摘要：本文介紹了TS30全站儀的性能、測距精度評定、TS30全站儀機載軟件開發平臺以及TS30在實際工作中的應用。
　　關鍵詞：全站儀、TS30、機載軟件、精度評定、不整平設站
　　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
　　中圖分類號： TN949.6 文獻標識碼：A 文章編號：
　　一、引言
　　TS30全站儀是徠卡測量系統為替代TCA2003推出的第四代高精度智能型全站儀，是測量機器人的極品，它引領全站儀的發展潮流，以0.5"的測角精度和0.6mm+1ppm的測距精度重新定義了全站儀的精度標準，完美融合了角度測量、距離測量、自動目標識別和快速跟蹤等功能，為精密測量提供了技術保障。徠卡測量系統提供TS30的二次開發平臺GeoC++，較以往的GeoBasic、 GeoCom更規范，功能更強大。本文簡要介紹TS30的性能和TS30在測量中的應用。
　　二、TS30性能

角度測量/精度	Hz,V	0.5"(0.15mgon)
	最小顯示	0.01"(0.01mgon)
距離測量/測程	圓棱鏡	3500m
	反射片	250m
距離測量/精度/時間(棱鏡)	精密	0.6mm+1ppm/7s
	標準	1mm+1ppm/2.4s
距離測量/精度/時間(反射片)		1mm+1ppm/7s
距離測量/測程(無棱鏡)		1000m
距離測量/精度/時間(無棱鏡)		2mm+2ppm/3s
自動目標識別(ATR)精度/ 測量時間	5-1000m	1-2mm
	時間	3-4s
超級搜索(PS)/測程	360°棱鏡	300m
超級搜索(PS)/時間		5s

　　TS30運用壓電陶瓷驅動技術把電能轉換為機械能，以毫微米的步進達到最大轉速和加速度，使儀器具有極佳的動態跟蹤性能。儀器的能耗低，免維護期長，轉動噪聲較TCA2003減少很多。壓電陶瓷驅動技術較磁懸浮驅動技術的優點在于不會產生磁場，也不會被電磁場干擾。因此，TS30可以在高電壓、強磁場區域穩定工作。TS30的小視場識別功能較強，小視場中有多個棱鏡時，可縮小可視范圍，準確鎖定目標。TS30還具有攝像功能，能像數碼相機一樣拍攝，存儲測點的影像。TS30可以集成附加的GNSS系統，構成SmartStation，成為超站儀，通過全球定位系統確定儀器站的坐標，實現不需要加密控制網點的碎布測量和施工放樣。TS30通過遙測組件RCS可在遠程遙控模式下使用。人性化設計手簿可實現單人自動化測量。TS30及其附件均與TPS1200系列完美兼容。TS30完全整合了徠卡測量系統T的X-Function，不僅在硬件方面完全兼容(如GNSS,radio handle,accessories等)，而且支持徠卡測量系統的數據管理，可通過Smartworx操控TS30全站儀。所有的徠卡應用程序都可以使用和建立圖形用戶界面。這種整合使TS30具有更強大的靈活性和擴展性。TS30的主要技術指標如下表所示。
　　三、TS30測距精度評定
　　為較全面的檢驗儀器在不同條件下的測距精度，我們設計了以下的測試項目：測距的靈敏度試驗，測距模式對測距精度的影響試驗。
　　1、測距靈敏度試驗

檢測平臺移動量/mm	測距均值/m	測距變化量/mm	X坐標/m	X坐標變化量/mm	Y坐標/m	Y坐標變化量/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

　　采用高精度檢測平臺進行試驗，在檢測平臺上安置測距棱鏡，在測微尺控制下，測距棱鏡可作橫向和縱向移動，精度可達0.01毫米。在測距檢測臺30米和50米處架設TS30，調節檢測平臺的縱軸使之對準全站儀的試準軸，棱鏡在縱向作微小移動，通過測距的變化反應儀器的靈敏度。實驗中，測站坐標設為(1000.000，1000.000)棱鏡每次移動0.2毫米，測量20次并取均值.
