帶對講功能的全站儀研究與開發*

黃好江 黃犀

柳州鐵道職業技術學院 廣西 柳州 545616

引言

全站儀是一種測量儀器，用于確定地理空間位置和角度。它通過測量儀器旋轉時水平和垂直方向的角度變化，以及測量目標點與儀器之間的距離來確定目標點的坐標位置[1]。角度測量利用內置的水平儀和垂直儀，通過光學傳感器和反射器的相對位置來實現[2]。距離測量使用非接觸式測距技術，如相位測距法或時間飛行法。全站儀內部的數據處理單元負責處理測量數據，并計算出目標點的坐標[3]。通過結合角度和距離測量，全站儀能夠提供高精度的地理空間位置和角度信息，廣泛應用于土地測量﹑建筑工程和地理信息系統等領域。

在進行測繪工作時，對講機是一種至關重要的通信工具，發揮著多方面的作用[4]。它實現了團隊成員之間的即時溝通和協調，提高了工作效率。對講機還提供了安全保障，使團隊成員能夠隨時報告工作情況﹑求助或匯報緊急情況，確保團隊成員的安全。對講機的使用還有助于提高工作協調性和團隊合作能力，通過交流，團隊成員能夠更好地協調工作進程﹑統一行動和分配任務。綜上所述，對講機在測繪工作中扮演著重要的角色，它是現代測繪工作中不可或缺的一部分。

1 技術發展及背景

早期的光學速測儀主要依靠光學原理進行測量，例如 Wild T2和Carl Zeiss T16等型號，這些產品由Wild公司和Carl Zeiss公司制造。這些光學速測儀采用了精密的光學儀器和機械結構，通過觀察和測量儀器上的刻度盤和測距儀等部件來確定目標的位置和距離[5]。

隨著電子技術的發展，光學速測儀逐漸向電子速測儀過渡。其中一款標志性產品是Leica TCR805 Power Total Station，由Leica Geosystems公司于1995年制造。該電子速測儀集成了電子測角﹑電子測距和數據處理功能，利用光學傳感器和電子設備實現測量過程的自動化。它具備更高的測量精度和操作便利性，大大提高了測量效率和數據處理能力[6]。

另一個重要的里程碑是Trimble 5600系列Total Station，由Trimble Inc.于2002年推出。這個系列包括多個型號，如Trimble 5603﹑5605和5606等。它們采用了先進的電磁波測距技術和角度傳感器，實現了無接觸式測量，消除了機械部件的摩擦和磨損。該系列電子速測儀具有更大的測量范圍﹑更高的測量速度和更高的精度，進一步提升了測量的準確性和效率。隨著技術的不斷發展，現代電子速測儀進一步融合了全球定位系統（GPS）﹑無線通信和計算機技術，實現了更高級別的自動化和數據集成。例如，Leica TS16 P 3” R500 Total Station和Trimble S9 Total Station等產品，它們由Leica Geosystems和Trimble Inc.制造，結合了先進的電子傳感器﹑自動化功能和數據處理能力，成為當前測繪領域中最先進和高效的測量設備之一。這些電子速測儀在測量精度﹑測量速度和操作便捷性方面取得了顯著的進步，推動了測繪技術的發展和應用[7]。

全站儀概念最早由瑞士公司Wild Heerbrugg（現為Leica Geosystems）在20世紀70年代提出，最早的商用全站儀是Wild T1。全站儀的引入標志著測量技術的重大突破，將光學測量和電子技術相結合，實現了角度和距離的自動化測量，并提供實時顯示和記錄功能。相比之下，半站儀只能實現角度的測量，需要配合其他設備進行距離測量[8]。全站儀與半站儀相比，具有明顯的優勢。首先，全站儀集成了距離測量功能，可以通過激光或電波實現非接觸式測距，提高了測量的準確性和效率。其次，全站儀具備自動目標追蹤和自動測量功能，能夠快速捕捉目標并進行測量，減少了操作人員的工作量和測量時間。此外，全站儀還具備數據存儲﹑導出和處理功能，可以進行實時數據處理和分析，提高了測量的可靠性和靈活性。

因此，全站儀已成為現代測量領域中最為常用和重要的測量工具之一，廣泛應用于土地測量﹑工程測量和建筑測量等領域。

將對講機功能集成到全站儀中就能提高工作效率和便利性。在傳統情況下，全站儀和對講機需要分開攜帶和操作，增加了工作復雜性和時間成本。而通過將對講機功能融入全站儀，可以簡化操作流程，節省人員攜帶多個設備的負擔。集成對講機功能的全站儀具備了即時通訊和遠距離傳話的能力，有效提升了團隊成員之間的溝通和協作效率。在測量工作中，團隊成員可以通過對講機功能進行實時交流，快速協調工作進程，共享測量數據和信息。這有助于減少誤解和溝通障礙，提高工作的準確性和效率。此外，集成對講機功能還能減少設備成本和維護工作。單獨配備對講機需要額外購買和維護獨立的設備，增加了成本和管理負擔。而將對講機功能整合到全站儀中，可以避免額外的設備投資和維護工作，降低了成本和管理復雜性。將對講機功能融入全站儀的一體化設計，能夠提高工作效率，簡化操作流程，加強團隊協作能力，降低設備成本和維護工作量。這樣的改進措施不僅提升了測量工作的整體效能和經濟效益，也提供了更便利和高效的工作環境，滿足了現代測量施工需求的要求。

