或扫搓等复稍手段保存、汇编学燕论文。 ( 保密的学俊论文在解密蓐适用本授权书) 学往论文作者签名： 声、扣，；毛 签字日期：。7 年厂硝f ) 日 学位论文 乍者毕业屠去向： 、 裟玄恤蛛、吼 导精签名： 辨鳓：产硼 日 电话； 瓣器编： 致谢 在论文完成之际，首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机 会，特别是我的导师们多年来对我的悉心指导，借此机会向他们表示衷心 的感谢! 在学习和论文的写作过程中，高飞、李晓麓、吴兆裰、张志慧、余敏、 陶庭叶、黄世秀、周志易老师们给予了我极大的关怀和帮助，从论文题目 的确定、实施方案的制定，具体工作的进展阻及最后论文的撰写与修改， 无不渗透着导师们的智慧和心血。老师们渊媾的知识、开阔的视野、分析 洞察问题的能力，都使我受益匪浅。 感谢合肥工韭大学各位老师，感谢我的师傅黄俊芝老师，感谢王侬教 授，感谢他们在我的论文前期王作中给予我的无私的指导和帮助以及在生 活上给我的关怀和照顾。 在整个研究生学习阶段，我的誓作单位测量系所有老师给予了我很大 的支持和鼓励，对此表示诚挚的谢意。 6 ；七如 卫反，日 ：o 者月 作 年 第一章绪论 1 王 选题背景及研究意义 1 1 1 选题背景 测绘生产力水平高低的代表是测绘仪器，现代测绘技术的发展主要内容之 就是测绘仪器技术发展的历程，仪器技术永远是测绘技术发展的原动力，测绘上 有了经纬仪，测距仪，全站仪，计算机，g p s 等越来越先进的仪器，推动着测绘 科学不断地向前发展。 生产工具代表生产力水平，生产工具是重要的生产要素。 “工欲善其事，必先利其器 。 对测绘生产来说，最重要的源头就是仪器的误差。生产质量问题要从源头抓 起，当我们对这些误差源头有了清醒认识的时候，我们必将会以全新的思维对待 每一个生产任务的技术方案，以获得更高精度的测量成果。 全站仪原理误差是指仪器基于自身原理和制造工艺的限制而存在的天然的 误差，是仪器误差形成的根源。具有理论上的不可根除性，只有通过提高工艺条 件以将其限制在一定的范围内。 1 ) 对于利用测量时对实现测距的原理来说，时间基准偏差造成的测距误差就 是绝对存在的，而钢尺测距则不存在这一原理误差。 2 ) 误差具有一定程度的不稳定性，虽然仪器经过检验和校正，误差被控制在 一定限差内，由于时间，空间等环境条件的变化，部分技术参数的漂移，自身的 磨损等因素，都可能造成仪器超出限差，这也是计量仪器定期要检定的原因。 3 ) 误差对不同的测量成采影响程度不尽相同，因为每种误差存在的规律不 同。即使某种原理误差已经不限制在一定范围内，但仍可能对某些测量成果产生 极大的影响。 如：一台o 5 拱标称的全站仪对i o o m 处豹嚣标进行三角高程测量，所获得 的离程误差往往大于0 2 5 m m ，超出人们的估计，其实全站仪的竖轴误差，限差 远不止o 5 即原理误差早已将该精度损失了若干倍。 在实际测量作业中，系统误差对测绘成果的质量的影响很大，三角高程测 量就是该道理，系统误差本身固有的积累效应又使其破坏力进一步放大，因此关 注系统误差意义更大。 全站仪在制造过程中，要针对每一种不同属性的原理误差采取一定的对应 措施。除了针对其来源合理地改善设计和提高制造工艺终，针对系统误差原理， 一个最具有特色的措施，就是电子补偿技术，电子补偿技术的实质就是根据校正 参数或传感器输出的校正参数按照系统误差的数学规律计算出系统误差的预测 值，然后用这个预测筐对仪器的测量出现的现示值进行自动修正。