摘要：本文介绍了TS30全站仪的性能、测距精度评定、TS30全站仪机载软件开发平台以及TS30在实际工作中的应用。
关键词：全站仪、TS30、机载软件、精度评定、不整平设站
Abstract: this paper introduces the TS30 tachometer performance, the ranging accuracy evaluation, TS30 tachometer airborne software development platform, as well as the application TS30 in practical work.
Keywords: tachometer, TS30, airborne, software, precision evaluation, not the whole set up flat
中图分类号： TN949.6 文献标识码：A 文章编号：
一、引言
TS30全站仪是徕卡测量系统为替代TCA2003推出的第四代高精度智能型全站仪，是测量机器人的极品，它引领全站仪的发展潮流，以0.5"的测角精度和0.6mm+1ppm的测距精度重新定义了全站仪的精度标准，完美融合了角度测量、距离测量、自动目标识别和快速跟踪等功能，为精密测量提供了技术保障。徕卡测量系统提供TS30的二次开发平台GeoC++，较以往的GeoBasic、 GeoCom更规范，功能更强大。本文简要介绍TS30的性能和TS30在测量中的应用。
二、TS30性能
| 角度测量/精度 | Hz,V | 0.5"(0.15mgon) | | 最小显示 | 0.01"(0.01mgon) | | 距离测量/测程 | 圆棱镜 | 3500m | | 反射片 | 250m | | 距离测量/精度/时间(棱镜) | 精密 | 0.6mm+1ppm/7s | | 标准 | 1mm+1ppm/2.4s | | 距离测量/精度/时间(反射片) | | 1mm+1ppm/7s | | 距离测量/测程(无棱镜) | | 1000m | | 距离测量/精度/时间(无棱镜) | | 2mm+2ppm/3s | 自动目标识别(ATR)精度/
测量时间 | 5-1000m | 1-2mm | | 时间 | 3-4s | | 超级搜索(PS)/测程 | 360°棱镜 | 300m | | 超级搜索(PS)/时间 | | 5s |
TS30运用压电陶瓷驱动技术把电能转换为机械能，以毫微米的步进达到最大转速和加速度，使仪器具有极佳的动态跟踪性能。仪器的能耗低，免维护期长，转动噪声较TCA2003减少很多。压电陶瓷驱动技术较磁悬浮驱动技术的优点在于不会产生磁场，也不会被电磁场干扰。因此，TS30可以在高电压、强磁场区域稳定工作。TS30的小视场识别功能较强，小视场中有多个棱镜时，可缩小可视范围，准确锁定目标。TS30还具有摄像功能，能像数码相机一样拍摄，存储测点的影像。TS30可以集成附加的GNSS系统，构成SmartStation，成为超站仪，通过全球定位系统确定仪器站的坐标，实现不需要加密控制网点的碎布测量和施工放样。TS30通过遥测组件RCS可在远程遥控模式下使用。人性化设计手簿可实现单人自动化测量。TS30及其附件均与TPS1200系列完美兼容。TS30完全整合了徕卡测量系统T的X-Function，不仅在硬件方面完全兼容(如GNSS,radio handle,accessories等)，而且支持徕卡测量系统的数据管理，可通过Smartworx操控TS30全站仪。所有的徕卡应用程序都可以使用和建立图形用户界面。这种整合使TS30具有更强大的灵活性和扩展性。TS30的主要技术指标如下表所示。
三、TS30测距精度评定
为较全面的检验仪器在不同条件下的测距精度，我们设计了以下的测试项目：测距的灵敏度试验，测距模式对测距精度的影响试验。
1、测距灵敏度试验
| 检测平台移动量/mm | 测距均值/m | 测距变化量/mm | X坐标/m | X坐标变化量/mm | Y坐标/m | Y坐标变化量/mm | | 0.00 | 30.6403 | 0.00 | 1030.63990 | 0.00 | 1000.00053 | 0.00 | | 0.20 | 30.6405 | 0.20 | 1030.64007 | 0.17 | 1000.00054 | 0.01 | | 0.40 | 30.6407 | 0.40 | 1030.64030 | 0.40 | 1000.00053 | 0.00 | | 0.60 | 30.6409 | 0.60 | 1030.64047 | 0.57 | 1000.00053 | 0.00 |
采用高精度检测平台进行试验，在检测平台上安置测距棱镜，在测微尺控制下，测距棱镜可作横向和纵向移动，精度可达0.01毫米。在测距检测台30米和50米处架设TS30，调节检测平台的纵轴使之对准全站仪的试准轴，棱镜在纵向作微小移动，通过测距的变化反应仪器的灵敏度。实验中，测站坐标设为(1000.000，1000.000)棱镜每次移动0.2毫米，测量20次并取均值.
