精密水准测量控制装置设计

姜友谊，曾 致，胡亚轩，秦世民，黎 晓

(1.西安科技大学 测绘科学与技术学院，陕西 西安 710054；2.中国地震局 第二监测中心，陕西 西安 710054)

0 引 言

在施工放样、地形图测绘及等级控制网的布设等工程测量技术领域，目前主要使用全站仪和实时动态差分法测量(Real Time Kinematic，简称RTK)[1-5]。其中，全站仪三角高程测量具有灵活、高效率的特点，RTK能实时获得厘米级的精度，在高程控制测量中广泛应用，但高程精度的问题依旧存在[6-9]。全站仪观测精度与大气垂直折射及垂直角观测等有关，GPS精度受到卫星及信号传播等误差影响，只能达到国家三、四等水准测量的精度[10-11]。对于地壳形变监测、等级控制网测量等需要高精度高程值，仍采用精密水准测量的方法，目前还没有其它方法可以取代[12]。因此，水准测量仍然是建立等级高程控制网和进行形变监测等精密高程测量的主要方法。

精密水准测量中，大气折光误差、i角误差及地球曲率是影响高程精度的主要误差来源，为减小这种误差，均要求测站前后视距差及前后视距累积差控制在国家等级水准测量规范内(见表1)[13-15]。迄今为止，水准测量的外业工作强度大、效率低，特别是在地形地貌复杂区，如：城市建筑区、山区、沟壑地貌区、植被密集区等，保证前后视距对称而架设水准仪就显得非常困难[16-19]。采用数字水准仪在一定程度上测量效率和精度有很大的提高，但没有改变前后视距基本相等的作业方式，仍明确规定了前后视距差及视距累积差的观测限差[20]。杨义辉等将误差转化为高差改正数，对测量结果进行修正，以满足国家精密水准精度，但加大了内业工作量。因此，前后视距差的控制极大地限制水准测量的工作效率及应用[21]。

表1 国家等级水准测量视距要求Table 1 National level measurement range requirements

以精密水准测量为背景，采用“无线测距装置+精密计时装置+显示器+无线探测棱镜”的集成技术设计思路，基于无线测距原理，设计出了一种可以实时确定仪器位置的精密水准测量控制装置，准确找到架设仪器的有利位置，消除或削弱前后视距差所带来的误差，实现高精度的高程控制测量，进而提高整个工程的精度和效率。

1 精密水准测量控制装置原理

1.1 测距原理

雷达发射器将电磁能量辐射至大气中向前传播，电磁波遇到目标后，将沿着各个方向产生反射，一部分电磁能量反射回发射器的方向，被天线获取，形成电磁波的回波信号，获得目标的距离、方向等。如图1所示，为了测定目标的距离，准确测量从雷达发射时刻到接收回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从精密水准测量控制装置到无线探测棱镜往返的传播时间。根据电磁波的传播速度，可以确定目标斜距H(见式(1))，从传播回来的信号中获取角度信息a，可得到目标距离L(见式(2))

H=CT/2

(1)

L=Hcos(a)

(2)

式中C为电磁波在大气传播的光速，3×108m/s；T为电磁波在待测距离H上的往返传播所用的时间,s；H为精密水准测量控制装置至无线探测棱镜的斜距,m；a为电磁波信号与水平面的夹角,(°)；L为水准仪至水准尺的距离,m.

图1 精密水准测量无线测距原理Fig.1 Schematic of precision leveling wireless ranging

1.2 工作原理

文中设计的“无线测距装置+精密计时装置+显示器+无线探测棱镜”集成技术测量控制装置，结构设计简单，经过多次实验论证，在实际作业中灵活方便，能满足高精度测量需要和提高测量工作效率。

精密水准测量控制装置如图2～4所示，在水准仪的顶部中心位置安装精密水准测量控制装置，按下启动开关接通电源，上电复位后，微处理器根据显示器的通信命令，通过通信节点发送命令给电源控制节点，驱动发射单元，以雷达探测的方式同时向前后视无线探测棱镜发射无线探测信号，接收处理单元接收回波信号的同时，计时器记录电磁波信号往返传播的时间，将2次信号的时间间隔通过通信节点传递给微处理器，微处理器对数据进行处理，通信节点将结果传给显示屏以供测量应用。

图2 精密水准测量控制装置原理Fig.2 Schematic of the precision leveling measurement and control device

图3 内部结构示意Fig.3 Schematic of the internal structure

图4 外部结构示意(俯视)Fig.4 Schematic of the external structure(top view)