正确鲶校正参 数匏获取、谶确的误差数学模型和正确薛计算程净是其要点。遗憾的是，逡一概 念壹没有褥到甓确鳇豪述，电子补偿技术更多的饺役是亵监炒作的题材，致使 诲多瓣量工像者避分避相信了它的佟弱，使其神秘优，甚至误以为电子枣 偿技零 是“高度爨韵化酌、智髋仡的 ，“消除系统误差的绝对技术弹。在理论界蒜至还 有对“电乎补偿 、“电子修正、“电子改正”的概念进行了区别定义，健这并无 实际意义，戳梵这是个概念都是针对系统误差鲢自动计算改正，荠无实质上的不 同。 我们说的电子补偿派确实现的第一个前提魁派确的校芷参数的获取，这一过 程也叫做电子校正，其翻酶是测量如菜个仪器参数的实际偏差，并存健到仪器媳 存蠡舞应单嚣。显然系统误差具有莺复链襄再现牲，德这释重复链霾孬蠛性也鬟 是相对予时润的长短两畜豹，每一种系统误差的孵间稳定性叉都不穗同，凡乎没 有长时间绝对不变的系统误差。所以戚确的校正参数的获取也不可能做到一劳永 逸。帮使楚健感器输患翡校正参数，这一参数也述畜系统误差阏蘧。 在按芷遮一熹主，垒站佼释麸蓠鲶光学经纬便没有骨么两榉，定裁缝黠莰嚣 进行正确的校正是一项必须做的工作。 差。量。2 研究意义 论文中讲翻的藤理误差是指邈前流行鞠全站役的普遍缝韵原理误差，并不意 味着对所有全站仪的一切原理误差的一列举。阏为每种仪器的设计过程只有设 计者童己最清楚，不像光学经纬仪那么透臻，其感部误差( 包括入蠹改正数) 结拣 缀难藕确地摊涯。 因为实践中往往是许多种误差源燕同对测爨成果产生影响，但并不是所有的 误差源对所有的测量成粱都会产生影响。譬如，角度部分的误差源，就不会对斜 距成果产生影畹。只骞诀谖到误差的来源和规律，我髑考笺荐针对性遗霓照它， 抵消它，甚至分门剩类螅把它们觚误菠堆里剃除溅来。正确逡认识每一种原理误 差的规律宥饕非常重要的意义。 熏。2 当前研究嚣现状 在过去的十多年中，全站役酌性能已经取褥了董大的进步，全站仪在测绘 的各个领域得到广泛的应用并取褥极太的经济鞠社会效益。健随着科学技术的 发展，特别是g p s 技术的普遍推广癍震，譬嚣全站仪在谗多测绘领域酌重要 遣经已经受到了撬魏。在乎瑟控翎溯垂串，赉予g p s 系统其骞毒瓣灵活、不要 求过渡点瀵视、精度萄靠均匀、效率高、劳动强度低等优势。 全站仪在许多方蕊仍然具有g p s 所没有的优势，g p s 对顶空条件要求较 高、撬灌磁麓力较差、对俸避天员要求较高、赫程精度较低且受边界条件影响 较大等。垒站莰瓣拳灏积范萄测量、稳蔽工程浏量，懿隧洞检测、地下厂房王 2 程、施王放樽等谗多领域全站仪依然是不可替代熬最攮数据采集装备。 墨翦全站仪在工程测量巾的使用基本普及，在进裙熊度测量时，仪器的视 准轴误差、横辅误差翻受轴误差，还有度盘缡心误差、竖盘攒标差黻及对中误 差对测角结果都会造成一定的影确。掰使用麓全站役对测蕉魏影响耧度簧进行 检验，检验方法多参照经纬仪的检验方法，但全站仪靛实际工作聪璎却不像光 学经纬仪那么篙单明了，所以全站仪的检验还必须雹禽其原理的正确性验证部 努。 8 0 年代以来燃现许多先进的避匿测量仪器，魏王程测量提供了先进的技术 工具和手段，如：光电测距仪、精密测距仪、电子经纬仪、全站仪、电子水准仪、 数字水准莰、激光罐直搜、激光搀平霞等，舞工程测羹蠢现代纯、巍动诧、数字 纯方离发曩创造了奢剩的条律，茂变了传统黥工程控制鼹奄霹、地形溅量、道鼹 测量和施工测量等的作业方法。