GNSS聯(lián)合全站儀在大型設(shè)備相位中心測(cè)量中的應(yīng)用

高海榮 陳胤璇 胡盛江

（中國(guó)人民解放軍32017部隊(duì)，西藏 拉薩 850000）

大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備在竣工后和在使用過程中，其相位中心會(huì)產(chǎn)生變化，精確測(cè)定設(shè)備三軸中心坐標(biāo)，取得其相位中心坐標(biāo)，適時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢校，能有效提高設(shè)備使用效能，因大型設(shè)備三軸中心位置不能夠直接測(cè)得，可以根據(jù)設(shè)備的特征，選擇合適的外部測(cè)量點(diǎn)，運(yùn)用GNSS 聯(lián)合全站儀測(cè)量發(fā)法測(cè)量其精確外部坐標(biāo)，通過擬合和歸算的方法，精確求得相位中心坐標(biāo)。

1 GNSS測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 GNSS點(diǎn)位設(shè)置基本要求

GNSS 點(diǎn)位周圍應(yīng)便于安置接收設(shè)各和操作，視野開闊，視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角不宜超過15°；點(diǎn)位遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源（如電視臺(tái)、電臺(tái)、微波站等），其距離不小干200 m，遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電信號(hào)傳送通道，其距離不得小于50 m；點(diǎn)位附近不應(yīng)有強(qiáng)烈反射衛(wèi)星信號(hào)的物件(如大型建筑物等)；點(diǎn)位地面基礎(chǔ)穩(wěn)定，易于點(diǎn)的保存。

1.2 GNSS觀測(cè)要求

（1）GNSS 測(cè)量采用B 級(jí)精度要求；（2）接收機(jī)選用雙頻機(jī)，觀測(cè)至少有L1、L2 載波相位；（3）同步觀測(cè)接收機(jī)數(shù)大于3 臺(tái)；（4）衛(wèi)星截止高度角15°；（5）同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)大于3 顆；（6）有效觀測(cè)衛(wèi)星總數(shù)大于9顆；（7）觀測(cè)時(shí)段數(shù)大于2 段；（8）時(shí)段長(zhǎng)度靜態(tài)大于240分鐘；（9）采樣間隔30秒。

1.3 GNSS數(shù)據(jù)處理

（1）基線向量解算數(shù)據(jù)處理須采用專門的軟件，計(jì)算結(jié)果中應(yīng)包括相對(duì)定位坐標(biāo)和協(xié)方差陣等平差所需的元素；（2) 觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量分析必須合理，起算點(diǎn)坐標(biāo)系應(yīng)為ITRFRR 國(guó)際地球參考框架；（3）外業(yè)觀測(cè)的氣象數(shù)據(jù)要換算成適合于處理軟件所需要的單位，當(dāng)采用不同類型接收機(jī)時(shí)，應(yīng)將觀測(cè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成同一格式，高標(biāo)點(diǎn)、偏心觀測(cè)點(diǎn)，應(yīng)根據(jù)天線高記錄、投影手簿或歸心用紙等計(jì)算歸心改正數(shù)；（4）向量解算基線精處理應(yīng)采用精密星歷，觀測(cè)值均應(yīng)加人對(duì)流層延遲修正，對(duì)流層延遲修正模型中的氣象元素可采用標(biāo)準(zhǔn)氣象元素。

