姜友誼，曾 致，胡亞軒，秦世民，黎 曉

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

0 引 言

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

精密水準(zhǔn)測(cè)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(lái)源，為減小這種誤差，均要求測(cè)站前后視距差及前后視距累積差控制在國(guó)家等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范內(nèi)(見(jiàn)表1)[13-15]。迄今為止，水準(zhǔn)測(cè)量的外業(yè)工作強(qiáng)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(duì)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(cè)量效率和精度有很大的提高，但沒(méi)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(cè)限差[20]。楊義輝等將誤差轉(zhuǎn)化為高差改正數(shù)，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行修正，以滿足國(guó)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(cè)量的工作效率及應(yīng)用[21]。

表1 國(guó)家等級(jí)水準(zhǔn)測(cè)量視距要求Table 1 National level measurement range requirements

以精密水準(zhǔn)測(cè)量為背景，采用“無(wú)線測(cè)距裝置+精密計(jì)時(shí)裝置+顯示器+無(wú)線探測(cè)棱鏡”的集成技術(shù)設(shè)計(jì)思路，基于無(wú)線測(cè)距原理，設(shè)計(jì)出了一種可以實(shí)時(shí)確定儀器位置的精密水準(zhǔn)測(cè)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(lái)的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的高程控制測(cè)量，進(jìn)而提高整個(gè)工程的精度和效率。

1 精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置原理

1.1 測(cè)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(gè)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(hào)，獲得目標(biāo)的距離、方向等。如圖1所示，為了測(cè)定目標(biāo)的距離，準(zhǔn)確測(cè)量從雷達(dá)發(fā)射時(shí)刻到接收回波時(shí)刻的延遲時(shí)間，這個(gè)延遲時(shí)間是電磁波從精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置到無(wú)線探測(cè)棱鏡往返的傳播時(shí)間。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)斜距H(見(jiàn)式(1))，從傳播回來(lái)的信號(hào)中獲取角度信息a，可得到目標(biāo)距離L(見(jiàn)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(cè)距離H上的往返傳播所用的時(shí)間,s；H為精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置至無(wú)線探測(cè)棱鏡的斜距,m；a為電磁波信號(hào)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(cè)量無(wú)線測(cè)距原理Fig.1 Schematic of precision leveling wireless ranging

1.2 工作原理

文中設(shè)計(jì)的“無(wú)線測(cè)距裝置+精密計(jì)時(shí)裝置+顯示器+無(wú)線探測(cè)棱鏡”集成技術(shù)測(cè)量控制裝置，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)論證，在實(shí)際作業(yè)中靈活方便，能滿足高精度測(cè)量需要和提高測(cè)量工作效率。

精密水準(zhǔn)測(cè)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(cè)量控制裝置，按下啟動(dòng)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(guò)通信節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令給電源控制節(jié)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)發(fā)射單元，以雷達(dá)探測(cè)的方式同時(shí)向前后視無(wú)線探測(cè)棱鏡發(fā)射無(wú)線探測(cè)信號(hào)，接收處理單元接收回波信號(hào)的同時(shí)，計(jì)時(shí)器記錄電磁波信號(hào)往返傳播的時(shí)間，將2次信號(hào)的時(shí)間間隔通過(guò)通信節(jié)點(diǎn)傳遞給微處理器，微處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通信節(jié)點(diǎn)將結(jié)果傳給顯示屏以供測(cè)量應(yīng)用。

圖2 精密水準(zhǔn)測(cè)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(cè)量控制裝置設(shè)計(jì)

精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置由無(wú)線測(cè)距模塊、精密計(jì)時(shí)單元、無(wú)線探測(cè)棱鏡及其他元件組成。

2.1 無(wú)線測(cè)距模塊

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

無(wú)線發(fā)射及驅(qū)動(dòng)單元通過(guò)單片機(jī)通信接口發(fā)出發(fā)射信號(hào)，驅(qū)動(dòng)單元完成無(wú)線電波的發(fā)射；無(wú)線接收及回波控制單元，利用接收單元把無(wú)線探測(cè)棱鏡反射回來(lái)的回波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，通過(guò)帶通濾波單元，將所需頻段之外的信號(hào)濾除，便于后期有效信號(hào)處理，利用信號(hào)放大單元對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行放大，提高信號(hào)的增益范圍，最后解調(diào)單元將放大的電信號(hào)解調(diào)滿足主控單元的信號(hào)處理要求；主控單元由單片機(jī)和外圍電路組成，完成對(duì)各個(gè)單元的控制和響應(yīng)；通信單元實(shí)現(xiàn)收發(fā)單元、主控單元、計(jì)時(shí)單元和顯示單元之間的通信。

