精密水準(zhǔn)測量控制裝置設(shè)計

姜友誼，曾 致，胡亞軒，秦世民，黎 曉

(1.西安科技大學(xué) 測繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710054；2.中國地震局 第二監(jiān)測中心，陜西 西安 710054)

0 引 言

在施工放樣、地形圖測繪及等級控制網(wǎng)的布設(shè)等工程測量技術(shù)領(lǐng)域，目前主要使用全站儀和實時動態(tài)差分法測量(Real Time Kinematic，簡稱RTK)[1-5]。其中，全站儀三角高程測量具有靈活、高效率的特點，RTK能實時獲得厘米級的精度，在高程控制測量中廣泛應(yīng)用，但高程精度的問題依舊存在[6-9]。全站儀觀測精度與大氣垂直折射及垂直角觀測等有關(guān)，GPS精度受到衛(wèi)星及信號傳播等誤差影響，只能達(dá)到國家三、四等水準(zhǔn)測量的精度[10-11]。對于地殼形變監(jiān)測、等級控制網(wǎng)測量等需要高精度高程值，仍采用精密水準(zhǔn)測量的方法，目前還沒有其它方法可以取代[12]。因此，水準(zhǔn)測量仍然是建立等級高程控制網(wǎng)和進(jìn)行形變監(jiān)測等精密高程測量的主要方法。

精密水準(zhǔn)測量中，大氣折光誤差、i角誤差及地球曲率是影響高程精度的主要誤差來源，為減小這種誤差，均要求測站前后視距差及前后視距累積差控制在國家等級水準(zhǔn)測量規(guī)范內(nèi)(見表1)[13-15]。迄今為止，水準(zhǔn)測量的外業(yè)工作強度大、效率低，特別是在地形地貌復(fù)雜區(qū)，如：城市建筑區(qū)、山區(qū)、溝壑地貌區(qū)、植被密集區(qū)等，保證前后視距對稱而架設(shè)水準(zhǔn)儀就顯得非常困難[16-19]。采用數(shù)字水準(zhǔn)儀在一定程度上測量效率和精度有很大的提高，但沒有改變前后視距基本相等的作業(yè)方式，仍明確規(guī)定了前后視距差及視距累積差的觀測限差[20]。楊義輝等將誤差轉(zhuǎn)化為高差改正數(shù)，對測量結(jié)果進(jìn)行修正，以滿足國家精密水準(zhǔn)精度，但加大了內(nèi)業(yè)工作量。因此，前后視距差的控制極大地限制水準(zhǔn)測量的工作效率及應(yīng)用[21]。

表1 國家等級水準(zhǔn)測量視距要求Table 1 National level measurement range requirements

以精密水準(zhǔn)測量為背景，采用“無線測距裝置+精密計時裝置+顯示器+無線探測棱鏡”的集成技術(shù)設(shè)計思路，基于無線測距原理，設(shè)計出了一種可以實時確定儀器位置的精密水準(zhǔn)測量控制裝置，準(zhǔn)確找到架設(shè)儀器的有利位置，消除或削弱前后視距差所帶來的誤差，實現(xiàn)高精度的高程控制測量，進(jìn)而提高整個工程的精度和效率。

1 精密水準(zhǔn)測量控制裝置原理

1.1 測距原理

雷達(dá)發(fā)射器將電磁能量輻射至大氣中向前傳播，電磁波遇到目標(biāo)后，將沿著各個方向產(chǎn)生反射，一部分電磁能量反射回發(fā)射器的方向，被天線獲取，形成電磁波的回波信號，獲得目標(biāo)的距離、方向等。如圖1所示，為了測定目標(biāo)的距離，準(zhǔn)確測量從雷達(dá)發(fā)射時刻到接收回波時刻的延遲時間，這個延遲時間是電磁波從精密水準(zhǔn)測量控制裝置到無線探測棱鏡往返的傳播時間。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)斜距H(見式(1))，從傳播回來的信號中獲取角度信息a，可得到目標(biāo)距離L(見式(2))

H=CT/2

(1)

L=Hcos(a)

(2)

式中C為電磁波在大氣傳播的光速，3×108m/s；T為電磁波在待測距離H上的往返傳播所用的時間,s；H為精密水準(zhǔn)測量控制裝置至無線探測棱鏡的斜距,m；a為電磁波信號與水平面的夾角,(°)；L為水準(zhǔn)儀至水準(zhǔn)尺的距離,m.