2 精密水准测量控制装置设计

精密水准测量控制装置由无线测距模块、精密计时单元、无线探测棱镜及其他元件组成。

2.1 无线测距模块

无线测距模块是整个装置的第一核心部件，主要包括无线发射及驱动单元、无线接收及回波控制单元、主控单元和通信单元。

无线发射及驱动单元通过单片机通信接口发出发射信号，驱动单元完成无线电波的发射；无线接收及回波控制单元，利用接收单元把无线探测棱镜反射回来的回波信号转换为电流信号，通过带通滤波单元，将所需频段之外的信号滤除，便于后期有效信号处理，利用信号放大单元对有用信号进行放大，提高信号的增益范围，最后解调单元将放大的电信号解调满足主控单元的信号处理要求；主控单元由单片机和外围电路组成，完成对各个单元的控制和响应；通信单元实现收发单元、主控单元、计时单元和显示单元之间的通信。

2.2 精密计时单元

精密计时单元TDC-GP2[22-24]是整个装置的第二核心部件，其计时精度达到10-12s.上电复位之后，单片机首先对计时芯片内部的相关功能寄存器进行初始化，然后启动发射单元，向目标发射无线信号的同时，向TDC-GP2发出电信号，计时启动；在接受回波信号的同时向TDC-GP2发出另一个电信号，计时结束；计时芯片将2次电信号之间的时间间隔由通信接口发送给单片机，数据处理后，通过单片机输出端把结果传递给显示器。

2.3 无线探测棱镜

无线探测棱镜是整个测距的第三核心部件，包括棱镜及可拆卸的固定块，将棱镜安装在水准尺顶部的可拆卸固定块中，可以更好地接收无线信号。

2.4 其他元件设计

4G存储器主要预先存储各等级规范及棱镜对电磁波的反射幅值和信号频段；信号发射和接收指示灯在光线不利的条件下，便于测量人员查看发射器及接收器是否正常工作；TM87PS38N单片机主要是通信、测量数据处理及数据的传递，提高计时系统的数据处理速度等[21]；显示器由标准的按键、2寸LED液晶显示屏组成；12 V锂电池。

3 精密水准测量控制装置设计方案

文中解决的问题主要针对现有技术的不足，通过运用无线电磁波测距，使其能够达到实时测距的目的，准确找到架设仪器的有利位置，消除或削弱前后视距差超限所带来的误差，实现高精度的高程测量，进而提高整个测量的精度和效率。

3.1 装置电路

精密水准测量控制装置电路原理如图5所示，主要包括电源控制电路、单片机电路、显示控制电路、通信电路、无线收发电路和计时电路。其中，单片机电路实现控制功能；无线收发电路实现对无线电波的发射和接收；电源控制电路实现对整个装置控制和供电；显示控制电路和通信电路实现控制和传递信息；计时电路提供可靠的时间间隔。

图5 电路原理Fig.5 Schematic of the circuit

3.2 装置设计方案

精密水准测量控制装置设计方案如图6所示：设计一种实时测距的装置。其中精密水准测量控制装置主要包括TM87PS38N单片机、精密计时单元TDC-GP2、无线发射及驱动单元、无线接收及回波控制单元；无线接收及回波控制单元主要包括依次连接的收发天线、滤波单元、信号放大单元和解调单元。单片机通过通信端口与存储单元和计时单元相接，存储单元输出端接有向前后视无线探测棱镜发射电磁波信号的发射单元，单片机的输入端接有依次连接的收发天线、滤波单元、信号放大单元和解调单元，单片机的输出端与显示器的信号输入端相连接，启动开关串联在显示器信号输入端的供电回路中。

4 实验与例证

为验证精密水准测量控制装置的可行性和正确性，在某工程的大桥进行实验，线路位于冲积平原，大部分穿越农田，其他为旱地，测量人员4人，使用徕卡精密水准仪DS1，测试场地以6个稳定的水准点构成精密水准控制网，观测方式采用“后-前-前-后”进行施测[25-26]，如图7所示。

图6 精密水准测量控制装置Fig.6 Precision leveling measurement control device

为了对上述结果准确验证，利用布设的2个已知基准点A和O，进行附和水准测量，结果见表3.经过验证，附和水准测量精度和测量效率的提高与闭合水准呈现一致。

表2 闭合水准实验结果Table 2 Closed level test results

表3 附和水准实验结果Table 3 Annexed leveling test results

图7 精密水准路线Fig.7 Precise leveling roadmap

5 结 论

1)精密水准测量中，高程测量精度及测量效率主要取决于前后视距是否对称，采用集成设计思路的精密水准测量控制装置，可以实时获取前后视距差，快速确定仪器位置，高程测量精度和测量效率得到大幅度提高；

2)精密水准测量控制装置设计结构新颖，使用灵活便捷。在相同观测条件下，与传统水准测量对比发现，测量精度平均提高7.3%，测量效率平均提高23.6%，前后视距差能更好的控制在限差范围内，达到国家精密水准测量的精度要求，拓展了精密水准测量的应用领域。