移動(dòng)基線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用*

馬建敏　劉芳芳　張 波　郭志敏 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

移動(dòng)基線的設(shè)計(jì)和應(yīng)用*

馬建敏劉芳芳張 波郭志敏 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

一種用于手持式激光測(cè)距儀、超聲波測(cè)距儀、光學(xué)調(diào)焦測(cè)距儀校準(zhǔn)的移動(dòng)式基線樁，組合擺放后即組成基線?；€樁具有4維自由度微調(diào)功能，滿足預(yù)置整數(shù)值的功能。可作為非最高等級(jí)大尺寸實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)器，實(shí)現(xiàn)野外即時(shí)擺放、標(biāo)定，并進(jìn)行校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。移動(dòng)基線方案解決了許多單位準(zhǔn)備開拓低精度等級(jí)大尺寸測(cè)量設(shè)備檢定校準(zhǔn)業(yè)務(wù)，但受限于無固定永久基線場(chǎng)地的困難。對(duì)于人口密集、用地緊張的地區(qū)計(jì)量部門，此方案可供參考。

基線；手持式激光測(cè)距儀；計(jì)量

0　引言

基線樁（也稱為觀測(cè)墩）作為大尺寸實(shí)物基準(zhǔn)，可用于校準(zhǔn)各類大尺寸工程測(cè)量?jī)x器，但由于建造固定基線樁所要求的條件比較高，必須長(zhǎng)期永久占用場(chǎng)地空間，且樁基混凝土施工后需要一定的保養(yǎng)周期，故不是每一個(gè)部門都有條件建立永久固定基線樁。作為研究和探索，課題組設(shè)計(jì)建造了一套可調(diào)移動(dòng)式基線樁，即：兩個(gè)以上樁基組合，穩(wěn)定擺放在大空間野外場(chǎng)地上，經(jīng)過調(diào)平等高操作，兩兩組合的基線樁經(jīng)全站儀或激光跟蹤儀標(biāo)定校準(zhǔn)測(cè)量后，即可作為移動(dòng)基線使用。這一方法基于在環(huán)境和地質(zhì)穩(wěn)定的情況下，短期內(nèi)基線可被即時(shí)標(biāo)定并即時(shí)投入使用，可應(yīng)用于校準(zhǔn)準(zhǔn)確度等級(jí)相對(duì)較低的手持式激光測(cè)距儀、超聲波測(cè)距儀、超聲波液位計(jì)、光學(xué)調(diào)焦測(cè)距儀等普通測(cè)距儀器。

1　技術(shù)依據(jù)

1.1測(cè)量范圍和最大允許誤差

JJG 966-2010《手持式激光測(cè)距儀》檢定規(guī)程對(duì)原規(guī)程JJG 966-2001中的測(cè)量范圍提出更高要求，量程范圍由0 ～ 100 m改為0 ～ 200 m［1］［2］。隨著半導(dǎo)體激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于最高準(zhǔn)確度等級(jí)的0級(jí)手持式激光測(cè)距儀，最大允許誤差要求為：±（1.5 mm + 5×10-5D）。

1.2基線的建立與標(biāo)定方案

為適應(yīng)被校對(duì)象的技術(shù)發(fā)展需求，須對(duì)標(biāo)準(zhǔn)基線裝置作出相應(yīng)的技術(shù)能級(jí)升級(jí)。事實(shí)上，依據(jù)GB 16789-1997《比長(zhǎng)基線測(cè)量規(guī)范》、JJF 1214-2008《長(zhǎng)度基線場(chǎng)校準(zhǔn)規(guī)范》要求所建立的基線場(chǎng)，對(duì)場(chǎng)地要求比較苛刻（永久性占用直線通道、基線場(chǎng)地地質(zhì)穩(wěn)定），許多地處城市區(qū)域的檢測(cè)部門無條件提供具有200 m以上的直線通道場(chǎng)地。

本方案采用的是移動(dòng)基線樁，可以利用公路邊、操場(chǎng)、綠化帶等處臨時(shí)擺放，在測(cè)量實(shí)驗(yàn)結(jié)束后將基線樁運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

被測(cè)對(duì)象要求：目前最高等級(jí)手持式激光測(cè)距儀最大允許誤差為±（1.5 mm+5×10-5D）。經(jīng)計(jì)算，在60 m處，最大允許誤差為±4.5 mm；在200 m處，最大允許誤差為±11.5 mm。采用全站儀或激光跟蹤儀現(xiàn)場(chǎng)基線場(chǎng)標(biāo)定測(cè)量方案，預(yù)估在60 m和200 m處基線標(biāo)定測(cè)量不確定度分別優(yōu)于U = 1.6 m（k = 2）和U = 3 mm（k = 2），基本滿足JJF 1094-2002《測(cè)量?jī)x器特性評(píng)定》的相關(guān)規(guī)定，即：評(píng)定示值誤差的測(cè)量不確定度U與被評(píng)定測(cè)量?jī)x器的最大允許誤差的絕對(duì)值之比小于等于三分之一，即