圖1 精密水準(zhǔn)測量無線測距原理Fig.1 Schematic of precision leveling wireless ranging

1.2 工作原理

文中設(shè)計的“無線測距裝置+精密計時裝置+顯示器+無線探測棱鏡”集成技術(shù)測量控制裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，經(jīng)過多次實驗論證，在實際作業(yè)中靈活方便，能滿足高精度測量需要和提高測量工作效率。

精密水準(zhǔn)測量控制裝置如圖2～4所示，在水準(zhǔn)儀的頂部中心位置安裝精密水準(zhǔn)測量控制裝置，按下啟動開關(guān)接通電源，上電復(fù)位后，微處理器根據(jù)顯示器的通信命令，通過通信節(jié)點發(fā)送命令給電源控制節(jié)點，驅(qū)動發(fā)射單元，以雷達(dá)探測的方式同時向前后視無線探測棱鏡發(fā)射無線探測信號，接收處理單元接收回波信號的同時，計時器記錄電磁波信號往返傳播的時間，將2次信號的時間間隔通過通信節(jié)點傳遞給微處理器，微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通信節(jié)點將結(jié)果傳給顯示屏以供測量應(yīng)用。

圖2 精密水準(zhǔn)測量控制裝置原理Fig.2 Schematic of the precision leveling measurement and control device

圖3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Schematic of the internal structure

圖4 外部結(jié)構(gòu)示意(俯視)Fig.4 Schematic of the external structure(top view)

2 精密水準(zhǔn)測量控制裝置設(shè)計

精密水準(zhǔn)測量控制裝置由無線測距模塊、精密計時單元、無線探測棱鏡及其他元件組成。

2.1 無線測距模塊

無線測距模塊是整個裝置的第一核心部件，主要包括無線發(fā)射及驅(qū)動單元、無線接收及回波控制單元、主控單元和通信單元。

無線發(fā)射及驅(qū)動單元通過單片機通信接口發(fā)出發(fā)射信號，驅(qū)動單元完成無線電波的發(fā)射；無線接收及回波控制單元，利用接收單元把無線探測棱鏡反射回來的回波信號轉(zhuǎn)換為電流信號，通過帶通濾波單元，將所需頻段之外的信號濾除，便于后期有效信號處理，利用信號放大單元對有用信號進(jìn)行放大，提高信號的增益范圍，最后解調(diào)單元將放大的電信號解調(diào)滿足主控單元的信號處理要求；主控單元由單片機和外圍電路組成，完成對各個單元的控制和響應(yīng)；通信單元實現(xiàn)收發(fā)單元、主控單元、計時單元和顯示單元之間的通信。

2.2 精密計時單元

精密計時單元TDC-GP2[22-24]是整個裝置的第二核心部件，其計時精度達(dá)到10-12s.上電復(fù)位之后，單片機首先對計時芯片內(nèi)部的相關(guān)功能寄存器進(jìn)行初始化，然后啟動發(fā)射單元，向目標(biāo)發(fā)射無線信號的同時，向TDC-GP2發(fā)出電信號，計時啟動；在接受回波信號的同時向TDC-GP2發(fā)出另一個電信號，計時結(jié)束；計時芯片將2次電信號之間的時間間隔由通信接口發(fā)送給單片機，數(shù)據(jù)處理后，通過單片機輸出端把結(jié)果傳遞給顯示器。

2.3 無線探測棱鏡

無線探測棱鏡是整個測距的第三核心部件，包括棱鏡及可拆卸的固定塊，將棱鏡安裝在水準(zhǔn)尺頂部的可拆卸固定塊中，可以更好地接收無線信號。

2.4 其他元件設(shè)計

4G存儲器主要預(yù)先存儲各等級規(guī)范及棱鏡對電磁波的反射幅值和信號頻段；信號發(fā)射和接收指示燈在光線不利的條件下，便于測量人員查看發(fā)射器及接收器是否正常工作；TM87PS38N單片機主要是通信、測量數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)的傳遞，提高計時系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理速度等[21]；顯示器由標(biāo)準(zhǔn)的按鍵、2寸LED液晶顯示屏組成；12 V鋰電池。

