全站仪使用中的几个问题的探讨
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- 1 - 影响全站仪测距精度的几个问题的探讨
洪淮斌
摘 要 全站仪已广泛应用于工程施工测量，由于各种原因，技术人员在工作
中常常存在一些认识或操作上的误区，忽视对全站仪测距精度有很大影响的一些因
素，本文对这些问题进行总结、探讨。
关键词 工程测量 全站仪 测距精度 问题
工程施工中，全站仪的使用改变了传统测量方式，减小甚至克服了使用光学测量
仪器所无法避免的一些误差，大大提高了测量精度，同时，随着高精度全站仪的日趋
“平民化”，用于施工测量的全站仪普遍为Ⅰ级仪器（测距中误差＜5mm），这些使得
技术人员常常忽视《工程测量规范》中规定的、看似无足轻重实际上对测距精度影响
很大的因素，如：气象改正、三角高程往返测、棱镜常数设置等。对于一般工程的测
量，忽视这些影响因素也能满足工程施工的精度要求，但是，在高山地区或进行长大
桥、隧控制测量时，如果不考虑这些因素的影响，测量成果的精度将会大大降低，甚
至带入粗差，给构（建）筑物的定位带来较大的影响，难以满足规范的精度要求。 本文将对工程测量中常见的影响全站仪测距精度的问题进行总结、探讨。
一、 气象改正
全站仪是利用光波在大气中的传播速度C为
已知这一特性，通过测定光波在被测距离上往返
传播的时间来求得距离值的。如图1所示，假设
载波往返传播的时间为t，则AB的距离
tCS
21
。由此可见，全站仪测距准确与否，除
了传播时间t，还与载波在大气中的传播速度C密切相关。
第10届国际计量大会定义光波在真空中的传播速度C
0=299792458 m/s，它可以
认为是一个无误常数。但是，我们所需要的是光波在大气中的传播速度。由于大气折
射的影响，光波在大气中的传播速度并不等于其在真空中的传播速度，也不是一个恒
定值，而是随大气折射率的不同而变化。大气折射率又随大气压、温度、湿度及气体
成分的不同而变化，其中主要的影响因素是大气压和温度，根据经验公式：
大气折射率
25.1013)1()1(
10
tPn
n
式中：与进口全站仪、气压计的默认单位一致，大气压P的单位以hPa
计,1hPa=0.75mmHg；温度t的单位以℃计；α为空气膨胀系数，取1/273.15；n
0为图 1AB全站仪反射镜
红外光波(载波) - 2 - 标准气象条件下（t=0℃，P=1013.25hPa）的大气折射率，根据科希公式：
7
42010)136.05288.163
04.2876(1
n（λ为光波波长，单位以μm计）。
全站仪设计时是以固定的真空光速和测尺长度在某一气象条件（仪器的气象参考
点）的折射率为基准来确定调制频率，使此条件下测得的距离为标准距离。实际作业
时，应将实际气象条件下的大气折射率n与仪器气象参考点的折射率
基n相比较，计
算出折射率改正值，从而得出距离改正值S，即通常所说的气象改正值。
S
tPn
tPn
SnnS
25.1013)1()1(
25.1013)1()1(
00
基基
基
例如，TOPCON GTS-601全站仪采用的载波波长λ=0.82μm，气象参考点为：t
基
=15℃、P
基=1013.25hPa，由科希公式得n
0=1.000295022，则：
6
10
15.2735315.79
664.279
SP
tS
通过对上式求微分，可以计算出该仪器在气象参考点1km的距离上，温度变化1℃
所产生的测距误差为0.97mm，大气压变化1hPa所产生的测距误差为0.28mm。为了直
观地加以说明，现以采用TOPCON GTS-601全站仪施测的赣龙铁路山尾旗隧道控制导
线的测量成果为例，计算测距的气象改正值（表1）。
表1 全站仪测距气象改正值计算表
测站气压
（hPa） 测站温度
（℃） 实测平距
（m） 气象改正值
（mm）
1 922 24 502.5402 16.5
2 922 24 909.6790 29.9
3 930 25 885.5142 28.0
4 932 24 622.1985 18.8
5 936 24 747.8025 21.8
6 946 16 406.0553 7.9
由此可见，对于工程控制测量来说气象改正是不可忽略的因素，尤其是长基线或
在高温天气、高海拔地区，要严格执行《工程测量规范》的规定：“当测四等及以上
的边时，应量取两端点的测边始末的气象数据，计算
时应取平均值”，在测距前量取实际的大气压和温度，
并输入到全站仪中直接进行改正。
