GNSS參考站墩頂高程聯(lián)測(cè)方法設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周瑞祥，吳迪軍，姚 靜

(中鐵大橋勘測(cè)設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢430050)

港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱HZMB-CORS)由3個(gè)參考站(虎山站(HUSN)、野貍島站(YELI)、洋環(huán)站(YNHN))、1個(gè)監(jiān)測(cè)站(JZJC)和1個(gè)數(shù)據(jù)中心組成。為了確保該系統(tǒng)的實(shí)時(shí)定位高程精度達(dá)到設(shè)計(jì)要求(即優(yōu)于3 cm)，必須精確測(cè)定3個(gè)參考站的高程。由于3個(gè)參考站均位于地勢(shì)較高的山頂或山腰上，觀測(cè)墩高度約3～5 m，站址地形條件復(fù)雜，測(cè)量難度較大，因此對(duì)參考站觀測(cè)墩頂高程聯(lián)測(cè)方法及技術(shù)要求進(jìn)行了專項(xiàng)設(shè)計(jì)，以確保高程聯(lián)測(cè)精度達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量要求。

一、高程測(cè)量方法設(shè)計(jì)

1.倒掛標(biāo)尺水準(zhǔn)測(cè)量

在參考站墩身鋼筋混凝土基礎(chǔ)面上埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)釘，用水準(zhǔn)測(cè)量方法，按二等水準(zhǔn)測(cè)量的規(guī)范要求傳遞高程至水準(zhǔn)標(biāo)釘。

采用水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行高程傳遞，特為此設(shè)計(jì)了一種用于安置倒掛水準(zhǔn)標(biāo)尺的專用工具——倒尺安置器。在進(jìn)行墩頂高程聯(lián)測(cè)時(shí)，參考站墩身鋼筋混凝土基礎(chǔ)面水準(zhǔn)標(biāo)釘上立一根水準(zhǔn)尺，鋁合金主板用螺桿與參考站墩身連接，并保證主板底面平整度誤差不大于0.1 mm，用主板兩端的夾板各固定一根水準(zhǔn)尺，將水準(zhǔn)尺整平并倒掛，在地面上安置三腳架支撐尺底，這樣就可以用水準(zhǔn)儀直接進(jìn)行觀測(cè)讀數(shù)了。具體的觀測(cè)步驟和程序如下：

1)觀測(cè)地面水準(zhǔn)尺并讀數(shù);

2)按從左至右的順序依次觀測(cè)倒立水準(zhǔn)尺并讀數(shù)，取兩尺讀數(shù)的中數(shù);

3)按從右至左的順序重復(fù)步驟2)的操作;

4)觀測(cè)地面水準(zhǔn)尺并讀數(shù)。

以上觀測(cè)稱之為往測(cè)。然后，適當(dāng)調(diào)整儀器位置和高度，檢查水準(zhǔn)尺安置情況，重新整置水準(zhǔn)儀進(jìn)行返測(cè)。

完成以上觀測(cè)為1個(gè)測(cè)回。每個(gè)觀測(cè)墩觀測(cè)2個(gè)測(cè)回。墩頂高程計(jì)算公式為

式中，H為墩頂高程;H0為地面水準(zhǔn)標(biāo)釘高程;a為地面水準(zhǔn)尺讀數(shù)，單位為m;b為倒立水準(zhǔn)尺讀數(shù)的中數(shù)。

2.對(duì)向三角高程測(cè)量

在距離觀測(cè)墩200 m左右的地面區(qū)域，選擇穩(wěn)定性良好且便于觀測(cè)的地方埋設(shè)水準(zhǔn)標(biāo)釘，采用水準(zhǔn)測(cè)量方法傳遞高程至水準(zhǔn)標(biāo)釘，然后在水準(zhǔn)標(biāo)釘和參考站墩頂間進(jìn)行三角高程測(cè)量。

單向高差計(jì)算所采用的公式為

式中，h為測(cè)站點(diǎn)至覘標(biāo)點(diǎn)的高差;D為測(cè)站點(diǎn)至覘標(biāo)點(diǎn)的斜距;α為觀測(cè)的垂直角;i為儀器高;v為覘標(biāo)高;R=6 362 850 m，為參考橢球平均曲率半徑。

3.中間設(shè)站三角高程測(cè)量

在距離觀測(cè)墩至少50 m左右的地面區(qū)域，選擇穩(wěn)定性良好且便于觀測(cè)的地方架設(shè)全站儀，分別對(duì)地面水準(zhǔn)標(biāo)釘和墩頂進(jìn)行測(cè)角、測(cè)距，并計(jì)算兩點(diǎn)間的高差。

