广东工业大学学报  2017, Vol. 34Issue (6): 78-82.  DOI: 10.12052/gdutxb.160095.
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引用本文 

崔家武, 周波阳, 李锦城. 利用平行光管检验校正台校正全站仪的竖盘指标差及2C值 [J]. 广东工业大学学报, 2017, 34(6): 78-82. DOI: 10.12052/gdutxb.160095.
Cui Jia-wu, Zhou Bo-yang, Li Jin-cheng. Calibrating the Index Error of Vertical Circle and 2C of Total Station Using a Calibrator Stand with Collimators [J]. JOURNAL OF GUANGDONG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY, 2017, 34(6): 78-82. DOI: 10.12052/gdutxb.160095.

基金项目:

国家自然科学基金资助项目(41504013)；武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室测绘基础研究基金资助项目(14-01-03)；广东工业大学博士启动基金资助项目(15ZK0008)

作者简介:

崔家武(1992–)，男，硕士研究生，主要研究方向为GNSS数据处理。

通信作者

周波阳(1983–)，男，助理研究员，博士，主要研究方向为航空重力测量数据处理. E-mail：wdzbyang@163.com

文章历史

收稿日期：2016-07-30
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利用平行光管检验校正台校正全站仪的竖盘指标差及2C值
崔家武, 周波阳, 李锦城     
广东工业大学　土木与交通工程学院，广东　广州  510006
收稿日期：2016-07-30
基金项目：国家自然科学基金资助项目(41504013)；武汉大学地球空间环境与大地测量教育部重点实验室测绘基础研究基金资助项目(14-01-03)；广东工业大学博士启动基金资助项目(15ZK0008)
作者简介：崔家武(1992–)，男，硕士研究生，主要研究方向为GNSS数据处理。
通信作者：周波阳(1983–)，男，助理研究员，博士，主要研究方向为航空重力测量数据处理. E-mail：wdzbyang@163.com
摘要: 竖盘指标差及2C值（两倍的视准轴误差）是影响全站仪角度测量精度的两个重要因素. 利用平行光管检验校正台分别对一台竖盘指标差超标的南方测绘NTS-312L型全站仪和一台2C超标的南方测绘NTS-312L型全站仪进行了校正. 校正后, 前者的竖盘指标差从24″减小至6″, 后者的2C从19″减小至–6″, 校正结果符合《全站型电子速测仪检定规程JJG100-2003》. 为了对校正结果进行进一步检核, 分别对两台全站仪进行了外业测试, 结果显示, 前者的竖盘指标差在–3″到6″范围内, 后者的2C值在–6″到5″范围内, 与实验结果基本符合.
关键词: 平行光管检验校正台    全站仪    竖盘指标差    视准轴误差    
Calibrating the Index Error of Vertical Circle and 2C of Total Station Using a Calibrator Stand with Collimators
Cui Jia-wu, Zhou Bo-yang, Li Jin-cheng     
School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China
Abstract: Index error of vertical circle and 2C value (two times of collimation axis error) are two important indicators which affect the precision of total station’s angle measurement. A South NTS-312L total station with index error of vertical circle overrun and a South NTS-312L total station with 2C overrun are corrected by the calibrator stand with collimators. The experiments show that the index error of vertical circle of the former is reduced from 24″ to 6″ and 2C of the latter from 19″ to –6″ respectively after calibrating, the calibrating results according with Verification Regulation of Electronic Tachometer Total Station JJG100-2003. In order to check the calibration results further, both total stations are tested in a field survey, and the results show that the vertical index of the former changes between –3″ to 6″ range, and 2C value of the latter varies in –6″ to 5″ range, these numbers basically in agreement with the calibration experiment.
Key words: calibrator stand with collimators    total station    index error of vertical circle    collimation axis error    

全站仪是集测角、测距功能于一体的测绘仪器，竖盘指标差和视准轴误差是影响测角精度的重要因素[1-2]. 竖盘指标差是指竖盘指标偏离了正确位置，使视线水平时的竖盘读数比90°或270°大了或小了一个数值X，这个偏离值X称为竖盘指标差[3]. 产生竖盘指标差的原因主要有竖轴不铅垂、望远镜视准轴不水平、垂直度盘固定位置不对或松动导致较大偏差等[4-6]. 视准轴误差指的是视准轴与横轴不正交，视准轴与横轴的垂直面形成夹角C[7]，如图1所示. 产生视准轴误差的原因主要有望远镜十字丝分划板安置不正确、望远镜调焦透镜运行时晃动、外界温度变化等[8]. 《全站型电子速测仪检定规程JJG100-2003》[9]给出了不同类型全站仪的竖盘指标差和2C的具体指标，见表1. 该规程规定，J2型仪器的竖盘指标差和2C均不得超过16″，竖盘指标差和2C超标的全站仪必须进行校正.

