高海燕

(中兵勘察設計研究院有限公司, 北京 100053)

0 引言

為了能夠完成角度和距離的測量工作,需要將地面標志點安置到全站儀或者經(jīng)緯儀(以下簡稱為“全站儀”)的豎軸延長線上(這個過程稱為對中),同時需要置平全站儀,使過地面標志點的鉛垂線與全站儀的豎軸重合(這個過程稱為置平),為了確保測繪成果的精度,必須同時滿足這兩個條件。通常情況下,對中和置平需要交替反復進行,這樣才能夠滿足測量工作的要求。

在光學對中器發(fā)明之前,測繪人員是利用垂球、通過移動基座的辦法來將地面標志點安置到全站儀豎軸延長線上的,但這種方法的精度較低,據(jù)文獻[1]報道,這種對中方法的精度在2.7～4.2 mm,同時對中效率低,也易受環(huán)境條件例如刮風等的影響。在20世紀50年代后,垂球對中的方式已經(jīng)逐漸被光學對中器及激光對中器所取代,光學/激光對中器不僅對中精度高,而且操作更加方便,例如光學對中器在1.5 m視距處的對中精度達到0.5～1.0 mm,激光對中器在1.5 m高度處的對中精度也達到0.5～1.0 mm[2]。

光學對中器及激光對中器在對中原理上沒有本質性的差別,其檢定方法也是一致的,以下將光學對中器和激光對中器統(tǒng)稱為對中器。

對中器一般安置在全站儀的照準部上,可以隨著全站儀的豎軸旋轉,專用的對中器也采用這種結構,為以下敘述方便,將這類能隨豎軸旋轉的對中器稱為旋轉式對中器;另外一種是將對中器安置在基座上,其位置固定,不能夠隨豎軸旋轉,同樣為了后續(xù)敘述方便,將這種結構的對中器稱為固定式對中器。

關于對中器的檢定與調整,國內外已有很多文獻都進行了論述,旋轉式對中器的檢定與調整方法比較簡單,已有成熟的方法可以使用;但對于固定式對中器,人們則提出過多種檢定與調整方法,例如文獻[2-6]提出的全站儀橫臥法,這種方法偏離了對中器的正常使用狀態(tài),特別是豎軸之間的間歇與基座的重量,導致檢定結果不準確;文獻[7]提出的檢定方法,類似測量工作中常用的強制對中法,需要同時滿足置平和對中這兩個條件,降低了工作效率;新近出版的國家標準[8]提出的檢定方法,更是無法完成固定式對中器的正常檢定。

針對現(xiàn)有文獻無法高效完成固定式對中器的檢定問題,本文首先論述了對中器的結構,以此為基礎,對不同結構的對中器提出了相應的檢定方案,供測繪生產(chǎn)單位參考,也為今后修改國家規(guī)程提供參考。

1 對中器的結構

文獻[9]給出了對中器的結構示意圖，圖1為安置在全站儀照準部上光學對中器的示意圖，圖2為安置在全站儀照準部上的激光對中器示意圖。

圖1 旋轉式光學對中器示意圖[9]

圖2 旋轉式激光對中器示意圖[9]

在一些不需要全站儀或者無專用對中器的場合,例如在架設全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收機天線、架設全站儀反射棱鏡等場合[10-11],為了降低設備的成本,則只需要固定式對中器即可滿足要求,固定式對中器的結構如圖3所示。

圖3 固定式對中器[12]

2 對中器的檢定

對中器是全站儀豎軸的延長器,對其檢定就是確認光學對中器的視準軸或者激光對中器的激光束(以下簡稱為“對中器視準軸”)是否與全站儀的豎軸重合,鑒于旋轉式對中器可以繞全站儀的豎軸選擇,可以方便地實現(xiàn)旋轉式對中器的檢定;而固定式對中器不能夠繞全站儀的豎軸旋轉,必須增加一個豎軸轉接器,間接地實現(xiàn)固定式對中器繞豎軸旋轉這一功能,從而實現(xiàn)固定式對中器的檢定。為了檢定固定式對中器,文獻[3-6]將全站儀橫臥在桌子邊緣,卡緊照準部固定,然后讓對中器繞全站儀豎軸旋轉,以此來檢定固定式對中器。但全站儀的豎軸與軸套之間的間歇、對中器的重量直接加載到全站儀橫軸上等條件的改變,導致檢定結果的可信度較差。因此，采用橫臥全站儀的方法來檢定固定式對中器的方法并沒有得到推廣。