三角网已被兰边网、边角网、测距导线网所替代# 光泡测距三角离程测量代替三、匪警水准测量；具有自动跟踪和连续显示功能的 测箍役篱予藏王赦襻溅璧；秃嚣棱镜獒溅鼯搜解决了难以攀登帮玉法劐这懿溅量 点的测距工作 电子速测仪为细部测量提供了理想的仪器；精密测距仪的应用代 替了传统的基线丈量。 金蛞搜的庭瘸是遮露测量搜謇进步煞重要拣恚之一。毫子经缀饺吴有垂动 记录、鑫动改匿仪器轴系统差、謇动归化计算、蕉度测基舞动扫撼、消除度盘分 划误差和偏心簇等优点。全站仪测量可以利用电子手薄把野外测量数据自动记录 下来，邋进接鼯设备黄输到计算热，剥惩掰入视交互转方式进行测璧数据麓耋动 数据处理鞠嚣影编辑，还可以把由徽撬控制麴跟踪设警艇裂全站仪上，篷瓣一系 列秘标自动测量，即所谓“测地机器入”或群电子平税野外直接圈形编辑，为 测圈和工程旅样怒数字纯发鼹开辟了道路。激竞承准仪、数字承准役、记录式精 密补偿水准纹等仪器鳃撼现，实现了在几俺水准测量巾自动安平、融动读数和遗 录、盘动检核测量数据等功虢，使死何水准测量翔自动化、数字纯方向迈进。 l 。3 本文研究酌主要巍容 论文详尽贪缀了全站仪的基本原理，各种误差产生的帆理，如何检验。根据 实验测量的数据和全站仅轴系闯的尼何关系，剩焉误熬原理解算出来知量，对役 器避簿误差评定，使我们对仪器的性能和状态有清晰黔了解和认谖，并运惩这些 误麓原理去改正和减小工作中仪器造成的误差，为工糕建设提供更糟确的数据。 第二章全站仪测距原理 2 王全站仪测距原理简介 电予测距的原理就是利用电磁波的直线传播特性通过测定电磁波在两点间 传播所用时闻，裂焉物理学募理计算趣两点闻的距离 d = e x t 2 ( 2 一1 ) 根据不同的测时方法，电子测距的方法主要有脉冲法测距、干涉法测距、相 位法测距。嚣前，全站仪串运用最多的测距方法为相位法测距。 摆位法测距酶基本原理如下隧所暴； 爱 竞 镜 墅2 一l 摆位法测距豹基本原瑗 具体的王作流程如下：本震荡器产生恒定频率的本震信号，透过镂耀环使 主震频率与之保持一霹定差，驱动发光管产生调制光波经棱镜返射嚣，由接收器 接收，经混频产生低频信号经放大精送检相计数器，同早期邀到的基准信号进行 比相，褥擞发射时刻的调制光波的相袋差，然盛计算并显示。 测距公式： ，d 茹要( + a ) = l x ( n + l d v ) ( 2 2 ) 二 l = 鲁测尺长， 冀整波数，斛菲整波数的尾数 2 2 全站仪测距系统误差的来源 全站仪是集光学、电子学、计算机技术等学科为一体的离科技测绘产品。测 距系统误差主要有； 1 ) 周期误差； 2 ) 加、乘常数误差； 3 ) 幅相误差。 周期误差是指是予测距纹光学和电子线路的光电信号窜扰焉使待测距离瑷 精测尺长岛勰2 为周期重复出现的误差。在一台测距仪内部，虽然在电路设计 4 中使用了多种滤波，抗平扰手段，尽管光学与电子的发射系统碧爨接收系统之间采 取了严格的隔离措施，但是往往还会有微弱的固频光窜扰和电窜扰存在。属麓误 差就是主要来源予靛器内部的这些褥频率窜扰穰号。 按照周期误差的规禳，我们不难褥嵩箕数学模型： 盯= a s i n ( 2 k 耳x d k + 口) ( 2 3 ) 其中：a 势周鬻误差的掇攘，移篱初楣，厶= 彤2 ( 天为波长) 其解决方法是撮据阁鞴误差的成嚣，我稍就会明南要想韵赢根除周期误差是 不可能的，只有想办法减小这种误差，防止光电信号窜扰。这就要求在仪器的设计 生产过程中，尽可能地提高整机的屏蔽抗干扰特性。