В данной статье предпринимается попытка проследить историю технического развития и совершенствования, дать классификацию современных электронных тахеометров с точки зрения инженера-геодезиста, для которого главным является удобство работы и надежность получаемых результатов

А.А. Чернявцев («Геостройизыскания»)
В 1986 г. окончил аэрофотогеодезический факультет МИИГАиК по специальности «аэрофотогеодезия». Работал инженером отдела изысканий «ПромНИИпроект», ведущим инженером отдела изысканий предприятия «ПрИз». В настоящее время главный специалист компании «Геостройизыскания».

За последние десять лет электронный тахеометр стал привычным инструментом для проведения топографо-геодезических и землеустроительных работ и геодезического обеспечения строительства. В настоящее время продолжается объективный процесс сокращения использования оптических теодолитов за счет более широкого применения тахеометров. Электронный тахеометр не только новый геодезический прибор, это инструмент, оказавший и продолжающий оказывать наиболее заметное влияние на изменение технологий как полевых измерений, так и камеральной обработки полученных результатов. Эти универсальные, «умные» и надежные приборы уже имеют солидную историю создания и совершенствования конструкции, использования в различных видах работ, требующих точных и надежных измерений. В данной статье предпринимается попытка проследить историю технического развития и совершенствования, дать классификацию современных электронных тахеометров. При чем рассматривать эти вопросы мы будем не с точки зрения инженера-конструктора оптико-электронных приборов, а с точки зрения инженера-геодезиста, для которого главным является удобство работы и надежность получаемых результатов.

Рис. 1.

Начало массового использования в мире серийных электронных тахеометров относится к середине 80-х годов ХХ в. Благодаря неоспоримым преимуществам, которые предоставили новые приборы, тахеометры достаточно быстро оценили профессионалы и стали широко применять в геодезическом производстве. В настоящее время тахеометры одни из наиболее массово применяемых геодезических приборов и, уж точно, самые популярные.

Электронный тахеометр объединяет в себе возможности электронного теодолита и лазерного дальномера, имеет память для сохранения результатов измерений, обеспечен системой контроля и управления, снабжен встроенным программным обеспечением для решения большого числа геодезических задач (рис. 1). Рассматривая развитие отдельных функциональных составляющих, постараемся проследить этапы совершенствования прибора в целом.

Создание компактного устройства автоматического фиксирования угловых отсчетов и представления полученных результатов в цифровом виде стало большим достижением в области автоматизации топографо-геодезического процесса. Во-первых, отпала необходимость использования микроскопа при съемке отсчета; во-вторых, появилась значительная экономия времени; в-третьих, стало возможным снизить влияние случайных ошибок на результаты измерений, так как полностью исключалась ошибка наблюдателя при снятии отсчета.

Рис. 2.

Первые модели тахеометров имели относительную систему снятия отсчетов, которая давала надежные результаты, но требовала при каждом новом включении прибора проводить операцию индексации вертикального и горизонтального кругов. Дальнейшее развитие технологий позволило создать абсолютную систему отсчета, имеющую более компактную конструкцию и позволяющую приступать к измерениям сразу после включения прибора. Современные модели тахеометров снабжаются абсолютной системой отсчета с двумя симметрично расположенными датчиками. Такой подход позволяет исключить влияние некоторых видов систематических ошибок и делает конструкцию более удобной для эксплуатации и сервисного обслуживания.

Дальномерная часть
К моменту появления электронных тахеометров лазерные дальномеры были уже хорошо известны и широко использовались как самостоятельные геодезические приборы. Дальномеры имели тогда достаточно внушительные размеры и массу, сложные и громоздкие системы отражателей. Решение проблемы создания компактной дальномерной системы и одновременное объединение оптического канала дальномера и зрительной трубы теодолита стали первыми шагами на пути создания современного электронного тахеометра.

Для исполнителя основными техническими характеристиками при оценке дальномерной части тахеометра являются дальность и точность измерений. Если вопрос дальности (до 5 7 км) был решен достаточно быстро, то достижение современного уровня точности измерения расстояний (до (2+2 ppm x D) мм) стало возможным не так давно. Это потребовало совершенствования конструкции дальномера и применения новых алгоритмов обработки отраженного сигнала.

Рис. 3.