經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在天氣狀況穩(wěn)定的情況下，短時(shí)段內(nèi)移動(dòng)基線標(biāo)定數(shù)據(jù)穩(wěn)定，并滿足手持式激光測(cè)距儀的檢定要求。

2　設(shè)計(jì)原理

移動(dòng)基線樁由零位基線樁和目標(biāo)靶基線樁兩部分組成。總體設(shè)計(jì)思路為：兩個(gè)靶樁設(shè)計(jì)為立方形外觀，質(zhì)量達(dá)到400 kg，利用鋼質(zhì)型材構(gòu)件焊接組合，以三個(gè)地腳螺釘?shù)纳捣绞娇刂茦痘嗣嫠降雀郀顟B(tài)。為便于搬運(yùn)，移動(dòng)基線樁底部預(yù)留鏟車搬運(yùn)專用插槽，便于手動(dòng)液壓鏟車（承載800 kg）的運(yùn)送操作。

2.1零位基線樁

零位基線樁配置花崗巖臺(tái)面及擋塊定位結(jié)構(gòu)，同時(shí)具備2維水平方向直線位移自由度調(diào)整，2維旋轉(zhuǎn)自由度（轉(zhuǎn)擺角度和俯仰角度）調(diào)整。

圖1　零位移動(dòng)基線樁

零位基線樁如圖1所示。2維水平方向直線位移自由度可調(diào)，結(jié)構(gòu)樁基端面固定連接一組直線滑動(dòng)導(dǎo)軌滑塊組合，上方疊加一組與下方導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)方向夾角為90°的另一組導(dǎo)軌滑塊組合。這兩組直線導(dǎo)軌滑塊組各自具有位置微調(diào)后鎖定功能，滿足標(biāo)定預(yù)置整數(shù)值功能需求，調(diào)整范圍：±50 mm。

2.2目標(biāo)靶移動(dòng)基線樁

目標(biāo)靶移動(dòng)基線樁如圖2所示。樁基設(shè)計(jì)2維旋轉(zhuǎn)自由度調(diào)整機(jī)構(gòu)，即：轉(zhuǎn)擺角度和俯仰角度調(diào)整，以滿足快速找準(zhǔn)相距200 m的水平方向目標(biāo)的功能。然后調(diào)整俯仰角度，即：豎直方向調(diào)整，以快速找準(zhǔn)目標(biāo)靶上下位置，最終將激光光斑快速調(diào)整至基線靶中心位置，并讀出校準(zhǔn)示值。

目標(biāo)靶基線樁靶面垂直于水平端面，其技術(shù)要求須滿足：平面度≤0.01 mm，與水平端面的垂直度≤0.10 mm。

圖2　目標(biāo)靶移動(dòng)基線樁

3　標(biāo)定方法

對(duì)于手持式激光測(cè)距儀檢定，其測(cè)量性能技術(shù)指標(biāo)：示值最大允許誤差為±（1.5 mm + 5×10-5D）。長(zhǎng)度基線場(chǎng)為用于檢定的主標(biāo)準(zhǔn)器。

表1　基線標(biāo)定用儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)比較

移動(dòng)基線放置、調(diào)整操作完成后，可采用激光跟蹤儀和全站儀兩種不同的設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量［3］［4］。

標(biāo)定過程中，為確保基線標(biāo)定基準(zhǔn)面數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確可靠，需設(shè)計(jì)一組全站儀強(qiáng)制歸心定位標(biāo)定轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3　全站儀標(biāo)定用轉(zhuǎn)換塊

移動(dòng)基線擺放后標(biāo)定工作是一個(gè)重要環(huán)節(jié)。如圖3所示，定制花崗巖預(yù)埋與全站儀底部螺紋孔聯(lián)接的凸螺紋（公英制通用）用鑲嵌件，螺紋鑲嵌件中心到花崗巖基準(zhǔn)側(cè)面的距離為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

將兩組完全相同的轉(zhuǎn)換塊分別放置在0位移動(dòng)基線樁端面和目標(biāo)靶基線端面，分別緊靠0位移動(dòng)基線樁上的定位擋塊和目標(biāo)靶基線端面上靶面板上。換言之，就是將兩個(gè)移動(dòng)基線樁上的螺紋強(qiáng)制歸心孔位間距轉(zhuǎn)換為兩個(gè)基線樁定位擋塊同側(cè)面的距離，其目的是符合手持式激光測(cè)距儀的擋塊靠山方式定位。