兩點(diǎn)間高差計(jì)算公式為

式中，h為測(cè)站點(diǎn)至覘標(biāo)點(diǎn)的高差;D1、D2為測(cè)站點(diǎn)至覘標(biāo)點(diǎn)的斜距;α、β為觀測(cè)的垂直角;ν1、ν2為覘標(biāo)高;R=6 362 850 m，為參考橢球平均曲率半徑。

二、觀測(cè)與計(jì)算

從基本原理上看，以上3種方法屬于精密水準(zhǔn)測(cè)量或三角高程測(cè)量。精密水準(zhǔn)測(cè)量是一種理論成熟、精度高且穩(wěn)定可靠的方法，三角高程測(cè)量方法則隨著高精度智能全站儀的出現(xiàn)而得以廣泛應(yīng)用。大量實(shí)踐表明：在特定條件下，采取適當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施消除或削弱各種測(cè)量誤差，全站儀三角高程測(cè)量就可以達(dá)到二等甚至一等水準(zhǔn)測(cè)量的精度［1-3］。在本文所研究的參考站觀測(cè)墩頂高程聯(lián)測(cè)中，由于觀測(cè)墩高度均超過3 m，且參考站周圍地勢(shì)陡峭，不具備水準(zhǔn)測(cè)量及三角高程測(cè)量的正常觀測(cè)條件，因此對(duì)基本方法進(jìn)行了改進(jìn)。各參考站的觀測(cè)方法根據(jù)各自地形條件進(jìn)行選擇，3個(gè)站均使用倒掛標(biāo)尺水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行精密測(cè)量，并采用三角高程測(cè)量方法進(jìn)行檢核。其中，香港虎山參考站采用對(duì)向觀測(cè)三角高程測(cè)量法檢核，野貍島和洋環(huán)參考站采用中間設(shè)站法三角高程測(cè)量檢核。外業(yè)觀測(cè)技術(shù)要求參照現(xiàn)行《國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》(GB/T 12897—2006)［4］和《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》(TB 10601—2009)執(zhí)行［5］。

三角高程測(cè)量中，垂直角測(cè)量使用 Leica TC/TCA 2003全站儀進(jìn)行垂直角觀測(cè)，按中絲法觀測(cè)4個(gè)測(cè)回。測(cè)回差和指標(biāo)差互差均不得超過5″。邊長(zhǎng)測(cè)量觀測(cè)2個(gè)測(cè)回(每測(cè)回照準(zhǔn)1次，讀數(shù)4次)，各次讀數(shù)互差和測(cè)回中數(shù)之間的互差為5 mm和7 mm，每站需量取氣溫、氣壓值。棱鏡高在測(cè)前、測(cè)后用鋼卷尺量取，兩次互差不得超過2 mm，成果采用兩次量取中數(shù)。

3個(gè)參考站采用兩種方法觀測(cè)所得高差的較差分別為虎山站：0.55 mm、野貍島站：0.68 mm、洋環(huán)站：0.89 mm。由此可知，墩頂高程聯(lián)測(cè)成果質(zhì)量?jī)?yōu)良，滿足規(guī)范和施工應(yīng)用的要求，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)方法的可行性和高精度。參考站最終高程采用水準(zhǔn)測(cè)量成果。

三、結(jié)束語

觀測(cè)和計(jì)算結(jié)果表明，通過特殊的技術(shù)設(shè)計(jì)和有效的技術(shù)措施，使用水準(zhǔn)測(cè)量方法和全站儀三角高程測(cè)量方法進(jìn)行GNSS參考站觀測(cè)墩墩頂高程聯(lián)測(cè)，完全可以達(dá)到二等水準(zhǔn)測(cè)量精度。本文設(shè)計(jì)的方法可供其他類型測(cè)量參考和借鑒。

［1］晏紅波，黃騰，鄧標(biāo).智能全站儀精密三角高程測(cè)量替代二等水準(zhǔn)測(cè)量［J］.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2007，31(4)：43-47.

［2］賈中甫，楊郁，馮啟俊.精密三角高程代替二等水準(zhǔn)測(cè)量的研究與實(shí)踐［J］.測(cè)繪信息與工程，2012，37(1)：15-17.

［3］張正祿，鄧勇，羅長(zhǎng)林，等.精密三角高程代替一等水準(zhǔn)測(cè)量的研究［J］.武漢大學(xué)學(xué)報(bào)：信息科學(xué)版，2006，31(1)：5-8.

［4］GB/T 12897—2006國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范［S］.北京：［s.n.］，2006.

［5］TB 10601—2009高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范［S］.北京：［s.n.］，2009.