超长跨海GPS三角高程传递<br/>——以港珠澳大桥为例

超长跨海GPS三角高程传递
——以港珠澳大桥为例

2014-07-25闵阳

铁道勘察 2014年2期

关键词：跨海高差全站仪

闵阳

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

超长跨海GPS三角高程传递
——以港珠澳大桥为例

闵阳

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

以港珠澳大桥高程控制网测设为例，介绍一种通过测量机器人实时记录竖直角，以消除测量平台不稳定性影响的GPS三角高程测量方法。

GPS 三角高程跨海大桥测量机器人

港珠澳大桥属于G94珠三角环线高速的一部分，设计时速100～120 km，跨越珠江口伶仃洋海域，是连接香港、珠海及澳门的大型跨海通道，全长约50 km。主体工程“海中桥隧”长约36 km，成为世界最长的跨海大桥。港珠澳大桥首级控制网的测设是一个根据现场实际情况，结合已有测量理论和经验，不断自主创新和克服困难的过程。由于测量平台的不稳定性，高程控制网的测设尤为困难。

1 GPS三角高程测量方法

GPS三角高程测量的基本思想是：根据GPS网的基线改平边长和相应边段上所观测的竖直角，按三角公式计算各GPS点之间的高差，进而求得GPS点的高程。如果已知测段两点间的水平距离D，顾及地球曲率和大气折光的影响，则测段两点间的单向观测的高差计算为[1]

(1)

式中，k为大气垂直折光系数；R为地球半径；D为测段两点间的水平距离。

2 测量实施

2.1 概况

港珠澳大桥桥梁工程前期完成三个试桩(K19、K27、K33)及K23埋置式承台足尺模型工艺试验后，将其改造为用于桥梁工程施工的测量平台。四个测量平台均位于桥轴线北侧150 m处，其中K19、K27、K33三个测量平台尺寸为 9.6 m×3.6 m，再加西岛测量平台，海上测量平台共计5个。K19、K23、K27、K33及西岛测量平台上埋设强制对中观测墩，与GNSS连续运行参考站系统(HZMB-CORS)的洋环站、野狸岛站、虎山站、新小冷水形成控制网。具体分布如图1所示。

图1 港珠澳大桥测量平面示意

为了验证基于GPS三角高程的超长跨海高程传递的可行性，本文以图2所示控制网中的西岛测量平台至K19测量平台为例，进行实测和论证。

图2 测点编号示意

如图2所示，本次测量的主要思路是通过GPS测出边CE、CF、DE、DF的平面边长后，通过测角精度为0.5″的测量机器人对竖直角进行对向观测，结合同侧C点至D点、E点至F点水准仪观测高差，各组观测数据的各项指标满足规范[3]要求后，最终通过平差计算求得本测段的高差值。

2.2 水平距离测量

根据公式(1)，水平距离D的观测精度将直接影响最终高差成果的精度。为了保证水平距离D的观测精度，本方案中前期已建立包含整个测区的4个连续运行参考站；另外各测量平台上均浇筑一对便于GPS观测和全站仪观测的强制对中观测立柱。GPS观测按照《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314—2009)中的B级要求执行，采用15台GPS接收机和4个GNSS连续运行参考站系统同步观测，基线处理采用Bernese 5.0进行，并使用精密星历。网平差后最弱点平面点位中误差优于1.8 mm，最弱边边长中误差优于1.5 mm。

获得各相邻测量平台上观测点之间GPS基线长S后，通过改算获得其对应的平面距离D。其计算公式为

(2)

式(2)中h′为按下式计算的高差近似值，即

(3)

式中，ΔH为测段两点间的大地高差，ΔNEGM2008为根据EGM2008重力场模型计算的测段两点间的大地水准面差值之差。

2.3 角度测量

港珠澳大桥桥梁工程各测量平台是前期完成的试桩和埋置式承台足尺模型工艺试验后改造而成，其埋深各不相等。受潮汐、海风等外力的影响，各测量平台的不间歇振动无法消除，只有研究出特定的测量方案消除这种由于潮汐、海风等外力影响带来的振动。根据振动理论，一个处于平衡状态的弹性系统，当受到某种干扰，破坏原来的平衡状态后就将发生振动。另外通过对波浪力作用下四桩平台结构力学性能的有限元分析[4]，测量平台的位移时程曲线符合简谐振动理论的特征。为了进一步验证测量平台受潮汐、海风等外力影响引起的振动具有这样的规律性，本项目中通过对高精度倾角仪LE-30的RS232接口编程，实现其实时垂直倾角测量的记录。以其中一测量平台为例，连续观测其垂直倾角并实时记录，共记录观测值3 000个。所有观测值的平均值为2.6×10-10″，几乎完全接近于垂直，各观测值大小的分布情况如图3所示。