由上表观察测距和坐标的变化情况得到:测距X坐标(纵坐标)的变化量均能反应检测平台的微小移动,它们之间的差值最大为0.03mm,坐标(横坐标)的变化量为0.01mm.测距的灵敏度很高.
2、测距模式对测距精度的影响试验
如果打开仪器TS30ATR(自动目标识别)功能，仪器的十字丝中心会自动精确照准圆棱镜中心并进行照准误差改正。试验对“徕卡圆棱镜”测距模式和“徕卡反射片“两种测量模式进行，徕卡圆棱镜的常熟为0mm，徕卡反射片的常数为34.4mm，两种模式的测距差在理论上应为34.4mm。首先选择“徕卡圆棱镜”模式，测量10次后，再将测距模式切换为“徕卡反射片”模式进行测量。测量结果如下表所示。
| | 圆棱镜模式 | 反射片模式 | 倾斜改正值（mm） | | 测量次数 | 斜距(mm) | 斜距（mm） | | 1 | 51.4149 | 51.4492 | 34.30 | | 2 | 51.4147 | 51.4492 | 34.50 | | 3 | 51.4147 | 51.4492 | 34.50 | | 4 | 51.4148 | 51.4492 | 34.40 | | 5 | 51.4146 | 51.4492 | 34.60 | | 6 | 51.4147 | 51.4491 | 34.40 | | 7 | 51.4146 | 51.4490 | 34.40 | | 8 | 51.4147 | 51.4491 | 34.40 | | 9 | 51.4148 | 51.4492 | 34.40 | | 10 | 51.41485 | 51.4491 | 34.30 | | 平均值 | 51.4147 | 51.4492 | 34.44 |
从表中可见，两种测距模式测量得到距离较差与理论值34.4mm相比，最大相差0.2mm，均值的较差仅为0.04mm，说明两种测距模式下的精度都很高。
四、TS30的机载软件开发平台
TS30的机载软件开发平台GeoC++是徕卡测量系统应用于1200系列全站仪的开放式开发平台，与传统的GeoBasic机载程序开发平台相比，提供了更为丰富的应用函数，能够开发功能更强大、可靠性更高的机载应用程序。GeoC++开发系统使用的仪器仿真器可模拟仪器运行环境来调试程序，避免频繁将程序上载到仪器的麻烦。机载应用程序主要有以下几类组成:应用程序类,是整个程序的入口,包括一个或多个Modle类,Controller类和Dialog类.Model类通常包含了应用程序所需的数据;Controller类,用于创建和维护对话框类,例如,打开、关闭对话框或对功能键盘进行响应;Dialog类则用于显示人际交换式的软件界面。机载软件系列将用户开发测量程序编译后上传到全站仪，无需和计算机连接就能进行自动测量，从而大大简化外业作业条件，提高测量效率，很受欢迎。在GeoC++平台下开发的机载软件可应用于最新的TS30/TM30全站仪和TPS1200系列的全站仪。软件可以用于地铁变形自动化监测和其他变形检测项目。该机载软件的程序有五部分组成，分别为：文件管理、测站设置、学习测量、后视定向和自动测量。学习测量的界面简洁，操作方便，用户可以手动切换“自动测量”和“人工测量”功能，在目标被遮挡情况下，可暂停测量，待遮挡物移走时，可恢复自动测量。
五、TS30全站仪的特点
TS30全站仪可以与GPS联测，也可单独使用，可以随意集成安装与拆卸。在实现了无控制点外业测量功能以外，还将许多全站仪技术集于一身，如应用广域搜索技术实现了测量目标的快速自动 搜索：应用现代信号处理技术及超高频率测距技术实现了较长测程高精度的无棱镜测距功能。
1、全站仪和GPS的结合
1、在使用全站仪进行测量的过程当中，我们主要采用的控制网布网方法是布设导线或导线网，充分利用全站仪的测角测距功能来方便地布设测区控制点。从测量两种方法我们可以看到都需要控制点点与点之间同时通视，尤其是相关联点之间要通视，在地形状况复杂时通视点不好选择就制约了测量人员的工作效率，有时因为选点不当甚至有可能明显的降低控制网的整体精度，给测量带来不便。
