基本结构与原理

出处：按学科分类—工业技术 中国建材工业出版社《工程测量实用技术手册》第491页（2513字）

全站仪(Total Station)的学名为电子速测仪(Electrouic Tacheometer)，是一种兼有电子测距、电子测角、计算和数据自动记录及传输功能的自动化、数字化的三维坐标测量与定位系统。它广泛应用于控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量和海洋定位等方面。

1．全站仪的结构组成

全站仪融光、机、电等先进技术于一身，整个系统的主要构成包括：

1)电子测距单元，外部称之为测距仪。

2)电子测角及微处理器单元，外部称之为电子经纬仪。

3)电子记录单元或称存储单元。

图18－100是以徕卡TPS1000系统为代表的全站仪结构组成示意图。其电子部分主要是主板、存储卡板和电动机。主板是系统的核心，确保角度测量、电动机功能和输入／输出部分的正常工作。从总体上看，全站仪又可以分为以下两大部分：

图18－100 自动全站仪结构组成框图

①为采集数据而设置的专用设备。主要有电子测角系统、电子测距系统、数据存储系统，还有自动补偿设备等。

②过程控制机。主要用于有序地实现上述每一专用设备的功能。过程控制机包括与测量数据相联接的外围设备及进行计算、产生指令的微处理机。只有上面两大部分有机结合，才能真正体现“全站”功能——既要自动完成数据采集，又要自动处理数据和控制整个测量过程。

图18－101是全站仪电子系统的原理框图。若将自动全站仪方框图中测距、电动机板EDM接口部分去掉即为电子经纬仪。由此可见，实质上全站仪就是电子经纬仪与测距仪的完美组合。全站仪的光路和电路结构比电子经纬仪复杂。电子元件全为贴片元件，均采用多层线路板表面安装技术。通常全站仪的控制数据处理程序为封闭式(使用者无法修改)。现在有一种尼康全站仪为开放式控制程序，使用者可根据自己要求进行编程。

图18－101 全站仪电子系统的原理框图

2．全站仪测量原理及分类

全站仪按其结构可分为整体型和积木型两类。

(1)整体型(Integrated)

整体型，也称集成式，它是把测距、测角与电子计算单元和仪器的光学、机械系统设计成一个整体，不可分离。

(2)积木型(Modular)

积木型，也称作组合型，它是把电子测距仪(又称测距头)、电子经纬仪(简称半站仪)作为一个独立的整体，既可单独使用，又可组合在一起使用。

在全站仪发展初期，半站型电子速测仪较为普及。半站仪是一种以光学方法测角的电子速测仪，它也分为整体型与积木型两种。它工作时，通常情况下是在光学经纬仪上架装测距仪，再加上计算记录部分组成仪器系统，即形成积木型半站仪。此外还有将光学经纬仪与电子测距仪设计成一台独立的仪器，表面上很像整体型全站仪，实际上却是整体型半站仪。在使用半站仪时可将光学角度读数通过键盘输入到测距仪里，对斜距进行化算，最后得出平距、高差、方向角和坐标差，这些结果都可以自动传输到外部记录设备中去。

全站仪的测距仪部分，是一种利用电磁波进行距离测量的仪器，因此，按载波和发射光源的不同，可分为三类：微波测距仪、激光测距仪、红外测距仪。20世纪90年代初，市场上的全站仪多为红外光作载波的相位式测距仪。到了90年代末，以红外激光作为载波的相位式全站仪和以激光作为光源的整体型脉冲式全站仪相继出现，不仅给全站仪家族增添了新的成员，同时也使以激光作为光源的全站仪和以红外光作光源的全站仪并驾齐驱。

如果按测程分类，测距仪可分为三类。

(1)短程测距仪

测程小于3km，一般测距精度为(±5m±5×10^－6D)，用于普通工程测量和城市测量。

(2)中程测距仪

测程为3～15km，一般测距精度为(±5m±2×10^－6D)～(±2m±2×10^－6D)，通常用于一般等级的控制测量。

(3)长程测距仪

测程大于15km，一般测距精度为(±5m±1×10^－6D)，通常用于三角网及特级导线测量。

随着GPS技术的迅速发展，作为长距离测量的微波测距仪激光测距仪，正在逐步退出历史舞台。特别是微波测距仪，目前市场上已不多见。而以激光和红外光作光源的全站仪，几乎全部为中、短程测距仪。

按照我国国家计量检定规程的规定，全站仪中电子测距仪和电子经纬仪的准确度等级划分见表18－17。

表18－17 全站仪的精准等级

注：测角标准偏差实为一测回水平方向标准偏差：m₀为1km测距标准偏差。