Во второй половине 90-х годов ХХ в. стали появляться модели тахеометров, снабженные безотражательными дальномерами. Приборы позволяли измерять расстояние непосредственно до предмета на местности без использования призменного отражателя. Гонка за точностью и дальностью измерений продолжается. Одни компании заявляют о создании приборов с возможностью измерения в безотражательном режиме расстояний до 500 м с точностью (3+2 ppm x D) мм, другие до 1200 метров, но с точностью (10+10 ppm x D) мм. Следует также учитывать, что при безотражательных измерениях важной характеристикой становится диаметр сечения лазерного луча. Чем тоньше луч, тем лучше. Тонкий луч снижает вероятность ошибочных измерений и позволяет исполнителю быть уверенным в том, что он отразился от нужной цели, а не от предмета-помехи.

Подводя некоторый итог, можно сказать, что дальномер современного тахеометра позволяет измерять большие расстояния с миллиметровой точностью в трех режимах: по призме, по специальной отражающей пленке и без отражателя.

Память для хранения результатов измерений
Первые модели электронных тахеометров не предусматривали возможности сохранения результатов измерений.

Рис. 4.

В лучшем случае имелся порт для подключения внешних устройств памяти. Развитие программного обеспечения для обработки результатов геодезических измерений обозначило проблему сохранения данных в полевых условиях в электронном виде. Уже к середине 90-х годов XX в. наличие встроенной памяти тахеометра стало своего рода стандартом. Автоматическое или полуавтоматическое сохранение данных позволило сократить время проведения полевых работ, исключить случайные ошибки исполнителя при записи вручную. Задача модернизации приборов не сводилась только к оснащению их памятью. Необходимо было обеспечить удобный процесс работы, разработать систему внесения примечаний и пояснений к измерениям, без которых невозможно разобраться в массиве сохраненных данных. Это повлекло за собой необходимость совершенствования системы управления тахеометром. Современные приборы, как правило, имеют встроенную память емкостью 10 20 тыс. измерений. В отдельных моделях стандартно или опционально предусмотрена возможность использования сменных карт памяти. Безусловно, в современной конструкции тахеометра остался порт для подключения внешних устройств, но внешняя память практически не используется. Порт необходим для двухсторонней связи с компьютером. Оснащение электронных тахеометров памятью позволило говорить о создании программно-аппаратных комплексов, которые значительно повысили производительность труда и усовершенствовали процесс обработки результатов измерений.

Система контроля и управления
Основными элементами системы контроля и управления работой прибора являются жидкокристаллический экран и клавиатура.

Рис. 5.

Первые модели приборов имели небольшие малоинформативные экраны, на которые нельзя было одновременно вывести измеренные значения углов и расстояния. Считывание происходило последовательно: сначала отображался горизонтальный угол, потом вертикальный, только затем расстояние. Управление прибором осуществлялось небольшим числом клавиш, достаточным для активизации любой из немногочисленных функций прибора (рис. 2). Расширяющиеся возможности электронных тахеометров потребовали совершенствования системы управления. В результате стали применяться многострочные экраны и многофункциональные клавиши (рис. 3). Значения функций располагались в нижней строке экрана непосредственно над клавишами, значения изменялись в зависимости от того, какой пункт меню был выведен на экран. Итак, одна и та же клавиша могла активизировать различные функции прибора: при настройке одни, при измерениях другие, при вводе данных третьи. В процессе эксплуатации выявились неудобства такого подхода: необходимо было проводить продолжительные манипуляции для поиска нужного пункта меню. Поэтому приборы начали снабжать дополнительными клавишами быстрого доступа к наиболее часто употребляемым функциям (рис. 4). Но даже такая технология не обеспечивала удобный ввод исходных данных, примечаний и кодов к измерениям. Поэтому стали применять специальные расширенные клавиатуры, расположенные непосредственно на приборе (рис. 5) или беспроводные клавиатуры дистанционного управления (рис. 6), которые позволяли не касаться прибора после наведения на цель, что очень важно при высокоточных измерениях.

Экраны современных моделей приборов стали более информативными. Кроме результатов измерений на них постоянно отображаются некоторые наиболее важные характеристики настройки прибора: вид режима измерения расстояния, поправка призмы, уровень заряда батареи и т. п.

Встроенное программное обеспечение

Рис. 6.

Встроенное программное обеспечение позволяет с помощью тахеометра получать готовые решения многих геодезических задач непосредственно в полевых условиях. Каждая модель прибора имеет собственный набор программ, которые условно можно подразделить на два вида: стандартный и расширенный. Стандартный включает в себя программы для решения наиболее распространенных задач: работа в координатах, определение недоступных расстояния и высоты, обратная комбинированная засечка, вынос координат в натуру, вычисление площади и т. п. Расширенный набор включает в себя стандартный с дополнительными программами: вынос в натуру сложных геометрических элементов, площадей, съемка фасадов зданий, уравнивание теодолитного хода и др.