2.2 精密計(jì)時(shí)單元

精密計(jì)時(shí)單元TDC-GP2[22-24]是整個(gè)裝置的第二核心部件，其計(jì)時(shí)精度達(dá)到10-12s.上電復(fù)位之后，單片機(jī)首先對(duì)計(jì)時(shí)芯片內(nèi)部的相關(guān)功能寄存器進(jìn)行初始化，然后啟動(dòng)發(fā)射單元，向目標(biāo)發(fā)射無(wú)線信號(hào)的同時(shí)，向TDC-GP2發(fā)出電信號(hào)，計(jì)時(shí)啟動(dòng)；在接受回波信號(hào)的同時(shí)向TDC-GP2發(fā)出另一個(gè)電信號(hào)，計(jì)時(shí)結(jié)束；計(jì)時(shí)芯片將2次電信號(hào)之間的時(shí)間間隔由通信接口發(fā)送給單片機(jī)，數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)單片機(jī)輸出端把結(jié)果傳遞給顯示器。

2.3 無(wú)線探測(cè)棱鏡

無(wú)線探測(cè)棱鏡是整個(gè)測(cè)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(wú)線信號(hào)。

2.4 其他元件設(shè)計(jì)

4G存儲(chǔ)器主要預(yù)先存儲(chǔ)各等級(jí)規(guī)范及棱鏡對(duì)電磁波的反射幅值和信號(hào)頻段；信號(hào)發(fā)射和接收指示燈在光線不利的條件下，便于測(cè)量人員查看發(fā)射器及接收器是否正常工作；TM87PS38N單片機(jī)主要是通信、測(cè)量數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)的傳遞，提高計(jì)時(shí)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(cè)量控制裝置設(shè)計(jì)方案

文中解決的問(wèn)題主要針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，通過(guò)運(yùn)用無(wú)線電磁波測(cè)距，使其能夠達(dá)到實(shí)時(shí)測(cè)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(lái)的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的高程測(cè)量，進(jìn)而提高整個(gè)測(cè)量的精度和效率。

3.1 裝置電路

精密水準(zhǔn)測(cè)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(jī)電路、顯示控制電路、通信電路、無(wú)線收發(fā)電路和計(jì)時(shí)電路。其中，單片機(jī)電路實(shí)現(xiàn)控制功能；無(wú)線收發(fā)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)線電波的發(fā)射和接收；電源控制電路實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)裝置控制和供電；顯示控制電路和通信電路實(shí)現(xiàn)控制和傳遞信息；計(jì)時(shí)電路提供可靠的時(shí)間間隔。

圖5 電路原理Fig.5 Schematic of the circuit

3.2 裝置設(shè)計(jì)方案

精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置設(shè)計(jì)方案如圖6所示：設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)測(cè)距的裝置。其中精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置主要包括TM87PS38N單片機(jī)、精密計(jì)時(shí)單元TDC-GP2、無(wú)線發(fā)射及驅(qū)動(dòng)單元、無(wú)線接收及回波控制單元；無(wú)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(hào)放大單元和解調(diào)單元。單片機(jī)通過(guò)通信端口與存儲(chǔ)單元和計(jì)時(shí)單元相接，存儲(chǔ)單元輸出端接有向前后視無(wú)線探測(cè)棱鏡發(fā)射電磁波信號(hào)的發(fā)射單元，單片機(jī)的輸入端接有依次連接的收發(fā)天線、濾波單元、信號(hào)放大單元和解調(diào)單元，單片機(jī)的輸出端與顯示器的信號(hào)輸入端相連接，啟動(dòng)開關(guān)串聯(lián)在顯示器信號(hào)輸入端的供電回路中。

4 實(shí)驗(yàn)與例證

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

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

為了對(duì)上述結(jié)果準(zhǔn)確驗(yàn)證，利用布設(shè)的2個(gè)已知基準(zhǔn)點(diǎn)A和O，進(jìn)行附和水準(zhǔn)測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表3.經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，附和水準(zhǔn)測(cè)量精度和測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 2 Closed level test results

表3 附和水準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)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(cè)量中，高程測(cè)量精度及測(cè)量效率主要取決于前后視距是否對(duì)稱，采用集成設(shè)計(jì)思路的精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置，可以實(shí)時(shí)獲取前后視距差，快速確定儀器位置，高程測(cè)量精度和測(cè)量效率得到大幅度提高；

2)精密水準(zhǔn)測(cè)量控制裝置設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)新穎，使用靈活便捷。在相同觀測(cè)條件下，與傳統(tǒng)水準(zhǔn)測(cè)量對(duì)比發(fā)現(xiàn)，測(cè)量精度平均提高7.3%，測(cè)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(guó)家精密水準(zhǔn)測(cè)量的精度要求，拓展了精密水準(zhǔn)測(cè)量的應(yīng)用領(lǐng)域。