GNSS参考站墩顶高程联测方法设计与实现

2013-12-11周瑞祥吴迪军

测绘通报 2013年5期

周瑞祥，吴迪军，姚静

(中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北武汉430050)

港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统(简称HZMB-CORS)由3个参考站(虎山站(HUSN)、野狸岛站(YELI)、洋环站(YNHN))、1个监测站(JZJC)和1个数据中心组成。为了确保该系统的实时定位高程精度达到设计要求(即优于3 cm)，必须精确测定3个参考站的高程。由于3个参考站均位于地势较高的山顶或山腰上，观测墩高度约3～5 m，站址地形条件复杂，测量难度较大，因此对参考站观测墩顶高程联测方法及技术要求进行了专项设计，以确保高程联测精度达到二等水准测量要求。

一、高程测量方法设计

1.倒挂标尺水准测量

在参考站墩身钢筋混凝土基础面上埋设水准标钉，用水准测量方法，按二等水准测量的规范要求传递高程至水准标钉。

采用水准测量方法进行高程传递，特为此设计了一种用于安置倒挂水准标尺的专用工具——倒尺安置器。在进行墩顶高程联测时，参考站墩身钢筋混凝土基础面水准标钉上立一根水准尺，铝合金主板用螺杆与参考站墩身连接，并保证主板底面平整度误差不大于0.1 mm，用主板两端的夹板各固定一根水准尺，将水准尺整平并倒挂，在地面上安置三脚架支撑尺底，这样就可以用水准仪直接进行观测读数了。具体的观测步骤和程序如下：

1)观测地面水准尺并读数;

2)按从左至右的顺序依次观测倒立水准尺并读数，取两尺读数的中数;

3)按从右至左的顺序重复步骤2)的操作;

4)观测地面水准尺并读数。

以上观测称之为往测。然后，适当调整仪器位置和高度，检查水准尺安置情况，重新整置水准仪进行返测。

完成以上观测为1个测回。每个观测墩观测2个测回。墩顶高程计算公式为

式中，H为墩顶高程;H0为地面水准标钉高程;a为地面水准尺读数，单位为m;b为倒立水准尺读数的中数。

2.对向三角高程测量

在距离观测墩200 m左右的地面区域，选择稳定性良好且便于观测的地方埋设水准标钉，采用水准测量方法传递高程至水准标钉，然后在水准标钉和参考站墩顶间进行三角高程测量。

单向高差计算所采用的公式为

式中，h为测站点至觇标点的高差;D为测站点至觇标点的斜距;α为观测的垂直角;i为仪器高;v为觇标高;R=6 362 850 m，为参考椭球平均曲率半径。

3.中间设站三角高程测量

在距离观测墩至少50 m左右的地面区域，选择稳定性良好且便于观测的地方架设全站仪，分别对地面水准标钉和墩顶进行测角、测距，并计算两点间的高差。

两点间高差计算公式为

式中，h为测站点至觇标点的高差;D1、D2为测站点至觇标点的斜距;α、β为观测的垂直角;ν1、ν2为觇标高;R=6 362 850 m，为参考椭球平均曲率半径。

二、观测与计算

从基本原理上看，以上3种方法属于精密水准测量或三角高程测量。精密水准测量是一种理论成熟、精度高且稳定可靠的方法，三角高程测量方法则随着高精度智能全站仪的出现而得以广泛应用。大量实践表明：在特定条件下，采取适当的技术措施消除或削弱各种测量误差，全站仪三角高程测量就可以达到二等甚至一等水准测量的精度［1-3］。在本文所研究的参考站观测墩顶高程联测中，由于观测墩高度均超过3 m，且参考站周围地势陡峭，不具备水准测量及三角高程测量的正常观测条件，因此对基本方法进行了改进。各参考站的观测方法根据各自地形条件进行选择，3个站均使用倒挂标尺水准测量方法进行精密测量，并采用三角高程测量方法进行检核。其中，香港虎山参考站采用对向观测三角高程测量法检核，野狸岛和洋环参考站采用中间设站法三角高程测量检核。外业观测技术要求参照现行《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897—2006)［4］和《高速铁路工程测量规范》(TB 10601—2009)执行［5］。

三角高程测量中，垂直角测量使用 Leica TC/TCA 2003全站仪进行垂直角观测，按中丝法观测4个测回。测回差和指标差互差均不得超过5″。边长测量观测2个测回(每测回照准1次，读数4次)，各次读数互差和测回中数之间的互差为5 mm和7 mm，每站需量取气温、气压值。棱镜高在测前、测后用钢卷尺量取，两次互差不得超过2 mm，成果采用两次量取中数。

3个参考站采用两种方法观测所得高差的较差分别为虎山站：0.55 mm、野狸岛站：0.68 mm、洋环站：0.89 mm。由此可知，墩顶高程联测成果质量优良，满足规范和施工应用的要求，验证了本文设计方法的可行性和高精度。参考站最终高程采用水准测量成果。