2.1 旋轉式對中器檢定方法

由于只需要檢定對中器的視準軸是否與全站儀豎軸重合,不涉及豎軸是否鉛直這一條件,因此在檢定對中器時,不需要顧及全站儀的水準器是否居中。對于水準器的檢定,如何置平全站儀等,有興趣的讀者可以查閱相關文獻,這里不再贅述。

旋轉式對中器的檢定方法非常簡單,圖4為用三腳架及一個地面標志點來檢定對中器的示意圖,如果采用專業(yè)經(jīng)緯儀檢定裝置,檢定原理相似,操作步驟也簡單。

如圖4(a)所示,將全站儀固定在三腳架上后,在整體移動全站儀及三腳架的同時,觀察地面標志點,使其地面標志點的像進入對中器的視場中心位置;踩緊三腳架并固緊三腳架的螺旋,以防在檢定過程中三腳架發(fā)生位移;固緊全站儀照準部,用基座的腳螺旋使對中器的十字絲對準標志點A;然后松開全站儀,旋轉照準部180°,假設此時對中器視準軸與地面相交于B,如圖4(b)所示,AB即為對中器視準軸與全站儀豎軸偏移量的兩倍;用對中器調整螺絲調整期偏移量AB的一半,用腳螺旋再次照準標志點A;然后再旋轉照準部180°,觀察對中器十字絲偏離標志點A的情況,如果有偏移,仍然用對中器調整螺絲調整期偏移量的一半,用腳螺旋再次照準標志點;重復這個過程,直至對中器旋轉180°后,對中器的十字絲仍然與地面標志點重合為止。需要特別注意的是，在整個檢定過程中,都無須顧及水準器是否水平,這是因為該檢定過程,不需要保持全站儀豎軸鉛直。

圖4 旋轉式對中器檢定原理圖[9]

2.2 固定式對中器檢定方法

為了能夠使固定式對中器繞豎軸轉動,需要如圖5所示的豎軸轉接器用來連接固定式對中器與輔助基座,豎軸轉接器承擔了豎軸的功能,輔助基座承擔了圖4的中全站儀基座的功能、即用來對準標志點。

圖5 豎軸轉接器

對圖5所示的轉接器的要求是:上部與下部之間勻速旋轉;上部跟與下部之間的連接軸套的間隙差與全站儀豎軸的間歇差相同。按圖6所示，將輔助基座安置到三腳架上,在輔助基座上安裝豎軸轉接器,然后在豎軸轉接器上安裝待檢基座。為了減少重復調整次數(shù),在檢定之前,需要將輔助基座及待檢基座的3個腳螺旋處于居間位置,其最佳狀態(tài)為每個基座的3個腳螺旋的高度相等。

圖6 固定式對中器檢定[10]

具體檢定步驟如下:

(1)在距待檢基座1.5 m左右的天花板上設置標志點,調整輔助基座的腳螺旋,使待檢對中器的十字絲對準標志點;

(2)旋轉待檢基座180°,觀察待檢十字絲與標志點之間的偏移量,用對中器調整螺絲調整其偏移量的一半,用輔助基座的腳螺旋調整余下的一半;

(3)再次旋轉待檢基座180°,如果對中器十字絲與標志點之間還存在偏移,則仍然用對中器調整螺絲調整其偏移量的一半,用輔助基座的腳螺旋調整余下的一半;

(4)重復第2～3步,直至對中器旋轉180°后,對中器十字絲與標志點重合。

如果在野外工作時,無法在天花板設置標志點的情況下,為了完成固定式對中器的檢定,則需要將豎軸轉接器設計成圖7的形式。

圖7 中心螺旋鏤空的豎軸轉接器

在將圖6中的豎軸轉接器換成圖7中的中心鏤空的豎軸轉接器后,待檢對中器的視場將受限于鏤空的豎軸轉接器及三腳架中心螺旋的中心孔徑。因此,需要首先用輔助基座和待檢基座的腳螺旋,分別置平輔助基座和待檢基座,然后再在待檢對中器十字絲投影中心位置附近處設置地面標志點,這樣就可以按照固定式對中器的檢定方法檢定待檢對中器了。其檢定方法與步驟與前述方法一致,只是將天花板上的標志點換成了地面標志點。

3 結束語

對中誤差是影響角度和距離測量的重要因素,旋轉式對中器可以在測量工作開始時進行自檢,這樣就能夠保證其對中精度,而固定式對中器在使用過程中無法實現(xiàn)自檢,這會將固定式對中器的誤差直接帶入到測量成果中,因此，需要經(jīng)常對固定式對中器進行檢校。本文提出采用輔助基座加豎軸轉接器的方案,可以快速準確地檢定固定式對中器,彌補了現(xiàn)有對中器檢定方法的不足,為測繪生產(chǎn)單位確保測繪成果的精度提供了一種備選途徑。