3 精密水準(zhǔn)測量控制裝置設(shè)計方案

文中解決的問題主要針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過運用無線電磁波測距，使其能夠達(dá)到實時測距的目的，準(zhǔn)確找到架設(shè)儀器的有利位置，消除或削弱前后視距差超限所帶來的誤差，實現(xiàn)高精度的高程測量，進(jìn)而提高整個測量的精度和效率。

3.1 裝置電路

精密水準(zhǔn)測量控制裝置電路原理如圖5所示，主要包括電源控制電路、單片機電路、顯示控制電路、通信電路、無線收發(fā)電路和計時電路。其中，單片機電路實現(xiàn)控制功能；無線收發(fā)電路實現(xiàn)對無線電波的發(fā)射和接收；電源控制電路實現(xiàn)對整個裝置控制和供電；顯示控制電路和通信電路實現(xiàn)控制和傳遞信息；計時電路提供可靠的時間間隔。

圖5 電路原理Fig.5 Schematic of the circuit

3.2 裝置設(shè)計方案

精密水準(zhǔn)測量控制裝置設(shè)計方案如圖6所示：設(shè)計一種實時測距的裝置。其中精密水準(zhǔn)測量控制裝置主要包括TM87PS38N單片機、精密計時單元TDC-GP2、無線發(fā)射及驅(qū)動單元、無線接收及回波控制單元；無線接收及回波控制單元主要包括依次連接的收發(fā)天線、濾波單元、信號放大單元和解調(diào)單元。單片機通過通信端口與存儲單元和計時單元相接，存儲單元輸出端接有向前后視無線探測棱鏡發(fā)射電磁波信號的發(fā)射單元，單片機的輸入端接有依次連接的收發(fā)天線、濾波單元、信號放大單元和解調(diào)單元，單片機的輸出端與顯示器的信號輸入端相連接，啟動開關(guān)串聯(lián)在顯示器信號輸入端的供電回路中。

4 實驗與例證

為驗證精密水準(zhǔn)測量控制裝置的可行性和正確性，在某工程的大橋進(jìn)行實驗，線路位于沖積平原，大部分穿越農(nóng)田，其他為旱地，測量人員4人，使用徠卡精密水準(zhǔn)儀DS1，測試場地以6個穩(wěn)定的水準(zhǔn)點構(gòu)成精密水準(zhǔn)控制網(wǎng)，觀測方式采用“后-前-前-后”進(jìn)行施測[25-26]，如圖7所示。

圖6 精密水準(zhǔn)測量控制裝置Fig.6 Precision leveling measurement control device

為了對上述結(jié)果準(zhǔn)確驗證，利用布設(shè)的2個已知基準(zhǔn)點A和O，進(jìn)行附和水準(zhǔn)測量，結(jié)果見表3.經(jīng)過驗證，附和水準(zhǔn)測量精度和測量效率的提高與閉合水準(zhǔn)呈現(xiàn)一致。

表2 閉合水準(zhǔn)實驗結(jié)果Table 2 Closed level test results

表3 附和水準(zhǔn)實驗結(jié)果Table 3 Annexed leveling test results

圖7 精密水準(zhǔn)路線Fig.7 Precise leveling roadmap

5 結(jié) 論

1)精密水準(zhǔn)測量中，高程測量精度及測量效率主要取決于前后視距是否對稱，采用集成設(shè)計思路的精密水準(zhǔn)測量控制裝置，可以實時獲取前后視距差，快速確定儀器位置，高程測量精度和測量效率得到大幅度提高；

2)精密水準(zhǔn)測量控制裝置設(shè)計結(jié)構(gòu)新穎，使用靈活便捷。在相同觀測條件下，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測量對比發(fā)現(xiàn)，測量精度平均提高7.3%，測量效率平均提高23.6%，前后視距差能更好的控制在限差范圍內(nèi)，達(dá)到國家精密水準(zhǔn)測量的精度要求，拓展了精密水準(zhǔn)測量的應(yīng)用領(lǐng)域。