2 實驗路線

在確定技術路線初期，對比了調頻與公眾對講機作為全站儀的對講功能。公眾對講機相對于調頻對講機來說具有以下優勢：首先，公眾對講機價格更經濟實惠，適合學校教學測量等簡單應用場景；其次，公眾對講機無須頻率申請和頻譜管理，操作簡單，符合法規要求；第三，公眾對講機適用于短距離﹑簡單通信的場景，與學生短距離的測量傳話需求相符；最后，公眾對講機的使用更為便利，無須頻率設置和調試。然而，需要注意的是，公眾對講機通信頻道有限且容易受干擾，對通信質量和保密性要求較高的場景可能不適用。選擇公眾對講機作為全站儀的對講功能，主要是用以滿足學校教學測量的簡單通信需求，并兼顧經濟實惠﹑法規要求和使用便利性。

本次試驗采用的是調幅式傳話裝置，兩端均具有發射接收信號的能力。采用6.5VDC直流電源供電，實測無遮擋使用范圍在250~300m之間。全站儀設備外觀如圖1所示。

3 實驗電路

為實現全站儀的對講功能，需要在原設備基礎上新增發射電路與接收電路，發射及接收電路掛載在全站儀主電路板外，另棱鏡端也配置一套相同的發射與接收電路。發射電路如圖2所示，接收電路如圖3所示。

圖3 接收電路

在發射狀況下，喇叭用作麥克風使用，產生的音頻信號經過Q2﹑Q3﹑Q4放大電路。Q1集電極至射極有33pF電容產生振蕩，基極的27MHz振蕩水晶為諧振，Q1的電源經過線圈提供。產生的音頻對Q1射頻的調幅調變。27MHz信號調幅射頻經由射頻變壓器轉換低阻以匹配天線輸出。接收射頻信號，由與天線信號匹配的2匝線圈電感器與15pF電容諧振接收，過濾出信號，并經由線圈耦合至次級9匝線圈，再經由基極接地的Q1射頻放大至射級輸出，并利用射級與基極間的二極管檢波特性，解調出音頻信號。到Q2音頻放大，再經Q3﹑Q4音頻放大，再經過變壓器阻抗轉換以推動喇叭負載。

4 實驗結果

在空曠﹑低矮灌木﹑矮墻隔斷等多種條件下對全站儀的通信功能進行檢測，經實驗并多次調試，確認該改裝的全站儀指定距離范圍內能夠實現對講功能，但在部分情況下的信號存在噪音干擾，大部分條件下對正常對講交流的影響較小。

本次實驗采用公頻對講的形式，如果用調頻對講作為對講方式，相比公頻對講，能帶來以下一些好處。首先，調頻對講具有更高的傳輸質量和穩定性。它采用頻率調制技術，可以在更廣泛的頻率范圍內進行通信，減少干擾和信號衰減的可能性，提供更清晰﹑穩定的語音傳輸效果。其次，調頻對講具有更高的隱私性和安全性。由于調頻對講使用特定的頻率和編碼方式，他人難以竊聽或干擾通信內容，提供更安全的通信環境。此外，調頻對講可以實現更大范圍的通信距離，具備更廣闊的覆蓋能力，適用于需要遠距離通信的場景。此外，調頻對講還支持更多的通信功能和擴展選項，例如組呼﹑單呼﹑短信傳輸等，可以滿足不同應用需求。綜上所述，調頻對講相比公眾對講具有更高的通信質量﹑隱私性﹑覆蓋范圍和功能擴展能力，適用于一些對通信質量和安全性有較高要求的應用場景。

此外，添加對講模塊對全站儀的續航存在一定的影響，測試中的全站儀電量下降速度增快約5%，實際使用過程中感知并不強。但是需要額外在棱鏡模塊中添加電路元器件與電池組，增加了該部分的攜帶重量，長期手持容易疲勞，后續擬將電池與電路集成到手持桿內進行優化。

5 結束語

綜合來看，將對講機功能融入全站儀的一體化設計能夠提高測量工作的整體效能和經濟效益，提供更便利和高效的工作環境，滿足現代測量施工需求的要求。本文進行了一些現場實地測試，模擬了在實際測量工作中需要使用對講機的場景。我們測試了對講機在不同環境條件下的音頻傳輸質量和通信距離，并評估了其對全站儀測量性能的影響。實驗結果表明，集成對講機功能并沒有對全站儀的測量準確性和穩定性造成不良影響。

下一步將考慮將對講機的音頻輸入輸出接口與全站儀的系統集成在一起。這種集成的設計保證了對講機功能可以無縫地與全站儀進行通信和控制。

將對講機功能加入全站儀是可行的。這種整合能夠為現場測量工作提供更便利的通信手段，增強團隊合作和協調能力，并提高測量工作的效率和準確性。這一改進措施能夠促進測繪技術的進步，為相關領域的發展和應用帶來了更多可能性。