随着技术水平的进一步发展，GPS测量逐渐的普及开发。GPS和全站仪联合测量有效地解决了这一难题。GPS测量的主要优点是点与点之间无需通视就可以布设测区控制点，现在的所有工程项目(尤其是大型工程)的工程控制网都是由GPS控制点作为首级甚至是次级控制网的。
既然GPS有这么好的优点,那么所有的测量项目是不是都可以使用GPS来进行测量呢?不是的,GPS优点不少但同时缺点也不少,比如测量时间较长、需要多机同时作业等等，所以在进行小范围的控制点布设及放样测量工作的时候往往都是使用全站仪的。现在的所有的大型工程的测量(尤其是高铁项目)往往都是GPS与全站仪相结合的模式来进行测量工作的，即GPS主要用于整体控制网的布设、全站仪用于施工控制网的加密及工程放样测量。TS30全站仪就具备了这两种优势，很好的解决了这一问题。
2、TS30超级搜索
在采用ATR(自动目标照准)技术的同时，为了实现在360度全周范围内对测量目标进行快速自动搜索，采用一项新的目标超级搜索技术，即PS(PowerSearch)技术。以仪器进行广域目标搜索时，首先从信号窗发射一束扇形不可见激光束，该激光束的垂直发散角为36°，水平发散角约为0.023度，当仪器旋转式，相对与仪器视准轴±18°的垂直视野范围内如果有棱镜存在，则棱镜将激光信号反射回去，仪器接收到信号后立即进行信号处理与匹配，可以概略确定出的水平方向角及垂直角。仪器再启动ATR功能对棱镜进行精确照准。由于PS的超级搜索信号具有很大的发散角，因此在很大范围内的棱镜均可通过PS技术快速搜索到，仅用5-10S的时间。
3、TS30和测量软件相结合
在隧道的变形监测中，采用装载在笔记本电脑上的移动式周期变形监测自动化软件Geo-Def进行比较测量。链接机器人和PC机，在工作基点上对50个变性检测点周期测量，学习测量只需在首期进行，测量结果将保存到一个文件库中，方便每次使用。每期先对基准点网进行观测，然后再对地铁隧道断面上的变形点进行监测，尽管隧道内的光线昏暗，又是尘埃较多，但是利用仪器上的激光指示装置可以方便地寻找和锁定目标。
采用TS30测量机器人全边角网的自动化测量。使用武汉大学测绘学院研发控制网观测自动化软件Geo-Net，软件装载在PDA上，利用蓝牙通讯技术控制测量机器人，自动观测和采集数据，可免去与笔记本电脑连接的麻烦，特别适用于结构非常坚强的精密控制网。
4、TS30补偿器关闭情况下的应用
全站仪的使用方法主要的基本过程是：整平-对中-测量。
在高铁项目的CPIII控制下，由于使用了自由设站的方法，设站的工程中我们都是使用的后方交会的模式，因此看似不可缺少的整平-对中-测量的过程优化减少了一个很重要的步骤，那就是对中。这对测量技术与测量方法的发展带来了便利，那么我们就想测量的基本步骤之一的整平是否也能够省略呢?
全站仪是如何进行测量的呢?基本原理是全站仪同经纬仪一样也拥有一个竖轴和一个横轴,通过这两个轴的组合可以对目标进行角度测量.通过读取竖轴和横轴相关联的绝对编码度盘来确定水平角和竖直角;其中竖轴水平面垂直,横轴同竖轴垂直.但是我们都知道误差是不可避免的,仪器不可能完全整平,所以竖轴同水平面之间的夹角不可能绝对90度, 竖轴同横轴之间也会不可避免的不是完全垂直,这就会给测量带来较大的误差,如何来避免这种情况的发生呢?在现代最先进的全站仪中都安装了补偿器,补偿器的基本功能就是对横轴、纵轴、水平面之间的相互关系进行补偿,保证其能够达到设计要求,控制由此产生的误差.
全站仪还有一个基本的功能就是对距离进行测量.全站仪上安装的测距轴一般同望远镜同轴,,这样就保证了全站仪可以直接测取目标点到全站仪望远镜中心的距离(斜距),然后再通过与竖直角联合计算,可以计算出全站仪到测量目标的平面距离,此时测距精度和竖直角测角精度决定全站仪测量目标的精度.
