全站儀的誤差源分析及測距誤差模型的建立

摘 要：全站儀作為主要測繪儀器，測量儀器的技術水平代表了測繪生產力的高低，誤差精度對測繪者來說至關重要，在全站儀測距誤差檢定方面存在著很多原因，本文作者探討了全站儀距離測量的原理，分析可能造成誤差的原因，提出了測距誤差的模型，可為全站儀的使用和檢定人員提供一定的參考和借鑒。

關鍵詞：全站儀；誤差源；測距；誤差模型

1 概述

全站儀是一種在各種測繪領域被廣泛應用的電子測量儀器。隨著技術與需求的不斷發展，電子全站儀的高精度化和高智能化會繼續提高。可以預見，電子全站儀在世紀仍然是空間信息采集的主要儀器。測量儀器的技術水平代表了測繪生產力的高低。對測繪工作來說，生產質量由儀器的誤差精度決定。為獲得高精度的測量數據，保證工程質量，就必須對計量的儀器誤差進行分析，對計量儀器進行檢定和修正。

全站儀經過一段時間的使用，在使用過程中一些人為因素會對儀器內部部件造成不等程度的擾動，以至儀器在測量過程中出現非人為因素誤差，儀器測量精度大大降低，超過了測量限差，此時沒有辦法通過儀器參數修改來改進，所以需到計量檢定機構檢定，然后再對儀器測量精度進行再評定。由于儀器不精確，造成工程上的后果非常嚴重。因此儀器準確度檢定，對經濟發展和科技進步有著重大的意義。

2 全站儀的工作原理

全站儀距離測量是通過電磁波來完成的。電磁波又稱電磁輻射。變化的電磁場使相鄰的區域也產生電磁場，從而使能量和動量以波的形式傳遞出去，傳播速度為光速。全站儀測距的原理就是利用電磁波在兩點之間直線傳播，通過傳播所用的時間，計算出兩點間的距離。

全站儀的本振器發出一個恒定頻率的信號，通過鎖相環發送出去，遇到被測點放置的棱鏡后反射回來。同時本振器發送信號給計數器。其中鎖相環的作用是使主震頻率與信號頻率形成一個固定差。經反射后的電磁波先經過接收器，再放大后送入檢相計數器，通過比較開始發送給計數器和反射后的信號比相，得到相位差，計算出距離。

3 全站儀的誤差源分析

全站儀是光電，精密機械，計算機等各種技術高度槃成的儀器。能夠產生誤差的原因也是多種多樣的。全站儀測量誤差的主要來源包括與距離有關的誤差來源、與測量距離無關的誤差、光電信號的擾亂引入的誤差、測相誤差、幅相誤差、零點誤差等等。

（一）與距離有關的誤差來源：全站儀通過電磁波進行測距，光波傳輸過程中，大氣的折射，標準頻率位的偏離等都會對測量的結果造成誤差，這種誤差是隨著測量距離的變化而變化的。其中，大氣折射率引起的誤差與測量的天氣，地點，溫度等有關。標準頻率值的偏差則是由儀器自身原因引起的，例如電源電壓的變化，儀器溫度的變化等。

（二）與測量距離無關的誤差：不管全站儀要測量的距離是多長，這一部分誤差總是固有存在的，主要包括幅相誤差，周期誤差，儀器零點誤差，測相誤差等。

（三）光電信號的擾亂引入的誤差是周期誤差產生的主要原因。儀器發出光波進行測量時，由于混頻，空間耦合以及棱鏡返回的光信號在內部光學元件中發生漫反射等原因，在儀器接收部分形成一個擾亂信號，當一起進行相位差來計算測量距離吋，這個信號就干擾了相位比較，使參考信號和測距信號的比較產生誤差。

（四）測相誤差：影響相位比較的精度的因素還有相位漂移，信噪比等。

（五）幅相誤差：由于光波信號強弱不同，光信號接收回來后幅度不同造成相移，引起了測量的誤差。

（六）零點誤差：全站儀內光學器件的零點和對點器不一致造成零點誤差。

4 全站儀測距誤差模型的建立

由上一章節的分析可知，本文把全站儀的誤差來源分為與距離有關的比例誤差和與距離無關的誤差，本文稱之為固定誤差。比例誤差主要由大氣折射率，頻率偏差造成。固定誤差包括零點誤差，幅相誤差等。因此對全站儀測距誤差進行檢定時，本文確定測距誤差的模型為：

式中：

—全站儀顯示出的距離。

L —根據測距原理測出來的長度

K —與距離無關的固定誤差，在全站儀檢定中把它叫加常數。

R —與距離有關的比例誤差的比例常數，叫做乘常數。

加常數K：由于儀器的老化和磨損等原因，儀器的固定誤差也是不斷在變的，所以一臺全站儀在進行大型項目之前，必須對其進行檢定。針對存在測距時與測量距離無關的固定誤差，在對全站儀檢定時，為使測量值逼近實際值，在所有測量值之后加一個固定的偏差。

乘常數R：檢定時，在測量值上還要加上一個與距離有關的偏差，這個偏差與要測量的距離成正比。這個比例常數就是本文所要求出的。

5 結論

由于全站儀在不同的環境，地形下進行測量，包括儀器自身的原因等。在求解出加常數后，可以嘗試單獨的對加常數K進行不確定度的判定。在應用基線法檢定加常數的過程中，影響加常數K不確定的因素很多。主要包括：棱鏡，儀器的對中誤差、大氣折射率的變化地形的影響等。

在得出的加常數和乘常數的結果后，本文主要進行加常數和乘常數的顯著性檢驗。這是因為，評定誤差模型時，把由各種因素引起的誤差分為與距離無關和與距離成正比的部分。在得出加常數和乘常數后，經鑒定，全站儀屏幕上輸出的距離就是經過本文鑒定后的值。但是在測量過程中，由于儀器的老化和元件的物理磨損等原因。本文所取得的加常數和乘常數呈現變化性。因此，全站儀的檢定時周期性的，如果所計算的加常數和乘常數過大，那么儀器就需要重新調整。經過長時間使用或儀器由于碰撞等原因，計算得到的誤差模型整體上不一定呈直線分布，測量值遠遠偏離所擬合直線。這樣在全站儀距離誤差檢定時，就不能完全按照

來進行。

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作者簡介：

冀紅，性別：女，出生年月：1968年11月20日，職稱：工程師，工作單位：沈陽計量測試院，研究方向：測繪儀器、光學儀器、驗光設備。