2 全站儀測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

2.1 水平角觀測(cè)要求

（1）觀測(cè)選擇在通視良好、成像清晰穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行；（2）觀測(cè)前要認(rèn)真調(diào)好焦距，消除視差，本次任務(wù)測(cè)回內(nèi)可調(diào)焦，以保證對(duì)準(zhǔn)的精度；（3）各測(cè)回起始方向應(yīng)均勻分配度盤，以避免觀測(cè)粗差的影響；（4）在上、下半測(cè)回之間縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡，以消除或減弱視準(zhǔn)軸誤差、水平軸傾斜誤差的影響，同時(shí)可由盤左、盤右度數(shù)之差獲得2C，以檢核觀測(cè)質(zhì)量；（5）上下半測(cè)回照準(zhǔn)目標(biāo)的次序要相反，并保持每一個(gè)目標(biāo)的操作時(shí)間大致相同；（6）測(cè)微螺旋和微動(dòng)螺旋的最后操作一律按旋轉(zhuǎn)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，以避免微動(dòng)螺旋隙動(dòng)差的影響；（7）為減弱垂直軸傾斜誤差的影響，觀測(cè)中應(yīng)保持視準(zhǔn)部水準(zhǔn)氣泡居中，傾斜程度不得超出補(bǔ)償范圍。如果超出，應(yīng)立即停止觀測(cè)，重新整治儀器后再進(jìn)行觀測(cè)；（8）測(cè)量全程應(yīng)盡量避免陽(yáng)光直射儀器及腳架，應(yīng)配備專門人員打傘，避免單面受熱影響測(cè)量結(jié)果。

2.2 垂直角觀測(cè)要求

（1）垂直角觀測(cè)依據(jù)全站型電子速測(cè)儀測(cè)量規(guī)程中規(guī)定的垂直角測(cè)量精度要求；（2）采用中絲法觀測(cè)；（3）觀測(cè)至少4測(cè)回。

2.3 距離測(cè)量要求

（1）按全站型電子速測(cè)儀測(cè)量規(guī)程中三等測(cè)量要求量測(cè)；（2）測(cè)量斜距；（3）邊長(zhǎng)大于300m 時(shí)，應(yīng)在站、鏡兩端讀記氣象元素，否則只記錄一端氣象元素即可。

3 相位中心位置確定

大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備的相位中心一般是設(shè)備的三軸中心的旋轉(zhuǎn)中心，如圖1 所示。旋轉(zhuǎn)設(shè)備三軸天線旋轉(zhuǎn)軸傾斜，可繞鉛垂線作圓周轉(zhuǎn)動(dòng)，相位中心為其旋轉(zhuǎn)中心，根據(jù)設(shè)備的制造不同，可能位于設(shè)備的內(nèi)部或外部。

圖1 天線設(shè)備的相位中心位置

在設(shè)備相位中心坐標(biāo)測(cè)量中，通過測(cè)量位置歸算至需求位置，實(shí)際作業(yè)中根據(jù)實(shí)際情況選擇測(cè)量位置[1-2]。

3.1 圓擬合法

當(dāng)測(cè)量位置選擇在旋轉(zhuǎn)軸頂部時(shí)，采用圓擬合法獲得設(shè)備中心坐標(biāo)，如圖2所示。具體方法為：將兩臺(tái)GPS 接收機(jī)（或棱鏡）同時(shí)固定在旋轉(zhuǎn)軸頂部不同位置A、B，設(shè)備以一定角度繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，每旋轉(zhuǎn)一定角度測(cè)量一組坐標(biāo)，得到A1、B1、A2、B2、A3、B3……等旋轉(zhuǎn)標(biāo)志點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，然后擬合出兩組點(diǎn)位的外接圓圓心O 的坐標(biāo)和高程，通過比較，當(dāng)符合限差要求時(shí)，以兩者平均值作為最終坐標(biāo)。旋轉(zhuǎn)標(biāo)志點(diǎn)不應(yīng)少于3 個(gè)且均勻分布，以保證能擬合出外接圓圓心[3]，同時(shí)保證結(jié)果精度。

圖2 圓擬合法測(cè)量位置

3.2 圓柱歸心測(cè)量法

當(dāng)測(cè)量位置選擇在旋轉(zhuǎn)軸下方時(shí)，采用圓柱歸心測(cè)量法獲得設(shè)備中心坐標(biāo)，具體方法為：首先確定天線支承軸中心方位，利用全站儀，觀測(cè)天線支撐軸左右兩側(cè)的水平角，取中數(shù)作為支承軸中心方位，并在天線桿上做出十字標(biāo)記，如圖3所示。

圖3 圓柱歸心法測(cè)量位置

確定天線支承軸中心方位后，使用全站儀測(cè)量該點(diǎn)位置，并量取該點(diǎn)至天線特征點(diǎn)距離，通過查詢天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，如圖4 所示，確定測(cè)量位置與需求位置的相對(duì)關(guān)系（半徑和高差），將測(cè)量結(jié)果歸算至需求位置。