图3 测量平台竖直倾角变化(单位：″)

基于以上分析，为了满足全站仪实时记录垂直角的要求，本项目人员编制出基于串口连接电脑与全站仪，实现通过电脑程序控制全站仪测量的方式，实时测量并记录垂直角观测值，然后通过取平均消除潮汐、海浪、风力等造成测量平台轻微摆动的影响，求得最终每组观测数据的垂直角观测值。

通过多次实测取证，在避免潮汐和潮流峰值的前提下，均选择夜间平潮时段、风力微和时进行观测，因此引起测量平台晃动的主要原因为海浪。海浪是发生在海洋中的一种波动现象，其周期为0.5～25 s。每0.3 s记录一个观测值，每个角度半测回记录观测值150个，可以很好地消除测量平台摆动对测量值的影响。

2.4 数据处理及验证

本次外业共观测68组，外业数据采集完成后，对所有观测数据进行质量评估与分析，最终获得48组合格观测数据，其判定依据如下。

(1)单测回间跨海高差互差限差为

(4)

式中，MΔ为每千米水准测量偶然中误差限值/mm；N为单测回的测回数；S为跨河视线长度/km。

(2)环闭合差限差为

(5)

式中，MW为每千米水准测量偶然中误差限值/mm；S为跨河视线长度/km。

为了验证本方法测量结果的正确性，监理方和施工方分别采用不同的测量方法，其中监理方采用GPS三角高程测量方法施测，施工方采用经纬仪倾角法施测。

根据规范要求，西岛测量平台至K19测量平台需观测48组双测回数据，最终测量合格的48组双测回的环闭合差值和各双测回互差均满足规范限差要求。并最终通过平差计算获得图2所示C→E和F→D的高差，其测量结果与经纬仪倾角法测量结果的较差如表1所示。由此可确认本文所述超长距离GPS三角高程测量方法切实可行，测量结果可靠。

表1 本文方法与经纬仪倾角法测量高差较差

3 结束语

在超长距离的跨海或跨河高程测量中，寻找一种可靠、快速、高精度的测量方法是必要的。本文通过理论和实例数据分析，以港珠澳大桥的超长跨河高程传递为例，通过采用连续观测、自动记录观测数据的方法解决测量平台受周期性外界因素的影响。通过GPS和高精度全站仪结合的方法实现了港珠澳大桥高程控制网的建立。此方法与海洋学潮位观测法、经纬仪倾角法等方法相比，具有比较经济、周期短、作业方便等优势，不失为超长距离跨海或跨河高程测量一种有效可行的方法。

[1] 冯林刚，赵鹏全.GPS三角高程测量的方法及其应用[J].测绘通报，2006(4)

[2] 张艳.应用精密三角高程测量实现跨河水准的研究[J].合肥工业大学学报：自然科学版，2007(10):1345-1348

[3] GB/T12897—2006 国家一、二等水准测量规范[S]

[4] 居艮国，吕凤梧.波浪力作用下四桩平台结构力学性能的有限元分析[J].结构工程师，2012(2)

[5] 熊伟，吴迪军.港珠澳大桥GNSS连续运行参考站系统的设计与建设[J].铁道勘察，2013(3)

[6] 韩志国.计算机和全站仪数据通讯技术探讨[J].软件导刊，2008(3)

[7] 葛忠土.精密三角高程在大瑶山隧道二等水准测量中的应用[J].铁道勘察，2009(1)

[8] 郭秉江，许提多.Leica TCA1800高精度超长跨海高程传递[J].铁道勘察，2017(1)

[9] 韩菲，程传录，王小瑞.BERNESE 5.0软件及其在高精度GPS数据处理中应用[J].测绘信息与工程，2011(4)

[10]谭长建.波浪效应下大跨度斜拉桥索桥耦合振动研究[D].成都：西南交通大学，2009

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