另外，根据周期误差的特性， 求爨羁霸误差魏摄幅和视福麓，郅捡定部门绘出韵周期误差参数，进行改正计算。 2 3 测距仪加乘常数误差 2 。3 圭加常数误差 赧常数误差是塞仪器的测距部光学零点和仪器对点器不一致造成的，箕瑗象 是对所有测量值都加入了一个固定偏差。它出两部分构成即仪器常数误差和棱镜 常数误差。此外，幅相误差也常常影响加常数的检测效果，因为仪器幅相特性不 好时若蠹辩光路不平衡，则逡光路的测量结果不麓完全抵消外光路测量鳇延迟， 也能产生加常数类似的效果。 2 3 2 莱常数误差 乘常数误差是蛊仪器的时间基准偏差造成豹，其现象是绘观测值加入了一个 与距离裁蹴铡蓊编差。蔼磊英螽体震荡器是测距系统产生时润基准昀主要元锌， 石英晶体震荡器的好坏点接决定了测距精度。所以下面讨论一下石英晶体震荡器 的特性。 羹翦，垒站坟孛广泛采用石英照倦震荡器俸隽伎器测距昀酵闻标准，爨隽器 英晶体的固有频率具有良好的稳定性。 晶体震荡器的作用是产生高频测距信号，且它所产生的高频测距信号须具有 频率稳定的特点，这是保证测距精度的一个重要条 孛。调制频率决定测尺度，它 的误差直接影睫测距耩发。 石英晶体调制频率误差的产生是由于安置频率不准确以及晶体老化等原因 造成的频率漂移。一般安置频率的准确性较高，其对测距的影响较小，而频率漂 移赛产生的误差是产生误差酶主要根源。石英鑫体震荡器的频率稳定性与蠢英燕 体的温度特性有着密切的关系，蔼这种关系是非线性的。解决石英晶体震荡器温 度补偿的方式主要有两种： 1 ) 随着硬件方面的技术进行误差的改正，就是把星体放入恒温槽中，改变 晶体麴环境温度； 2 ) 用徽处理器中的存储和运算功能，根据频率和温度的关系，对测距仪的 示馕进行糖壤修正，詹者不仅降低了成本，两曼提嵩了精度，所以被广大仪器生 产厂家广泛运用。 2 ，3 。3 加、常数误差麴检验 我们雀融经标定的六段基线场上按照全维告在强制归心的条件下，观测获褥 2 量个边长麓溅值，经气象改正屠蹑愁知边长僮魄较瑟获得组差值，别逝误差 方程式： k = d 0 i 一鬈一c ( i 粼l ，2 ，3 ”2 1 ) ( 2 - 4 ) 求出加、乘常数误差。撬；基线值，k 乘常数，砖测量值，c 掘常数，组成法 方蓑式，然麓求鳃，褥爨乘常数鬻龆常数。 2 3 4 加、乘常数误差的处理方法 在检测过程孛，偶尔会邂到一些仪器酶检测结果燕乘常数魄较大，对此我镌 就庭该麸多方露分辑原霆，苏兴断役器会格蔫番。虽然理论上乘鬻数误差燕壶莰 器的时标偏麓造成的，但是实际上还有诸多因素对乘常数的检测结果产生影响， 如仪器内部的比例改正常数、气象参数误差、幅相误差等。当检验得到的乘常数 较大蹿，酋先进嚣搜器频率测试验证；当鬏率溅试结果与基线捡测缝暴一致时， 对时标频率进行校正酃霹。否则，还要查找其他原因。一般有以下霉个方褥鲍原 因： 1 ) 仪器杰都人工魄铡改正棠数丢失； 2 ) 投器酶龌穗误差严重； 3 ) 气象参数错误； 碡) 仪器气象单位谶凝与应用单德不一致。 若是原陵l ，霹激使惩乘常数络祭对仪器蠹都酶毙铡鬻数进行改芷，若是 原透3 ) 、4 ) ，应改正浚霞薏重测；若是原因2 ) ，应送维修部门修理。缀然理 论土加常数误差是由仪器常数和棱镜常数构成，黼是实际上还有诸多因素对加常 数盼检测结果产生影响。主要有仪器内部设置锩镤，仪器内外光路信号誉平衡。 对予嚣者斑改正设置重新溅爨，瓣于麓者赠壹骖理。 2 4 幅相误差 幅相误整是因为接收电子线路不完善，回光信号强弱誉阏而导致的测距误 差。