Totalna stanica

desno|mini|250px|Totalna stanica na mjestu saobraćajne nesreće

Totalna stanica, mjerna stanica ili tahimetar je računalna inačica elektroničkog teodolita. Totalne stanice imaju u sebi računalo, memoriju i elektronički daljinomjer. Totalna stanica omogućava jednostavnije snimanje detalja, iskolčavanja, te brže i preciznije izvođenje radova. Elektronički daljinomjer je najveća prednost totalnih stanica. Takvi daljinomjeri sastoje se od odašiljača koji emitira elektromagnetsko zračenje u infracrvenom ili radio spektru. Elektronički daljinomjer zahtjeva reflektor na kraju mjerenje dužine koji refletkira odaslane elektromagnetske valove. Preciznost elektroničkog daljinomjera kod totalnih stanica je oko 2 mm na 1 km mjerene duljine.Kavanagh B. F. and Glenn Bird, S. J.: "Surveying principles and applications", Prentice Hall, 1996.

Instrumenti koji omogućuju mjerenje vodoravnog kuta, vertikalnog kuta i kose duljine nazivaju se tahimetri (grč. brzomjer). U 19. stoljeću pojavili su se optički tahimetri, a 1970-ih godina prvi elektronički tahimetri. Tijekom razvoja automatiziran je tijek mjerenja, uspostavljena automatska registracija, omogućena razna računanja u samom instrumentu, te se danas takvi instrumenti nazivaju totalnim stanicama ili mjernim stanicama ().

Način rada

Elektroničko mjerenje duljine Fizikalni princip elektroničkog mjerenja dužina zasniva se na mjerenju vremena koje je elektromagnetskom valu potrebno za prijelaz mjerene dužine u oba smjera. Na početnoj točki (stajalištu) nalazi se primopredajnik, a na cilju reflektor. Navedeni jednostavni princip mjerenja iziskuje složeno konstruktivno rješenje, čemu je uzrok velika brzina elektromagnetskog vala tj. svjetlosti. Potrebno je vrlo točno mjeriti vremenski signal t, a također mjerni signal prolazi kroz različite slojeve atmosfere, što utječe na njegovu brzinu, te kao rezultat daje pogrešno mjerenje dužine. Za standardizaciju konstrukcija elektroničkih daljinomjera nužno je što točnije poznavanje brzine svjetlosti.

Uz poznatu brzinu elektromagnetskog vala u vakuumu c0, odredit će se brzina u zraku kao optičkom sredstvu c, poznavanjem njegova indeksa prelamanja u, primjenom osnovnog zakona iz optike:

gdje je: c – radna brzina (brzina vala tijekom mjerenja). Uvrštenjem u formulu za duljinu, dobiva se izraz:

gdje je: t – vrijeme potrebno da elektromagnetski val prijeđe udaljenost do cilja i natrag.

Indeks prelamanja zraka osnovni je čimbenik kojim je određena radna brzina vala. Točnost mjerenja ovisi o tome koliko je poznato stvarno stanje atmosfere. Za određivanje stanja atmosfere pri mjerenjima, potrebno je izmjeriti temperaturu zraka, tlak zraka i količinu vodene pare, da bi se što točnije odredio indeks prelamanja.

Na osnovi poznavanja radne brzine elektromagnetskog vala, duljina se određuje mjerenjem vremenskog intervala t dvostrukog puta signala. Budući da se radi o vrlo malim vremenskim intervalima, oni se moraju odrediti s visokom točnosti, što je zahtjevan tehnički zadatak. Na primjer, pri dvostrukom prijelazu duljine od 500 m, vremenski interval signala iznosi oko 3 μs. Već nesigurnost u mjerenju vremena od 0,1 ns daje odstupanje duljine od 15 mm. Danas se već razvijaju tehnologije koje omogućuju mjerenje od 10-12 ps.

Samo mjerenje izvodi se tako da se signal od odašiljača odvaja u dva puta: jedan put prema prijemniku izravno (bez prijeloma dužine – unutrašnji put), a drugi put vanjski put signala do reflektora i natrag. Ovisno o tehničkim rješenjima mjerenja vremenskog signal razlikujemo nekoliko osnovnih načina mjerenja dužina: impulsni, fazni, te frekventni.