　　由上表觀察測距和坐標的變化情況得到:測距X坐標(縱坐標)的變化量均能反應檢測平臺的微小移動,它們之間的差值最大為0.03mm,坐標(橫坐標)的變化量為0.01mm.測距的靈敏度很高.
　　2、測距模式對測距精度的影響試驗
　　如果打開儀器TS30ATR(自動目標識別)功能，儀器的十字絲中心會自動精確照準圓棱鏡中心并進行照準誤差改正。試驗對“徠卡圓棱鏡”測距模式和“徠卡反射片“兩種測量模式進行，徠卡圓棱鏡的常熟為0mm，徠卡反射片的常數為34.4mm，兩種模式的測距差在理論上應為34.4mm。首先選擇“徠卡圓棱鏡”模式，測量10次后，再將測距模式切換為“徠卡反射片”模式進行測量。測量結果如下表所示。

	圓棱鏡模式	反射片模式	傾斜改正值（mm）
測量次數	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

　　從表中可見，兩種測距模式測量得到距離較差與理論值34.4mm相比，最大相差0.2mm，均值的較差僅為0.04mm，說明兩種測距模式下的精度都很高。
　　四、TS30的機載軟件開發平臺
　　TS30的機載軟件開發平臺GeoC++是徠卡測量系統應用于1200系列全站儀的開放式開發平臺，與傳統的GeoBasic機載程序開發平臺相比，提供了更為豐富的應用函數，能夠開發功能更強大、可靠性更高的機載應用程序。GeoC++開發系統使用的儀器仿真器可模擬儀器運行環境來調試程序，避免頻繁將程序上載到儀器的麻煩。機載應用程序主要有以下幾類組成:應用程序類,是整個程序的入口,包括一個或多個Modle類,Controller類和Dialog類.Model類通常包含了應用程序所需的數據;Controller類,用于創建和維護對話框類,例如,打開、關閉對話框或對功能鍵盤進行響應;Dialog類則用于顯示人際交換式的軟件界面。機載軟件系列將用戶開發測量程序編譯后上傳到全站儀，無需和計算機連接就能進行自動測量，從而大大簡化外業作業條件，提高測量效率，很受歡迎。在GeoC++平臺下開發的機載軟件可應用于最新的TS30/TM30全站儀和TPS1200系列的全站儀。軟件可以用于地鐵變形自動化監測和其他變形檢測項目。該機載軟件的程序有五部分組成，分別為：文件管理、測站設置、學習測量、后視定向和自動測量。學習測量的界面簡潔，操作方便，用戶可以手動切換“自動測量”和“人工測量”功能，在目標被遮擋情況下，可暫停測量，待遮擋物移走時，可恢復自動測量。
　　五、TS30全站儀的特點
　　TS30全站儀可以與GPS聯測，也可單獨使用，可以隨意集成安裝與拆卸。在實現了無控制點外業測量功能以外，還將許多全站儀技術集于一身，如應用廣域搜索技術實現了測量目標的快速自動 搜索：應用現代信號處理技術及超高頻率測距技術實現了較長測程高精度的無棱鏡測距功能。
　　1、全站儀和GPS的結合
　　1、在使用全站儀進行測量的過程當中，我們主要采用的控制網布網方法是布設導線或導線網，充分利用全站儀的測角測距功能來方便地布設測區控制點。從測量兩種方法我們可以看到都需要控制點點與點之間同時通視，尤其是相關聯點之間要通視，在地形狀況復雜時通視點不好選擇就制約了測量人員的工作效率，有時因為選點不當甚至有可能明顯的降低控制網的整體精度，給測量帶來不便。
　　隨著技術水平的進一步發展，GPS測量逐漸的普及開發。GPS和全站儀聯合測量有效地解決了這一難題。GPS測量的主要優點是點與點之間無需通視就可以布設測區控制點，現在的所有工程項目(尤其是大型工程)的工程控制網都是由GPS控制點作為首級甚至是次級控制網的。