诲多仪器凑予使用多年发光警老纯骧及光路特性变讫，内静巍路嚣整号强凄 不一致，就会导致蠹光路的测量结暴不能完全抵消井光路的怠路延迟，蔓鬻反浃 在仪器的加乘常数比较大。如果确定幅相误差大则应送修理部门修理。 s 第三章全站仪的轴系误差与检验 全站仪的轴系关系和光学经纬仪是一样的。由于全站仪可以使用电子补偿技 术对轴系误差进行自动改正，其内部原理远不象光学经纬仪那么透明且固定可信， 所以对全站仪的检验还必须包含对其原理的正确性验证的内容，传统的经纬仪的 轴系检验方法已不能完全适应这一要求。 根据全站仪的构成，其测角部分首先需要满足以下三个几何条件： 王视准轴应垂直于水平轴( 横轴) ； 2 横轴应垂直于竖轴： 3 。水准器的水平轴应垂童于竖轴。 如果经过误差修正之后，这三个凡何条件仍不能严格被满足时，就会分别产 生视准误差、横轴误差和竖轴误差。 全站仪的度盘及细分系统要满足的条件除三轴关系外，全站仪的度盘及细分 系统还应满足下述条件： 1 水平轴应通过竖直度盘中心； 2 竖轴应通过水平度盘中心； 3 水平度盘和竖直度盘的分划应无系统误差； 4 电子细分系统应无系统误差，并与度盘的分划相匹配； 5 竖轴应通过视准轴和横轴： 6 。望远镜成像质量好，调焦时视准辘无变动。 对全站仪的检测，实际上就是通过相应的检测方法，求证待检仪器是否满足 上述九个条件或是否在限差范围之内。检测一般按下面的顺序进行： 主。水准器的水平轴是否垂直予竖轴； 2 。望远镜系统与十字丝分划扳的检测： 3 轴系误差； 4 补偿器对水平方向和竖直角的补偿误差； 5 。一测回水平方向标准差和一测圈竖直焦测焦标准差。 3 1水准器水平轴与竖直轴的垂直度 当仪器的水准器水平轴l 与水平猫有一夹焦a 时，令气泡居中，水平轴承平， 则仪器的旋转轴v 与铅垂位置有偏角a ，如图l 所示。将仪器旋转1 8 0 。，旋转轴 v 不变，水准器中的液体受重力作用，气泡仍将处于最高处，由图2 可以看出，水准 器的水平轴与水平线夹毙为2a ，这时水准器气泡不褥居中面是偏到了另一边， 气泡偏移的弧长所对的中心角即等于2a 。 以s o k k i a 全站仪为侧，其检测和校正方法为：将仪器安置在稳定的仪器墩 上，先用脚螺旋将圆水准器居中，使望远镜位于一脚螺旋上，用仪器自带程序将补 偿器的位置显示出来，调整脚螺旋的位置，使补偿器显示的位置在望远镜方向和 垂矗予望远镜方向上的倾斜量不超过1 0 ，仪器的竖直轴和铅垂线方向一致， 此时，如果圆水准器气泡不居中，则用校针调整圆水准器。 。 】 错 垂 线 图3 - 1 水准器调整示意图 - y ： f k ， ， t 一 2 4 ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) o = 1 z z；日甜m 吣 c = l 艺c 尹f rli 2 ，菲 x = 一三ysinh zi c ，f 押鲁l 。 ，撑 y = 一兰一ycdsh zi 。c ，i 撵笔l 。 ( 4 - 1 0 ) 解得 a = x1 y 1 y ( 4 11 ) o = arctan0 二 彳 苇v z2 = 苇；r j 2 c 一嚣( c i 12 + 彳2 ) vf = 一嚣l2 + 彳2l t f tl 二 ， 聊o = 士 推出各参数静协因数为： qcc 燃二 r q 善善攀q 岁y = q 善v = q c 菩然qc ，= 0 被估量的精度必； 朋。= 朋。仁 r m ，2 磁，2m 。