Энергообеспечение
В качестве источника электропитания в электронных тахеометрах используются аккумуляторные батареи, которые должны отвечать трем основным требованиям: иметь достаточную (несколько часов) продолжительность работы, компактный размер и небольшую массу, большой ресурс циклов заряда-разряда. Наилучшим образом по этим показателям зарекомендовали себя литий-ионные батареи. Батарея или комплект батарей, входящих в состав поставки прибора, должны обеспечивать его работоспособность в течение рабочего дня. Основная батарея размещается в корпусе или на корпусе прибора. Конструкция большинства современных тахеометров предусматривает возможность подключения дополнительных внешних источников питания. Питание может осуществляться от аккумуляторных батарей большой емкости или от сети переменного тока через специальный адаптер.

Защита от воздействия окружающей среды
Современные модели электронных тахеометров имеют высокую степень пылевлагозащиты. Приборам не страшны дождь, снег и пыль. Степень защиты определяется по международному стандарту IES кодом IPxx. Например, код IP66 означает, что прибор пыленепроницаем и способен выдерживать воздействие сильных струй воды с любого направления.

Температурный режим работы
Большинство электронных тахеометров имеют температурный режим работы в пределах от +50 до 20 С. Верхний предел, как правило, полностью удовлетворяет пользователей, но нижний вызывает нарекания. Долгое время конструкторам не удавалось перешагнуть отметку в 20 С. Связанно это было со многими факторами. Приходилось учитывать температурный режим работы лазерного излучателя и жидкокристаллического экрана. Даже выбор смазки подвижных механических частей прибора с таким широким диапазоном рабочих температур вызывал затруднение. Но все проблемы были решены. В настоящее время геодезистам доступны модели приборов, работающие при 30 С и даже при 35 С (рис. 7).

Рис. 7.

Классификация электронных тахеометров
Из-за того, что каждая фирма-производитель подходит к формированию модельного ряда тахеометров по-своему, трудно провести классификацию сразу всех приборов. Существуют разные подходы к решению этой задачи, но наиболее распространенным является тот, при котором приборы весьма условно делят на три группы:
рутинные;
инженерные;
моторизованные, роботизированные.

Первая группа наиболее многочисленная. Для приборов, входящих в нее, характерно наличие необходимого минимума встроенных программ и нерасширенная клавиатура.

Приборы второй группы имеют более сложную конструкцию, их электронная часть создается на базе полноценных компьютерных процессоров. Такие тахеометры имеют расширенное программное обеспечение, дают возможность создания и использования собственных программ.

Название третьей группы говорит само за себя. Конструкция этой группы предусматривает использование точных электродвигателей при вертикальном и горизонтальном кругах. Возможность «самостоятельного» вращения позволяет автоматически выставлять прибор в проектное положение при выносе точек, автоматически наводить прибор на отражатель при съемке. Моторизованные приборы могут быть модернизированы до тахеометра-робота, управление которым осуществляется оператором на расстоянии или с помощью специальной компьютерной программы без участия человека.

Подобная классификация тахеометров достаточно условна: в каждую группу могут входить приборы разной угловой и дальномерной точности. Так, в группу инженерных тахеометров может входить прибор, имеющий худшие точностные характеристики, чем прибор, относящийся к группе рутинных. Поэтому предложенное деление следует считать классификацией по функциональным возможностям.

Специальные тахеометры
Практически все, о чем сказано выше, относится к тахеометрам, предназначенным для применения в привычных областях: топографической съемке, землеустроительных работах, геодезическом обеспечении строительства. Но существуют специальные тахеометры. К ним чаще всего относят те приборы, которые входят в состав программно-аппаратных комплексов, предназначенных для решения конкретных задач, требующих повышенной точности: промышленные измерительные, створные и следящие системы. Угловая точность таких приборов колеблется в пределах 0,5 1,0'', линейная точность J 1 мм.

Любая серьезная компания, выпускающая геодезическое оборудование, уделяет особое внимание разработке и производству электронных тахеометров. В настоящее время в мире существуют четыре фирмы, лидирующие в разработке и производстве данных приборов: Sokkia (Япония), Topcon (Япония), Trimble Navigation (США) и Leica Geosystems (Швейцария). Именно от них будет зависеть дальнейшее развитие конструкции и расширение функциональных возможностей электронных тахеометров.