　　既然GPS有這么好的優點,那么所有的測量項目是不是都可以使用GPS來進行測量呢?不是的,GPS優點不少但同時缺點也不少,比如測量時間較長、需要多機同時作業等等，所以在進行小范圍的控制點布設及放樣測量工作的時候往往都是使用全站儀的?，F在的所有的大型工程的測量(尤其是高鐵項目)往往都是GPS與全站儀相結合的模式來進行測量工作的，即GPS主要用于整體控制網的布設、全站儀用于施工控制網的加密及工程放樣測量。TS30全站儀就具備了這兩種優勢，很好的解決了這一問題。
　　2、TS30超級搜索
　　在采用ATR(自動目標照準)技術的同時，為了實現在360度全周范圍內對測量目標進行快速自動搜索，采用一項新的目標超級搜索技術，即PS(PowerSearch)技術。以儀器進行廣域目標搜索時，首先從信號窗發射一束扇形不可見激光束，該激光束的垂直發散角為36°，水平發散角約為0.023度，當儀器旋轉式，相對與儀器視準軸±18°的垂直視野范圍內如果有棱鏡存在，則棱鏡將激光信號反射回去，儀器接收到信號后立即進行信號處理與匹配，可以概略確定出的水平方向角及垂直角。儀器再啟動ATR功能對棱鏡進行精確照準。由于PS的超級搜索信號具有很大的發散角，因此在很大范圍內的棱鏡均可通過PS技術快速搜索到，僅用5-10S的時間。
　　3、TS30和測量軟件相結合
　　在隧道的變形監測中，采用裝載在筆記本電腦上的移動式周期變形監測自動化軟件Geo-Def進行比較測量。鏈接機器人和PC機，在工作基點上對50個變性檢測點周期測量，學習測量只需在首期進行，測量結果將保存到一個文件庫中，方便每次使用。每期先對基準點網進行觀測，然后再對地鐵隧道斷面上的變形點進行監測，盡管隧道內的光線昏暗，又是塵埃較多，但是利用儀器上的激光指示裝置可以方便地尋找和鎖定目標。
　　采用TS30測量機器人全邊角網的自動化測量。使用武漢大學測繪學院研發控制網觀測自動化軟件Geo-Net，軟件裝載在PDA上，利用藍牙通訊技術控制測量機器人，自動觀測和采集數據，可免去與筆記本電腦連接的麻煩，特別適用于結構非常堅強的精密控制網。
　　4、TS30補償器關閉情況下的應用
　　全站儀的使用方法主要的基本過程是：整平-對中-測量。
　　在高鐵項目的CPIII控制下，由于使用了自由設站的方法，設站的工程中我們都是使用的后方交會的模式，因此看似不可缺少的整平-對中-測量的過程優化減少了一個很重要的步驟，那就是對中。這對測量技術與測量方法的發展帶來了便利，那么我們就想測量的基本步驟之一的整平是否也能夠省略呢?
　　全站儀是如何進行測量的呢?基本原理是全站儀同經緯儀一樣也擁有一個豎軸和一個橫軸,通過這兩個軸的組合可以對目標進行角度測量.通過讀取豎軸和橫軸相關聯的絕對編碼度盤來確定水平角和豎直角;其中豎軸水平面垂直,橫軸同豎軸垂直.但是我們都知道誤差是不可避免的,儀器不可能完全整平,所以豎軸同水平面之間的夾角不可能絕對90度, 豎軸同橫軸之間也會不可避免的不是完全垂直,這就會給測量帶來較大的誤差,如何來避免這種情況的發生呢?在現代最先進的全站儀中都安裝了補償器,補償器的基本功能就是對橫軸、縱軸、水平面之間的相互關系進行補償,保證其能夠達到設計要求,控制由此產生的誤差.
　　全站儀還有一個基本的功能就是對距離進行測量.全站儀上安裝的測距軸一般同望遠鏡同軸,,這樣就保證了全站儀可以直接測取目標點到全站儀望遠鏡中心的距離(斜距),然后再通過與豎直角聯合計算,可以計算出全站儀到測量目標的平面距離,此時測距精度和豎直角測角精度決定全站儀測量目標的精度.
