全站仪对中器检定方法研究

高海燕

(中兵勘察设计研究院有限公司, 北京 100053)

0 引言

为了能够完成角度和距离的测量工作,需要将地面标志点安置到全站仪或者经纬仪(以下简称为“全站仪”)的竖轴延长线上(这个过程称为对中),同时需要置平全站仪,使过地面标志点的铅垂线与全站仪的竖轴重合(这个过程称为置平),为了确保测绘成果的精度,必须同时满足这两个条件。通常情况下,对中和置平需要交替反复进行,这样才能够满足测量工作的要求。

在光学对中器发明之前,测绘人员是利用垂球、通过移动基座的办法来将地面标志点安置到全站仪竖轴延长线上的,但这种方法的精度较低,据文献[1]报道,这种对中方法的精度在2.7～4.2 mm,同时对中效率低,也易受环境条件例如刮风等的影响。在20世纪50年代后,垂球对中的方式已经逐渐被光学对中器及激光对中器所取代,光学/激光对中器不仅对中精度高,而且操作更加方便,例如光学对中器在1.5 m视距处的对中精度达到0.5～1.0 mm,激光对中器在1.5 m高度处的对中精度也达到0.5～1.0 mm[2]。

光学对中器及激光对中器在对中原理上没有本质性的差别,其检定方法也是一致的,以下将光学对中器和激光对中器统称为对中器。

对中器一般安置在全站仪的照准部上,可以随着全站仪的竖轴旋转,专用的对中器也采用这种结构,为以下叙述方便,将这类能随竖轴旋转的对中器称为旋转式对中器;另外一种是将对中器安置在基座上,其位置固定,不能够随竖轴旋转,同样为了后续叙述方便,将这种结构的对中器称为固定式对中器。

关于对中器的检定与调整,国内外已有很多文献都进行了论述,旋转式对中器的检定与调整方法比较简单,已有成熟的方法可以使用;但对于固定式对中器,人们则提出过多种检定与调整方法,例如文献[2-6]提出的全站仪横卧法,这种方法偏离了对中器的正常使用状态,特别是竖轴之间的间歇与基座的重量,导致检定结果不准确;文献[7]提出的检定方法,类似测量工作中常用的强制对中法,需要同时满足置平和对中这两个条件,降低了工作效率;新近出版的国家标准[8]提出的检定方法,更是无法完成固定式对中器的正常检定。

针对现有文献无法高效完成固定式对中器的检定问题,本文首先论述了对中器的结构,以此为基础,对不同结构的对中器提出了相应的检定方案,供测绘生产单位参考,也为今后修改国家规程提供参考。

1 对中器的结构

文献[9]给出了对中器的结构示意图，图1为安置在全站仪照准部上光学对中器的示意图，图2为安置在全站仪照准部上的激光对中器示意图。

图1 旋转式光学对中器示意图[9]

图2 旋转式激光对中器示意图[9]

在一些不需要全站仪或者无专用对中器的场合,例如在架设全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收机天线、架设全站仪反射棱镜等场合[10-11],为了降低设备的成本,则只需要固定式对中器即可满足要求,固定式对中器的结构如图3所示。

图3 固定式对中器[12]

2 对中器的检定

对中器是全站仪竖轴的延长器,对其检定就是确认光学对中器的视准轴或者激光对中器的激光束(以下简称为“对中器视准轴”)是否与全站仪的竖轴重合,鉴于旋转式对中器可以绕全站仪的竖轴选择,可以方便地实现旋转式对中器的检定;而固定式对中器不能够绕全站仪的竖轴旋转,必须增加一个竖轴转接器,间接地实现固定式对中器绕竖轴旋转这一功能,从而实现固定式对中器的检定。为了检定固定式对中器,文献[3-6]将全站仪横卧在桌子边缘,卡紧照准部固定,然后让对中器绕全站仪竖轴旋转,以此来检定固定式对中器。但全站仪的竖轴与轴套之间的间歇、对中器的重量直接加载到全站仪横轴上等条件的改变,导致检定结果的可信度较差。因此，采用横卧全站仪的方法来检定固定式对中器的方法并没有得到推广。

2.1 旋转式对中器检定方法

由于只需要检定对中器的视准轴是否与全站仪竖轴重合,不涉及竖轴是否铅直这一条件,因此在检定对中器时,不需要顾及全站仪的水准器是否居中。对于水准器的检定,如何置平全站仪等,有兴趣的读者可以查阅相关文献,这里不再赘述。