Impulsni način mjerenja dužine Odašiljač zrači slijed impulsa, pa se dužina mjeri direktnim mjerenjem vremenskog intervala u kojem impuls prelazi mjernu dužinu. Dužina se može mjeriti odašiljanjem jednog impulsa, ali zbog povećanja točnosti mjerenja odašilje se slijed impulsa. Pri impulsnom načinu mjerenja, odašiljač radi tako da u vrlo kratkom vremenskom intervalu odašilje elektromagnetski val do reflektora koji se nalazi na cilju, te ga vraća natrag prema prijamniku na stajalištu. Primjenjuje se vidljivo i infracrveno zračenje. Za vrijeme emisije impulsa veličina impulsa treba biti konstantna. Impulsi su modulirani; primjenjuje se amplitudna i frekventna modulacija.

Razvojem laserske tehnologije omogućeno je mjerenje bez primjene reflektora na cilju. Zraka svjetlosti odbija se od raznih površina (objekata). Primjena takvog načina mjerenja je kod kraćih duljina.

Impulsni način mjerenja ima značajnu primjenu pri mjerenju kratkih dužina zbog više prednosti, a to su: vrlo kratko trajanje mjerenja, duljina se dobiva direktno i jednoznačno, uz optiku jednakih dimenzija veći je doseg nego kod faznog načina mjerenja, te moguća su mjerenja kratkih dužina bez reflektora na cilju.

Fazni način mjerenja dužine Osnova faznog načina mjerenja dužina je posredan način mjerenja vremenskog intervala na osnovi mjerenja fazne razlike odaslanog i primljenog signala. Kod mjerenja faznim načinom odašiljač kontinuirano, za vrijeme mjerenja emitira modulirane svjetlosne valove ili valove mikrovalnog područja. Na osnovi usporedbe razlika faza dvaju signala u jednom trenutku u mjeraču faze (od kojih jedan prelazi dužinu u oba smjera), dobivamo osnovnu informaciju o dužini.

Elektroničko mjerenje dužina faznim načinom možemo usporediti s mehaničkim mjerenjem dužina pomoću vrpce. Pri mehaničkom mjerenju broji se koliko puta mjerna jedinica (dužina vrpce) ide u ukupnu dužinu i očitava se ostatak dužine. Kod elektroničkog mjerenja broj „vrpci“ je nepoznat. Problem se rješava u kombinaciji primjene većeg broja korištenja frekvencije (grubo mjerenje) za mjerenja, a za fino mjerenje koristi se najviša frekvencija.

Elektrooptički daljinomjeri Elektrooptički daljinomjeri mjere dužinu emisijom vidljive ili nevidljive infracrvene svjetlosti. Za takvo mjerenje potrebno je optičko dogledanje instrumenta na stajalištu i točke cilja. Na cilj se postavlja reflektor, koji vraća zraku do prijamnika u instrumentu. U upotrebi su impulsni i fazni elektrooptički daljinomjeri. Impulsni način mjerenja dužina omogućuje mjerenje dužina bez reflektora na cilju. Dovoljan je jedan snažan impuls kako bi se dužina jednoznačno izmjerila s centimetarskom točnosti. Primjenjuje se kod mjerenja dužina do nepristupačnih točaka, mjerenja profila u tunelu, podzemnim prostorijama, kamenolomima, čeličnih postrojenja i dr.

Izvori zračenja Izvori zračenja koji se primjenjuju mogu biti koherentni i nekoherentni. Predstavnik nekoherentnog zračenja bila je električna žarulja. Danju je tim izvorom postignut doseg do 5 km, a noću do 15 km. Ovaj izvor zračenja je zamijenjen.

U razvoju elektrooptičkih daljinomjera prekretnica je nastala otkrićem i primjenom luminiscentne diode kao izvora zračenja. Primjenjuje se galij-arsenid (GaAs) dioda, kao izvor zračenja valne duljine od 890 do 950 μm (infracrvena svjetlost).

Laseri isto služe kao izvor koherentnog zračenja. Za pojačanje svjetlosti služi aktivno sredstvo koje se nalazi u rezonatoru i koje uz dovođenje energije izvana pojačava optičke oscilacije vala u uskome spektralnom području, ovisno o korištenom sredstvu. Kao aktivna sredstva primijenjena su čvrsta tijela kristalne ili amorfne strukture, tekućine i plinovi. Zasebnu grupu čine poluvodički laseri (GaAs – laser). Danas se primjenom lasera mogu izmjeriti dužine i do 300 m bez korištenja reflektora na cilju. Lasersko zračenje se primjenjuje u gotovo svim geodetskim instrumentima u sigurnosnim granicama do 1 mW (prema međunarodnim standardima). Iako je snaga lasera vrlo mala, potrebna je oprezna primjena i izbjegavanje promatranja laserskog izvora, jer djelovanje na mrežnicu ljudskog oka nije još dovoljno istraženo.