同理，當(dāng)基線采用激光跟蹤儀進(jìn)行標(biāo)定，則需設(shè)計(jì)靶球標(biāo)定轉(zhuǎn)換塊，如圖4所示。

圖4　跟蹤儀靶球標(biāo)定轉(zhuǎn)換模塊

定制花崗巖預(yù)埋與激光跟蹤儀配合使用的圓孔型鑲嵌件，當(dāng)棱鏡靶球定位于圓孔球巢鑲嵌件中心時(shí)，圓孔中心到花崗巖側(cè)基準(zhǔn)面的距離即為轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)。

同理，將兩組完全相同的轉(zhuǎn)換塊放置在0位基線樁端面和目標(biāo)靶基線樁端面上，中心孔位基線間標(biāo)定數(shù)據(jù)即可轉(zhuǎn)換定位擋塊與靶面距離的標(biāo)定數(shù)據(jù)。

4　拓展應(yīng)用

移動(dòng)基線作為一種擺放式地標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)器，有靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)。只要具備臨時(shí)場(chǎng)地和適合天氣，無論是路邊草坪還是建筑樓頂，都能實(shí)現(xiàn)即時(shí)擺放、即時(shí)標(biāo)定、即時(shí)檢測(cè)、即時(shí)回收。

由此，可推廣到用于衛(wèi)星定位接收機(jī)校準(zhǔn)的GPS微邊基線場(chǎng)建立。標(biāo)定可采用傳統(tǒng)的因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺法，也可采用激光跟蹤儀測(cè)量法（參照GB16789—1997［5］以及JJF 1214-2008［6］）。GPS基線場(chǎng)（觀測(cè)墩）布局設(shè)計(jì)可考慮仿制GPS固定基線場(chǎng)，基座水準(zhǔn)器和光學(xué)對(duì)中誤差，在1.2 m高度圓柱形觀測(cè)墩上的基座光學(xué)對(duì)中，其準(zhǔn)軸最大偏差應(yīng)小于0.1 mm，并滿足選址區(qū)域點(diǎn)位環(huán)視高度15°以上無遮擋條件。設(shè)樁基分布為6 m間距，樁距最大允許誤差：±0.3 mm，故從量值溯源的三分之一原則，除了因瓦標(biāo)準(zhǔn)尺標(biāo)定法外，亦可采用激光跟蹤儀進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量。這一方案克服了人口密集的大城市永久型地面固定基線的選址困難。

5　結(jié)語

目前，該方法已經(jīng)申請(qǐng)發(fā)明專利《一種大尺寸移動(dòng)式基線樁及標(biāo)定方法》，專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410621092.5。

［1］ 張衛(wèi)東，馬駿.JJG 966-2010《手持式激光測(cè)距儀》檢定規(guī)程解讀［J］.江蘇現(xiàn)代計(jì)量，2011，3：23-25.

［2］ 全國幾何量長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJG 966-2010［S］.北京：中國計(jì)量出版社，2011.

［3］ 江洪波.全站儀測(cè)距綜合標(biāo)準(zhǔn)差的測(cè)量不確定度評(píng)定［J］.科技信息，2010，17：63-64.

［4］ 吳國永.全站儀測(cè)距不確定度研究［J］.人民黃河，2010， 32（9）：143-144.

［5］ 全國地理信息標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).GB 16789-1997［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997.

［6］ 全國幾何量長(zhǎng)度計(jì)量技術(shù)委員會(huì).JJF 1214-2008［S］.北京：中國計(jì)量出版社，2008.

Design and application of removable baseline

Ma Jianmin， Liu Fangfang， Zhang Bo， Guo Zhimin
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

Abstruct: The thesis introduces a kind of movable baseline pillar for handheld laser distance meters calibration. These combination pillars constitute the baseline. In view of the principle and application， we designed 4-dimensional freedom adjustable mechanism. So the device can be preset the whole number value of baseline by fine adjustment structure. As a large size non-top ranks of the standard， in case the outside weather good，can put instant， real-time calibration， real-time calibration verification. This quick set up and quick withdraw mobile baseline solution solved many problems of metrological service that need to carry out the low precision of large size measuring equipment calibration， but limited by difficulties without fixed permanent baseline field. Especially in densely populated cities lack of area， the practical and effective mobile baseline solved this difficult problem of metrological service.

baseline； hand-held laser distance meters； metrology

上海市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局基標(biāo)準(zhǔn)器改造項(xiàng)目（2014AA010）