圖4 圓柱歸心法測(cè)量歸算

4 GNSS和全站儀組合測(cè)量

確定天線支承軸中心方位后，使用全站儀測(cè)量該點(diǎn)位置，并量取該點(diǎn)至天線特征點(diǎn)距離，通過查詢天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定測(cè)量位置與需求位置的相對(duì)關(guān)系（半徑和高差），將測(cè)量結(jié)果歸算至需求位置。

4.1 極坐標(biāo)測(cè)量法

對(duì)可安置棱鏡或反射片的設(shè)備點(diǎn)位，可用極坐標(biāo)測(cè)量法獲取點(diǎn)位坐標(biāo)，在便于觀測(cè)的控制點(diǎn)上架站，選擇大氣穩(wěn)定、能見度較好的天氣進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)所有通視的點(diǎn)位進(jìn)行水平角、垂直角和斜距觀測(cè)，計(jì)算目標(biāo)點(diǎn)位坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)擬合確定相位中心坐標(biāo)，如圖5所示。

圖5 極坐標(biāo)測(cè)量方法示意

4.2 前方交會(huì)測(cè)量法

部分無(wú)法安置棱鏡或反射片的點(diǎn)位（如無(wú)法攀爬的高桿上設(shè)置的方位標(biāo)），可用前方交會(huì)測(cè)量的方法獲取坐標(biāo)。如圖6 所示，在三個(gè)已知點(diǎn)上按照測(cè)量精度要求，用方向觀測(cè)法觀測(cè)水平角和，分別求出P 點(diǎn)的兩組坐標(biāo)，利用兩組坐標(biāo)的距離來(lái)限制誤差，符合要求時(shí)，取兩組坐標(biāo)的中數(shù)為點(diǎn)的最終結(jié)果。

圖6 前方交會(huì)測(cè)量的方法示意

5 應(yīng)用實(shí)例

對(duì)某大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備進(jìn)行相位中心測(cè)量，首先在設(shè)備周邊布設(shè)GNSS 控制網(wǎng)，在需要進(jìn)行全站儀測(cè)量的點(diǎn)位附近布設(shè)臨時(shí)控制點(diǎn)和方位點(diǎn)共同構(gòu)成控制網(wǎng)，點(diǎn)間距離應(yīng)在500m～1500m 之間，方位點(diǎn)之間不做通視要求，兩個(gè)方位點(diǎn)和臨時(shí)控制點(diǎn)之間的夾角應(yīng)大于30°，小于5°。因設(shè)備旋轉(zhuǎn)部位可以安置全站儀反射片，我們運(yùn)用極坐標(biāo)測(cè)量法進(jìn)行測(cè)量[4-5]，選取3個(gè)不同位置，在設(shè)備旋轉(zhuǎn)的不同階段，測(cè)量6組坐標(biāo)如表1。

表1 測(cè)量坐標(biāo)

通過6 組不同位置坐標(biāo)，擬合出3 個(gè)不同位置測(cè)量坐標(biāo)所得到相位中心坐標(biāo)［3］，如表2。綜合各個(gè)位置計(jì)算的相位中心坐標(biāo)，取其平均值或選擇其中一個(gè)觀測(cè)條件較好的位置坐標(biāo)作為最終的相位中心，根據(jù)實(shí)際情況，我們?nèi)∥恢?坐標(biāo)作為最后成果。

表2 擬合相位中心坐標(biāo)

6 結(jié)果分析

聯(lián)合測(cè)量方法簡(jiǎn)單，應(yīng)用靈活，適合室內(nèi)及室外安置的大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備。

GNSS 和全站儀測(cè)量精度高，對(duì)于大型旋轉(zhuǎn)天線，旋轉(zhuǎn)窯爐測(cè)量都適用。

要提高測(cè)量精度，主控點(diǎn)最好采用強(qiáng)制對(duì)中墩，以減少測(cè)量誤差。

擬合計(jì)算可以采用Mathmatic 軟件，提高作業(yè)效率和精度。