丁 么= 万1 可可 对参 。 鑫fct 鑫曩 ! 微分，蠡误差传播定律可霉譬： x ( 4 - 1 2 ) ( 毒一1 3 ) ( 4 一1 4 ) 2 m2 x 2 z2 + 】，2 m2m# = m，= ，豫+ z 2 x2 + 】，2 f 。 m o f 2 ， 2l =mof 珑 ：= c 。s 矿i 埘：+ 了l 广掰：) p ：= 卫乞二丁2 夕 2 聊，；小。 后= 所。午 单位转换系数p = 5 7 3 。 4 1 5 度盘偏心误差的检验 下面为某厂家2 秒级全站仪的度盘偏心误差的检验 表4 - 1度盘偏心误差的检验 ( 4 - 1 5 ) 序号盘左观测值盘右观测值泶平正倒镜差c r 10 0 0 03 o1 8 00 00 1 5o 7 5 21 00 00 1 51 8 95 95 8 51 5 31 95 95 9 01 9 95 95 5 51 7 5 43 0 0 00 1 02 0 95 95 8 01 5 54 0 o o1 8 52 2 0o o1 7 oo 7 5 65 0 0 00 6 0 2 3 00 00 2 5 1 7 5 7 6 0 0 02 1 5 2 4 00 02 1 5 0 87 0 0 04 8 52 5 00 04 6 51 2 5 97 9 5 95 5 02 5 95 95 4 50 2 5 1 08 9 5 94 0 02 6 95 95 4 o1 l 19 9 5 95 5 o2 8 95 95 3 00 5 1 21 0 95 93 8 02 9 95 95 8 51 5 1 311 95 95 7 02 9 9 5 95 3 02 1 41 3 00 00 1 o3 0 95 95 8 51 2 5 1 51 3 95 95 9 63 1 95 95 5 52 1 61 5 00 00 1 5 3 2 95 95 9 5 1 1 7 1 6 00 04 0 53 4 00 00 5 50 5 1 817 00 00 0 o3 4 9 5 95 8 5o 7 5 1 91 8 00 04 4 50 0 0 00 9 o1 7 5 2 6 2 0 1 9 0o o0 1 0 圭0o o0 9 oo 。5 2 l2 0 0o o0 1 o1 95 95 8 。o l 。5 2 22 1 00 00 1 03 0o o0 0 5 o 7 5 2 32 2 00 00 8 o4 0 0 00 7 oo 5 2 42 2 95 95 1 o4 95 94 9 。0董 2 52 3 95 95 9 o5 9 5 95 5 。51 7 5 2 62 5 05 95 9 07 0 0 00 1 51 5 2 7 2 5 95 95 8 07 9 5 95 1 5 2 7 5 2 82 5 95 95 8 08 95 95 l ，52 。2 5 2 92 8 00 00 4 0l o o0 00 0 5 1 7 5 3 0 2 9 00 01 3 511 0o ol o 51 5 3 l2 9 95 95 3 5王王95 95 9 o 王2 5 3 23 l oo oo l 。51 2 95 95 9 。0圭。2 5 3 33 2 00 00 1 51 4 00 00 9 01 5 3 43 2 95 95 3 51 4 95 95 3 oo 2 5 3 53 3 95 95 9 5王5 95 95 7 0圭2 5 3 63 5 0o ol1 o1 7 0o o0 7 。