图 1 视准轴误差示意图 Figure 1 Sketch of collimation axis error
表 1 不同等级全站仪的性能要求 Table 1 Performance requirements of total station with different levels

全站仪竖盘指标差、2C值的校正方法通常有两种：一是将仪器送到专门的检定机构去检定和校准；二是由具有一定经验和技术水平的人员在野外进行现场检校. 前者通常上是一年送检一次，检校精度高，效果好，但较费时费力，还增加了额外的经费支出. 后者则可随时随地对仪器进行校正，但由于在野外进行操作，步骤繁琐，容易受到多种因素的干扰，导致仪器检验的精度及可靠性较低. 广东工业大学测量实验室购置了大地测量仪器检验校正台（为便于表述，后文中均简称为“检校台”），采用检校台校正仪器可以综合上述两种方法的优势，使得检验仪器变得经济、方便、快捷. 由于目前市场大多使用J2型仪器，本文以南方NTS-312L全站仪为例，介绍了利用检校台校正全站仪的竖盘指标差及2C的具体步骤，并对校正的结果进行了检核.

1 检校台

广东工业大学测量实验室购置了DP f550-3型大地测量仪器检验校正台，见图2 (a). 在检校台安装完毕后，需对其进行精密整平. 通过旋转仪器脚下4个安平螺旋，将圆水泡调至中间，见图2 (b). 此外，由于受长途运输、震动等因素的影响，检校台的光学系统有可能产生误差. 在使用前，应使用一台高精度的、已确认消除了i角误差的水准仪对其进行校正，具体过程参见检校台的说明书. 为保证检校台的稳定性，该工作需每半年进行一次. 实践证明，该型检校台可对光学水准仪的i角进行校正[10]. 检校台平行光管上有远近两个十字丝，其中远处的十字丝能模拟无穷远处的目标，进而消除人为照准误差.

图 2 平行光管检验校正台 Figure 2 Calibrator stand with collimators
2 仪器检验 2.1 竖盘指标差的检验

将全站仪安置在检校台上，调节检校台，使得全站仪的视准轴和检校台的平行光管大致在一个水平面上；调节脚螺旋，严格整平全站仪；盘左照准平行光管中无穷远处的十字丝，调节微动螺旋，使得望远镜分划板上的十字丝横丝和平行光管中无穷远处的十字丝横丝重合，读取竖直度盘读数V1；望远镜翻转180°，旋转照准部，以盘右位置重复上述操作，读取竖直度盘读数V2，则可按式(1)得到竖盘指标差X：

$X{\rm{ = }}\left( {{V_1}{\rm{ + }}{V_2}{\rm{ - }}{{360}^ \circ }} \right)/2。$ (1)

若X的值超过规程规定的限差，则需要进行校正.

2.2 视准轴误差的检验

视准轴与横轴的正交性检验主要有3种方法，即读数法、四分之一法和高低点法[8]. 由于读数法简便且适用于检校台，所以本文选用读数法对视准轴误差C进行检验. 检验的具体步骤如下：将全站仪安置在检校台上，调节检校台，使得全站仪的视准轴和检校台的平行光管大致在一个水平面上；调节脚螺旋，严格整平全站仪；盘左照准平行光管中无穷远处的十字丝，调节微动螺旋，使得望远镜分划板上的十字丝竖丝和平行光管中无穷远处的十字丝竖丝重合，读取水平度盘读数L；望远镜翻转180°，旋转照准部，以盘右位置重复上述操作，读取水平度盘读数R，则可按式(2)得到2倍的视准轴误差2C：

$2C = L - R \pm {180^ \circ }。$ (2)

如果2C的绝对值超过规程规定的限差，则需要进行校正.

3 仪器校正 3.1 竖盘指标差的校正

竖盘指标差的校正方法有两种[11]：一是机械校正法，首先打开望远镜筒，可以看到有上下左右4个校正螺钉，如图3所示. 经过调整上下两个螺钉来校正竖盘指标差的大小. 二是程序校正法，全站仪可通过一个简单加减计算来弥补该差异，即竖盘指标差的电子补偿[12-16].

图 3 目镜和校正螺钉 Figure 3 The eyepiece and adjustment screw

由于程序校正法更加便捷高效，所以本文选用程序校正法对竖盘指标差超限的仪器进行校正. 具体步骤如下：

(1) 将仪器固定在检校台上并精密整平仪器.

(2) 通过菜单进入指标差校正界面.