　　關于補償器,各個廠家有多種不同的類型,但是不管是用那種類型的補償器,其基本功能都沒有發生根本性的變化.補償器的一個很基本的功能是:補償一個儀器使用的水平面.所以絕大多數廠商在選擇補償器的時候都是使用液體補償器.全站儀的補償器通常要對全站儀的各個軸進行誤差補償,其中橫軸、豎軸、視準軸的誤差補償器通常是采用固定常數補償的辦法進行補償，即通過實測各個軸之間的偏差來補償軸系誤差。而由于全站儀整平誤差所帶來測量誤差則需要全站儀內自帶液體補償器進行誤差補償，此時補償器工作的一個很重要的目的是找到當地水平面(測量基準面)。使用液體補償器進行補償時通過電子傳感器測量補償器內液體的表面狀況來確定當地水平面(補償器內液體的表面狀況同當地重力情況有關)。
　　不整平設站測量的基本原理：
　　全站儀需要整平來進行測量這是全站儀使用的基本思路，在這里全站儀進行整平的主要目的有兩個：第一，通過全站儀整平來保證全站儀望遠鏡中心與全站儀下的點在同一個垂直面上，保證全站儀的對點精度;第二，通過全站儀找到最佳的測量基準面，保證所有的測量工作在同一個基準面上進行，從而保證全站儀的測量(重復性)精度。
　　我們知道，在高速鐵路的測量工作中，很多情況下是要使用自由設站的辦法進行全站儀設站，所以此種情況下全站儀整平的第一個目的就不需要去實現了，而只需要保證每次都將測量基準面確定下來就可以進行測量工作了，那么是不是只有通過補償器尋找測量基準面一種辦法呢?答案是否定的，我們完全可以使用其他的辦法來確定基準面。
　　現在我問通過對已知點進行直接測量的方法對測量基準面進行確定。之所以可以這樣做是因為使用已知點的絕對高程確定水平面的精度在某些情況下要明顯高于補償器的確定的水平面的精度。所以此時全站儀的補償器應該處于關閉狀態，而如果全站儀的補償器關閉了則全站儀就完全可以進行不整平設站。
　　計算方法：第一，設站點坐標的確定完全是用距離交會的方法計算全站儀望遠鏡中心處的坐標，則至少需要通過后視三個或三個以上的已知點才能夠計算出設站點的坐標。一般要求使用4-10個已知點作為目標點，使用最小二乘法來計算出全站儀望遠鏡中心處的坐標。第二，在進行坐標測量時我們要實時對全站儀的豎直角及水平角進行改正。我們假設以全站儀的望遠鏡中心作為一個球的中心，以全站儀豎軸為此球的豎軸，球的半徑設為無限遠，則可以將所有的全站儀待測的目標點投影到球上去,每個點都對應一個全站儀數豎直角讀數和一個水平角讀數;我們在這將全站儀豎直角90°時望遠鏡所在的平面與球相交的園設為此球的赤道,選擇水平角為0°時望遠鏡所在的平面與此球的相交的半圓為0°子午線,則此球上每一個點所對應的經緯度就是此點水平角與豎直角(此球的緯度90°相當于赤道即0°,往北方向依次遞減,往南方向依次遞增,緯度范圍是0°-180°).全站儀實測的豎直角與水平角的過程即可轉換為在該球上經緯度坐標轉換的過程,類似于大地坐標經緯度轉換,可以使用成熟的數學模型進行轉換計算.我們使用的角度轉換的算法采用七參數法。
　　六、結束語
　　TS30通過全站儀和GPS的結合，實現了無控制點情況下的外業測量，GPS(RTK)點位測量精度達到毫米級。這種作業模式大大改善傳統的作業方法，對于線路測量、工程放樣、地形測圖等勞動強度較大的測量工作，使用TS30將大大提高工作效率，節省人力物力資源。由于在目標超級自動搜索，較長高精度無棱鏡測距，測量數據的無線傳輸等方面采用了眾多的新技術，在搜索目標達到超級自動搜索功能，無棱鏡測距不僅加大了測程，測距精度也大大的提高，測距精度達到1mm+1ppm,由于TS30具有上述新的技術優點，在其自動測量、無接觸測量等領域具有無可比擬的優越性，將被廣泛的應用于測量工作中。
　　參考文獻
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　　【2】LEICA,TS30/TM30用戶手冊，1.1中文版
　　【3】張正祿等，工程測量學【M】武漢大學出版社，武漢，2005年10月