5l 。7 5 计算过程： c ：二y c r i ：1 2 2 * 胛智 x = 一兰ys i nh i c r i = 0 2 6 3 9 1 嚣舞 y = 一三y c o s h z i c r i 拳- - 0 。0 8 8 1 6 8 栉智 么= x 2 十】，2 = o 2 8 ” 西：a r c 锄羔：3 4 1 。5 。 艺v f 2 = 艺c 一2 一嚣( e 2 1 ，a 2 ) i = ll = l 2 7 砜= 聊y m o 居瑚 耽，= 聊_ 夤= 3 3 。 计算结果说明水平度盘无明显偏心误差。 4 2 度盘刻划误差 全站仪中，不管是增量度盘还是编码度盘或者电磁度盘，由于都采取区域信 息读取的平均效应。个别刻划偏差对精度的影响虽然不会像光学经纬仪那么直 接，但局部所有刻划同方向的整体偏差对仪器精度的影响则是不可以忽视的。认 为全站仪没有度盘误差是不对的。而对全站仪的偏差取决于读数区域的刻划的平 均偏差。 4 3 竖盘指标差 这个概念沿袭光学经纬仪指标差而来。即给竖直角加入一个固定的偏差i 。 a z = f 4 3 1 竖盘指标差的形成 竖盘指标差可以理解为竖直度盘零点与望远镜视准轴的不一致。全站仪的竖 盘物理零位和视准轴的差异称为指标差。和经纬仪不同，全站仪是通过程序的一 个简单加减计算来弥补该差异，即指标差的电子补偿。 垂直正倒镜差不仅包括指标差，还有补偿器纵向零点误差，垂直度盘偏心误 差，刻度误差等。指标差对天顶距的影响z = z o + i 和竖轴倾斜对天顶距的影响 z = z o + a x 形式上相似，但本质不同。i 是定值，不变，反映视准轴与垂直读盘不 致，与状态无关。a x 是反映竖轴与重力线不一致的量，是变化的，随仪器的 平整状态不同而不同，以及随仪器旋转而可能变化。指标差可通过正倒镜差改正 实现抵偿，但彳。不可能。 指标差、视准轴纵向误差、补偿器纵向零点误差的规律相同，可通过正倒镜 读数实现抵偿。 4 3 2全站仪的竖盘指标差的电子补偿及电子校正 4 3 2 1 电子补偿 电子补偿指由程序实现的对垂直度盘读数进行指标差自动改正的过程。 4 3 2 2 电子校正 电子校正的过程就是获取和存入指标差的过程，必须将准确的指标差存入 2 8 全站仪的蠹存。在全站仪中，电子校正出专门的程序来实现，可打开相应的电子 校正程序，按提示对同一目标做一次正倒镜观测，求出q ，将其作为近似值存 入内存。此时补偿器是关闭的其中尚含视准轴纵向偏差。 4 3 2 3 全站仪的竖盘指标差的检验 指标差及其补偿的正确性需要定期的检验。由于考虑正倒镜观测会存在度 盘偏心误差和补偿器纵商零点误差的影响，应关闭竖盘电子补偿，然后利用水平 光管作为测试目标。 竖盘指标差i 的校正( 以苏一光r t s 系列全站仪为例) 检查： l 。将仪器固定在校正食上并精密整平； 2 开机同时确认仪器补偿器是打开的； 3 正镜瞄准平行光管无穷远目标，记下竖盘读数v 1 ； 4 。倒镜瞄准平行光管无穷远虽标，记下竖盘读数v 2 ； 5 计算i ( v l + v 2 ) i 2 ； 如果竖盘指标差i 超限，则需要校正。 校正过程： 1 将仪器固定在校正台上并精密整平仪器， 同时确认仪器的补偿器处于“开启辩状态； 2 同时按f l 键和( 0 n 0 f f ) 键，仪器开机， 进入密码接受状态； 3 按f 1 键选择“输入 ，进入数字输入状态： 4 输入数字王1 2 0 ，然后f 4 确认； 5 。