关于补偿器,各个厂家有多种不同的类型,但是不管是用那种类型的补偿器,其基本功能都没有发生根本性的变化.补偿器的一个很基本的功能是:补偿一个仪器使用的水平面.所以绝大多数厂商在选择补偿器的时候都是使用液体补偿器.全站仪的补偿器通常要对全站仪的各个轴进行误差补偿,其中横轴、竖轴、视准轴的误差补偿器通常是采用固定常数补偿的办法进行补偿，即通过实测各个轴之间的偏差来补偿轴系误差。而由于全站仪整平误差所带来测量误差则需要全站仪内自带液体补偿器进行误差补偿，此时补偿器工作的一个很重要的目的是找到当地水平面(测量基准面)。使用液体补偿器进行补偿时通过电子传感器测量补偿器内液体的表面状况来确定当地水平面(补偿器内液体的表面状况同当地重力情况有关)。
不整平设站测量的基本原理：
全站仪需要整平来进行测量这是全站仪使用的基本思路，在这里全站仪进行整平的主要目的有两个：第一，通过全站仪整平来保证全站仪望远镜中心与全站仪下的点在同一个垂直面上，保证全站仪的对点精度;第二，通过全站仪找到最佳的测量基准面，保证所有的测量工作在同一个基准面上进行，从而保证全站仪的测量(重复性)精度。
我们知道，在高速铁路的测量工作中，很多情况下是要使用自由设站的办法进行全站仪设站，所以此种情况下全站仪整平的第一个目的就不需要去实现了，而只需要保证每次都将测量基准面确定下来就可以进行测量工作了，那么是不是只有通过补偿器寻找测量基准面一种办法呢?答案是否定的，我们完全可以使用其他的办法来确定基准面。
现在我问通过对已知点进行直接测量的方法对测量基准面进行确定。之所以可以这样做是因为使用已知点的绝对高程确定水平面的精度在某些情况下要明显高于补偿器的确定的水平面的精度。所以此时全站仪的补偿器应该处于关闭状态，而如果全站仪的补偿器关闭了则全站仪就完全可以进行不整平设站。
计算方法：第一，设站点坐标的确定完全是用距离交会的方法计算全站仪望远镜中心处的坐标，则至少需要通过后视三个或三个以上的已知点才能够计算出设站点的坐标。一般要求使用4-10个已知点作为目标点，使用最小二乘法来计算出全站仪望远镜中心处的坐标。第二，在进行坐标测量时我们要实时对全站仪的竖直角及水平角进行改正。我们假设以全站仪的望远镜中心作为一个球的中心，以全站仪竖轴为此球的竖轴，球的半径设为无限远，则可以将所有的全站仪待测的目标点投影到球上去,每个点都对应一个全站仪数竖直角读数和一个水平角读数;我们在这将全站仪竖直角90°时望远镜所在的平面与球相交的园设为此球的赤道,选择水平角为0°时望远镜所在的平面与此球的相交的半圆为0°子午线,则此球上每一个点所对应的经纬度就是此点水平角与竖直角(此球的纬度90°相当于赤道即0°,往北方向依次递减,往南方向依次递增,纬度范围是0°-180°).全站仪实测的竖直角与水平角的过程即可转换为在该球上经纬度坐标转换的过程,类似于大地坐标经纬度转换,可以使用成熟的数学模型进行转换计算.我们使用的角度转换的算法采用七参数法。
六、结束语
TS30通过全站仪和GPS的结合，实现了无控制点情况下的外业测量，GPS(RTK)点位测量精度达到毫米级。这种作业模式大大改善传统的作业方法，对于线路测量、工程放样、地形测图等劳动强度较大的测量工作，使用TS30将大大提高工作效率，节省人力物力资源。由于在目标超级自动搜索，较长高精度无棱镜测距，测量数据的无线传输等方面采用了众多的新技术，在搜索目标达到超级自动搜索功能，无棱镜测距不仅加大了测程，测距精度也大大的提高，测距精度达到1mm+1ppm,由于TS30具有上述新的技术优点，在其自动测量、无接触测量等领域具有无可比拟的优越性，将被广泛的应用于测量工作中。
参考文献
【1】徐忠阳，全站仪原理与应用[M],北京：解放军出版社，2003
【2】LEICA,TS30/TM30用户手册，1.1中文版
【3】张正禄等，工程测量学【M】武汉大学出版社，武汉，2005年10月
|