旋转式对中器的检定方法非常简单,图4为用三脚架及一个地面标志点来检定对中器的示意图,如果采用专业经纬仪检定装置,检定原理相似,操作步骤也简单。

如图4(a)所示,将全站仪固定在三脚架上后,在整体移动全站仪及三脚架的同时,观察地面标志点,使其地面标志点的像进入对中器的视场中心位置;踩紧三脚架并固紧三脚架的螺旋,以防在检定过程中三脚架发生位移;固紧全站仪照准部,用基座的脚螺旋使对中器的十字丝对准标志点A;然后松开全站仪,旋转照准部180°,假设此时对中器视准轴与地面相交于B,如图4(b)所示,AB即为对中器视准轴与全站仪竖轴偏移量的两倍;用对中器调整螺丝调整期偏移量AB的一半,用脚螺旋再次照准标志点A;然后再旋转照准部180°,观察对中器十字丝偏离标志点A的情况,如果有偏移,仍然用对中器调整螺丝调整期偏移量的一半,用脚螺旋再次照准标志点;重复这个过程,直至对中器旋转180°后,对中器的十字丝仍然与地面标志点重合为止。需要特别注意的是，在整个检定过程中,都无须顾及水准器是否水平,这是因为该检定过程,不需要保持全站仪竖轴铅直。

图4 旋转式对中器检定原理图[9]

2.2 固定式对中器检定方法

为了能够使固定式对中器绕竖轴转动,需要如图5所示的竖轴转接器用来连接固定式对中器与辅助基座,竖轴转接器承担了竖轴的功能,辅助基座承担了图4的中全站仪基座的功能、即用来对准标志点。

图5 竖轴转接器

对图5所示的转接器的要求是:上部与下部之间匀速旋转;上部跟与下部之间的连接轴套的间隙差与全站仪竖轴的间歇差相同。按图6所示，将辅助基座安置到三脚架上,在辅助基座上安装竖轴转接器,然后在竖轴转接器上安装待检基座。为了减少重复调整次数,在检定之前,需要将辅助基座及待检基座的3个脚螺旋处于居间位置,其最佳状态为每个基座的3个脚螺旋的高度相等。

图6 固定式对中器检定[10]

具体检定步骤如下:

(1)在距待检基座1.5 m左右的天花板上设置标志点,调整辅助基座的脚螺旋,使待检对中器的十字丝对准标志点;

(2)旋转待检基座180°,观察待检十字丝与标志点之间的偏移量,用对中器调整螺丝调整其偏移量的一半,用辅助基座的脚螺旋调整余下的一半;

(3)再次旋转待检基座180°,如果对中器十字丝与标志点之间还存在偏移,则仍然用对中器调整螺丝调整其偏移量的一半,用辅助基座的脚螺旋调整余下的一半;

(4)重复第2～3步,直至对中器旋转180°后,对中器十字丝与标志点重合。

如果在野外工作时,无法在天花板设置标志点的情况下,为了完成固定式对中器的检定,则需要将竖轴转接器设计成图7的形式。

图7 中心螺旋镂空的竖轴转接器

在将图6中的竖轴转接器换成图7中的中心镂空的竖轴转接器后,待检对中器的视场将受限于镂空的竖轴转接器及三脚架中心螺旋的中心孔径。因此,需要首先用辅助基座和待检基座的脚螺旋,分别置平辅助基座和待检基座,然后再在待检对中器十字丝投影中心位置附近处设置地面标志点,这样就可以按照固定式对中器的检定方法检定待检对中器了。其检定方法与步骤与前述方法一致,只是将天花板上的标志点换成了地面标志点。

3 结束语

对中误差是影响角度和距离测量的重要因素,旋转式对中器可以在测量工作开始时进行自检,这样就能够保证其对中精度,而固定式对中器在使用过程中无法实现自检,这会将固定式对中器的误差直接带入到测量成果中,因此，需要经常对固定式对中器进行检校。本文提出采用辅助基座加竖轴转接器的方案,可以快速准确地检定固定式对中器,弥补了现有对中器检定方法的不足,为测绘生产单位确保测绘成果的精度提供了一种备选途径。