Elektrooptičke daljinomjere potrebno je ispitivati i usmjeriti ih. U ovlaštenom elektroničkom laboratoriju potrebno je vrlo točno izmjeriti ili namjestiti frekvenciju u elektrooptičkom daljinomjeru, kao i veći dio drugih pogrješaka elektroničke prirode. Osim laboratorijskog ispitivanja, daljinomjeri se ispituju i u terenskim uvjetima, na tzv. bazama i to preko cijelog dosega daljinomjera.

Osnovne korekcije i redukcije duljina Korekcije i redukcije duljina mogu se raščlaniti na: adicijske korekcije i korekcije zbog odstupanja mjerne frekvencije, korekcije zbog prolaza signala kroz različite slojeve atmosfere, redukciju kose duljine na vodoravnu ravninu, te redukciju duljine na referentni elipsoid.

Adicijska korekcija i korekcija zbog odstupanja mjerne frekvencije Adicijska korekcija uzrokovana je građom instrumenata i reflektora. Ukupna poznata adicijska korekcija (e – udio adicije instrumenta, r – udio adicije reflektora) uzima se u obzir već kod proizvođača, te je potrebno uvesti korekciju ako se koristi reflektor drugih proizvođača.

Meteorološka i atmosferska korekcija Svaki elektrooptički daljinomjer umjeren je u tvornici na određenu radnu brzinu za indeks prelamanja referentne atmosfere. Svako odstupanje stanja atmosfere od referentne dat će pogrešku duljine. Zbog navedenog, potrebno je određivanje srednjeg indeksa prelamanja atmosfere, u kojoj mjerimo; uvodi se tzv. brzinska korekcija duljine. Na terenu (na stajalištu i na cilju) izmjeri se trenutačna temperatura i tlak zraka, te se iz tih podataka u mikroračunalu instrumenta računa korektivni podatak, tzv. faktor mjerila. Također, korektivni se podatak na temelju temperature i tlaka zraka može isčitati i iz dijagrama (u mikroračunalu).

Određivanje položaja točaka Položaj točke u ravnini određen je s dvije veličine, a to su u pravokutnom koordinatnom sustavu apscisa i ordinata, odnosno koordinate točke (x, y). Takvo snimanje detalja spada u ortogonalnu metodu. U polarnom sustavu, gdje je ishodište pol, veličine su duljina i orijentirani pravac (mjereni kut). Ovakav način snimanja detalja naziva se polarna metoda. Ako se u geodetskoj izmjeri sa stajališta instrumenta određuju dvije dimenzije, govorimo o 2D (dvodimenziomalnom) određivanju koordinata.

Za prostorni položaj točke potrebna je i treća koordinata (z). Tada se određuju tri dimenzije točke, te govorimo o 3D (trodimenzionalnom) određivanju koordinata. Instrumenti kojima se određuje trodimenzionalni položaj opažane točke, istovremenim određivanjem koordinata ubrzavaju tok mjerenja, a nazivaju se tahimetri (totalne stanice). Krajem 19. stoljeća razvili su se optički tahimetri koji su u to vrijeme unaprijedili geodetska mjerenja. Krajem 1960-ih optičke tahimetre zamijenili su elektronički tahimetri. Posebna značajka u njihovom razvitku imala je primjena automatske registracije podataka, uvođenje mikroprocesora u instrument, automatizacija kompletnog mjernog procesa uz odgovarajuću programsku podršku. Takvi tahimetri danas se nazivaju totalne stanice ili mjerne stanice. U praktičnoj primjeni danas, postoje i drugi nazivi zavisno o konstrukciji: automatski tahimetar, servotahimetar, robottahimetar ili motorizirani računalni tahimetar s automatskim viziranjem.

Potpuno nove tehnologije za određivanje položaja točke na Zemlji razvijene su sustavom opažanja, korištenjem umjetnih satelita koji kruže u orbiti. Rezultati mjerenja su trodimenzionalne koordinate u geocentričnom koordinatnom sustavu. Sustav za određivanje koordinata na Zemlji korištenjem umjetnih satelita naziva se globalni pozicijski sustav (GPS). Primjena GPS-a iz temelja je promijenio klasični geodetski postupak. Geocentrične koordinate mogu se odrediti neposrednim opažanjem satelita na bilo kojem mjestu gdje je moguć prijem satelitskog signala.

Razvoj totalnih stanica

Optički tahimetri

Totalna stanica

Źródło i licencja