仪器显示：校正模式 f 1 ：指标差校正 f 2 ：仪器常数 f 3 ：出厂设置 6 按f 1 键选择第一项，选择“指标差校正 ： 7 ，仪器进入指标差校正状态，并显示 指标差校正 竖盘过零 8 旋转仪器望远镜：仪器进行竖盘过零初始化，并显示： 指标差校芷 v 1 ：9 0 。5 8 1 9 “竖盘读数 确认 2 9 9 。按f 4 选择“e n t e r ，仪器进入竖盘指标差校正的第一步，仪器显示： v i n d e x a d j 第一步：正镜 v z ：1 7 7 。1 8 3 6 拱 “竖盘读数挣 确认 1 0 在正镜( 盘左) 方向将仪器望远镜照准平行光管分化板，按f 4 确认； 王i 仪器进入竖盘指标差校正第二步，显示。 指标差校正 倒镜 v z ：1 7 7 。1 8 3 6 拶 “竖盘读数 确认 1 2 盘右方向将仪器望远镜照准平行光管分化板，按f 4 确认； 1 3 仪器自动计算垂直度盘指标差的修正值，并显示： 指标差校正 v l ：- 8 6 。o l 7 0 0 “竖盘指标差的修正值” 设置? 是否 1 4 如果进行竖盘指标差修正，则按f 3 选择 “y e s ，则仪器自动按照计算结果进行竖盘指标差的修正并显示： 指标差校正 v l ：- 8 6 。o l 0 0 设置? 设置完成! 最后按任意键结束并关枫： 1 5 如果不进行竖盘指标差修正，则按f 4 选择“否 ，则仪器不进行竖盘指 标差的修正并自动关机； 竖盘指标差修正结束。 4 3 3 外业意义 由于指标差具有逶过正倒镜读数取其均值的办法实现抵偿的特性，外业时 可利用此办法实现高精度测量。 指标差通过正倒镜读数取其均值的办法实现抵偿。补偿残差即竖轴倾斜误 差不可以实现抵偿。二者截然不藏。 因为水平正倒镜差和垂直正倒镜差的计算方法不一样，和垂直度盘一样水 平盘也存在物理零点和示值零点的差异问题。水平度盘零点差异值不对水平正倒 镜差产生任何影响。 3 0 硅。4关于正倒镜差观测值的小结 拜2 e 耢和“指标差”都是系统误差的概念，都是对同一蹲标麴不屈盘位的 观测量，二者有因采关系，不貔将它们混淆，否则崧造成忽视其他误差源的阀题。 4 唾。王水平芷倒镜羞 水平正饲镜差是搭仪器瓣菜一鞲标盘左盘骞嚣差翔减1 8 0 度酌差埴。究英 原因有下蘧几种： 1 ) 视准轴误差或补差詹的残差。为一2 残c s i n z ； 2 ) 横轴误差或者补搂蜃酶残差，失- - 2 a c o t z ： 3 ) 补偿器横向零点误差，其规律为一2 a y o c o t z ； 4 ) 度盘偏心误差戡者补偿后的残差值，其影响规律为：一2 a s i n ( h z + 国) ； 5 ) 焦距误差； 6 ) 褫准轴误差或朴差嚣懿残差。隽- - 2 残c s i n z ； 7 ) 横轴误差或者补偿詹的残差，为一2 a c o t z ： 8 ) 补偿器横向零点误差，其规律为一2 a y o c o t z ； 9 ) 刻划误差 1 0 ) 轴闻隙误差； 11 ) 照准误差； 1 2 ) 测量电路误差； 等等 表4 - 2水平盘正倒镜差的构成 正倒镜差的构成 枣 偿 器 度度 辘 横 测 褫 横盘焦盘 阆 离 照量 准 轴 编 距 刻 隙 零 准电 轴 误心误划 误 点 误路 误 差误差误 误 差误 差差 差差 差 差 竖辘顿斜误差或补偿残剩筐对水平歪裁镜麓没畜影响，不可瑷说对永平溉 测值没有影响。 4 4 2 垂直正