(3) 盘左照准平行光管中的十字丝，使分划板上的十字丝横丝和平行光管中无穷远处的十字丝横丝重合，按“ENT”确认.

(4) 盘右照准平行光管中的十字丝，使分划板上的十字丝横丝和平行光管中无穷远处的十字丝横丝重合，按“ENT”确认.

3.2 视准轴误差的校正

当全站仪2C的绝对值超过限差时，不要搬动仪器. 此时全站仪盘右，且望远镜分划板上的十字丝竖丝和平行光管中无穷远处的十字丝竖丝重合. 校正的具体步骤如下：

(1) 计算盘右观测的校正值R校=R+C.

(2) 小心地拧开望远镜筒，可以看到上下左右4个校正螺钉，如图3所示.

(3) 检查水平制动螺旋，严格制动.

(4) 利用水平微动螺旋，使得水平度盘的读数为R校. 这时，通过望远镜可以看到，分划板上的十字丝竖丝和平行光管中无穷远处的十字丝竖丝已经不重合.

(5) 小心地转动左右两个校正螺钉，通过两个校正螺钉的一松一紧来调整分划板上十字丝在水平方向上的移动（可以略放松上下校正螺钉，使得十字丝能够移动，但不可太松，否则容易引起十字丝的旋转，给校正工作带来困难），使得分划板上的十字丝竖丝和平行光管中无穷远处的十字丝竖丝再次重合.

(6) 最后检查水平度盘的读数有没有因为校正工作而发生变动，如果有变动则重复(4)、(5)的操作. 如果水平度盘读数仍是R校，则校准工作结束.

不同厂家生产的全站仪虽然有差异，但由于其测角原理及内部构造基本一致，文章中视准轴误差、竖盘指标差的检验及校正方法对不同厂家不同型号的全站仪具有普遍适用性.

4 实验与分析

采用检校台对广东工业大学测量实验室的多台全站仪进行检验，发现仪器编号为No 53437的南方NTS-312L全站仪（为表述方便，后文将其简称为No 53437）竖盘指标差X超限，仪器编号为No 45627南方NTS-312L全站仪（为表述方便，后文将其简称为No 45627）2C超限，检验结果如表2和表3所示. 按照本文3.1和3.2中提及的校正步骤分别对这两台仪器进行了校正，校正后对它们的竖盘指标差和2C重新进行了检验，检验结果如表4和表5所示. 从表中的数据可以看到，校正后，No 53437的竖盘指标差从24″减小至6″，No 45627的2C从19″减小至–6″，均达到《全站型电子速测仪检定规程JJG100-2003》的要求.

表 2 校正前全站仪(No 53437)竖盘指标差检验数据 Table 2 Index error of vertical circle of total station (No 53437) inspection data before calibrating
表 3 校正前全站仪(No 45627)视准轴误差检验数据 Table 3 Collimation axis error of total station (No 45627) inspection data before calibrating
表 4 校正后全站仪(No 53437)竖盘指标差检验数据 Table 4 Index error of vertical circle of total station (No 53437) inspection data after calibrating
表 5 校正后全站仪(No 45627)视准轴误差检验数据 Table 5 Collimation axis error of total station (No 45627) inspection data after calibrating

利用校正后的No 53437进行了竖直角观测. 观测时选取了3个不同角度的点进行观测，分别为D、E、F，每个点观测5测回，观测记录如表6所示，从表中可以看出，竖盘指标差最大较差分别为9″、6″、1″，均小于10″；竖直角最大较差分别为5″、7″、9″，均小于10″. 上述二者都满足四等导线竖直角观测的要求[17].

采用校正后的No 45627进行了水平角观测，观测时，选取了3个不同的方向，分别为A、B、C，并采用方向观测法进行6测回观测，观测记录如表7所示. 表7说明，一测回内最大半测回归零差分别为2″、3″、5″、1″、2″、2″，均小于8″；一测回内2C最大互差分别为5″、6″、11″、1″、7″、8″，均小于13″；B、C方向各测回最大互差分别为4″、5″，均小于9″；上述二者也达到了四等导线水平角观测的要求.

表 6 竖直角观测数据 Table 6 The vertical angle observation data
5 结论

实践证明，利用大地测量仪器检验校正台校正全站仪的竖盘指标差及2C误差具有可行性及可靠性. 利用实验室配置的检校台对仪器进行校正，填补了送修仪器1年的间期，使得仪器出现的各种问题能够及早发现、及时解决，避免损失，提高了仪器的利用率. 同时相较于野外进行校正更简便，精度及可靠性更高. 检校台对测量仪器的维护、保养有着积极意义，建议有条件的测量单位、高校测量实验室配置检校台.

表 7 水平角观测数据 Table 7 Horizontal angle observation data
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