二、 棱镜常数设置
由于不同介质的折射率不同，全站仪载波信号在
棱镜中传播的速度与在大气中的传播速度也不同，为
了准确计算距离，就必须知道载波信号在棱镜中传播支架竖轴
棱
镜
等
效
零
位
b
a载波信号
图 2N ·a／N
GR - 3 - 的时间差。如图2所示，棱镜在设计时根据全站仪所采用的载波波长，计算了一个等
效的棱镜“零位”，据此推算出棱镜的绝对常数。 棱镜的绝对常数
)(ba
NN
RG
式中：
GN、
RN分别为载波在棱镜和大气中的折射率；a、b分别为棱镜前平面
到棱镜锥顶和支架竖轴的距离。
此外，有的棱镜支架设计了两种不同的装配方式，如TOPCON有一型号的支架正、
反面均可以安装棱镜，棱镜常数分别是0和-30，相差30mm。
因此，测距前一定要详细了解相配套的棱镜型号、棱镜常数及支架的装配方式，
以免给测量成果带入粗差。如需使用不同的棱镜，测距前应参照有关规范、说明书仔
细测量棱镜的常数。
三、 全站仪三角高程往返测问题
地球表面近似于一个圆球面，由于球差的影响，当地面上两点间达到一定距离后
就互不通视了。此外，地球表面的大气密度分布的总规律是下密上稀，由于气差的影
响，全站仪发射的载波信号在大气中传播时必然产生连续折射，形成弯向地面的曲线。
球差和气差对高程测量的影响值：
22
3.141
21
SS
RK
V
式中：R为地球平均曲率半径，取6371km；K为大气垂直折光系数，取0.11；S
为两点间的距离，单位为km，工程测量的控制点间距离一般较短，相对于地球平均
曲率半径是个微小量，故可用平距代替斜距。
此外，在高山地区，当测点平均高程较大，且测点间高差也较大时，还应考虑投
影到参考椭球面或测区平均高程面对高差的影响值：
)
2(
22
Ry
RH
hhmm
式中：h
为两测点间高差；
mH为两测点平均高程；
my为两测点在高斯平面上投
影象的横坐标平均值。
假设S=500m，
mH=500m，h
=100m，
my=300km，由上两式得：V
=0.017m，
h
=-0.103m，这对工程控制测量来说是不可忽略的影响值。
通过实验发现，K值随大气压和温度的不同而变化，在中午前后最小，也较稳定，
而且K值是小于1的数值，即V
恒为正值。如果选择观测条件大致相同，特别是同一
时间作往返观测，可以近似地认为K值是相同的，即V
值是相同的。对于同一测距边， - 4 - 往返测量时h大小相等，符号相同。由往返观测三角高程计算公式2/)(
返往hhh可
知，V和h对三角高程的影响值可以通过往返测量相互抵消。由此可见往返测量对
全站仪三角高程测量的重要性，在实际测量中要认真执行《工程测量规范》的规定：
“四、五等光电测距三角高程测量每条边进行对向观测”，以保证控制点高程的精度。
四、 加常数和乘常数与固定误差和比例误差的区别
(一) 加常数和乘常数
工程上使用的全站仪大多采用相位法测距，即通过测量仪器发出的连续正弦电磁
波信号在被测距离上往返传播所产生的相位差，推算出载波传播时间，从而求得距离
S。测距的主要误差来源有：大气折射率的误差、测尺频率的误差、相位的误差以及
加常数的误差等，按其性质可划分为三类：①与被测距离无关的误差，通称为加常数
C；②与被测距离成正比的误差，通称为乘常数R；③周期误差
AS。这些误差都属
于系统误差，需要在观测值中加以改正，计算公式：
)2sin(1
0
S
ACRSSSRCSS
A
式中：S为经气象改正后的距离；A为周期误差振幅；
0
为周期误差初相角；为
测尺长度。除了测尺长度需查阅仪器说明书外，各项参数都可以在计量部门出具的“检
定证书”中查到，如表2。
由于电子元件老化等因素的影响，仪器使用一段时
间后上述各项误差指标都会发生较大变化，这将给测距
结果带来不小的影响，因此，要严格执行《工程测量规
范》的规定：“用于控制测量的光电测距仪每年应送计
量检定单位检定一次”。当测距精度要求较高时，如隧
道控制测量，应根据计量检定结果对实测距离加以改
正，特别是加、乘常数改正。
(二) 固定误差和比例误差
全站仪测距除了上述系统误差外，还存在着偶然误
差，如气象参数测定的误差、发射光束不均匀的误差以
及仪器对中的误差等等。根据统计分析，这些误差中部
分表现出与测量距离无关的特性，通称为固定误差，用a表示，单位为mm；部分表
现出与测量距离有关的特性，通称为比例误差，用b表示，单位为ppm，即10-6
m。
固定误差和比例误差就是通常所说的标称精度：)(Dba，
是生产厂家根据对表 2
