一种高精度超大仪器高的测量方案设计

马 娜,罗红斌,梁 静,柯志勇,何振强

(1. 中国科学院高能物理研究所,北京 100049; 2. 东莞中子科学中心,广东 东莞 523803; 3. 陕西省测绘地理信息局,陕西 西安 710054)

一种高精度超大仪器高的测量方案设计

马 娜1,2,罗红斌3,梁 静1,2,柯志勇1,2,何振强1,2

(1. 中国科学院高能物理研究所,北京 100049; 2. 东莞中子科学中心,广东 东莞 523803; 3. 陕西省测绘地理信息局,陕西 西安 710054)

针对中国散裂中子源(CSNS)隧道内装置区永久点采用常规GPS三脚架观测模式中对中整平和仪器高量取精度差等问题，提出了一种高精度的仪器对中和超大仪器高的测量方案。该方案设计可微调的屋顶支架、目标半球垂准镜，实现了仪器的稳固安置和精确对中；改造GPS天线头支架适于放置目标球，以便采用激光跟踪仪获取高精度的超大仪器高；最后通过激光跟踪仪对隧道内6个装置区永久点重复两次测量，并与钢尺测量结果进行比较。结果表明，该方案可实现高30 m内仪器0.5 mm的对中精度和0.2 mm的量高精度，避免了卷尺测量尺长受拉伸影响的缺点，有效解决了CSNS装置永久点的精密对中和超大仪器高的获取，也为同类点位的对中和仪器高测量提供了借鉴和参考。

超大仪器高;半球垂准镜;天线头支架改造;激光跟踪仪

中国散裂中子源(CSNS)[1-2]是中科院高能物理研究所与广东省共建的发展中国家第一台高能强流质子加速器装置，建成后可为我国多学科创新提供良好机遇。该加速器属高精密大型装置，各设备相对安装定位精度要求达亚毫米级，其中直线、环和输运线隧道控制网是设备安装的基准。为实现对各部分隧道控制网的全局控制，在整个装置区域建立了高精度的地面一级控制网。该地面控制网由园区永久点和装置区永久点构成，其中，装置区永久点位于地下20多米深的隧道地面上。受园区内地形、建筑物及园区施工的影响，若采用全站仪对控制网进行常规转站观测，会极大降低测量精度，因此考虑采用GPS测量[3-4]。这就需要解决隧道内装置区永久点的测量问题，显然该类点的测量只能在位于其正上方的房顶或地面进行，重难点在大距离、高精度的投点对中和仪器高的获取。

通常，GPS可依赖三脚架或观测墩进行投点观测，仪器高可采用卷尺或钢板尺量取，对于特殊情况还可借助附近已知水准点量取[5-6]。但对位于地下20多米深的装置永久点却无法通过上述途径实现高精度对中和量高。因此，本文提出一套可行的高精度超大仪器高测量方案，设计屋顶仪器支架和目标半球垂准镜，并采用高精度的投点仪，完成0.5 mm的精密对中；改造天线头支架，采用激光跟踪仪隧道转站观测模式，有效解决隧道内0.2 mm精度的超大仪器高获取。该方案已用于CSNS地面控制网的观测，并成功指导了设备在隧道的精密安装。本文分别从控制网点位结构、对中整平、量高装置和数据检核等方面进行详细说明。

1 控制网及点位结构介绍

CSNS地面控制网是隧道控制网的上一级控制网，由5个园区永久点和8个装置区永久点构成，点位布局如图1所示。5个园区永久点分布在装置区的外围，形成对整个装置的全局控制；8个装置区永久点分别分布在直线隧道、环隧道、高能输运线隧道和靶站，每区域各2个点，实现对隧道控制网的分段控制。

由于隧道控制网与地面控制点的联测需要，CSNS装置区永久点标志位于地下20多米的深隧道内，但其构造完全不同于其他隧道控制点，如图2所示。普通隧道控制网点是用膨胀螺栓直接安装在隧道地面或墙面上的标志，采用不锈钢加工，可吸附跟踪仪38.1 mm目标镜。当隧道墙体和地面发生变形时，点位也随之跑动，通常在周围环境稳定之前隧道控制网需经过多次测量。而装置区永久点在隧道内通过直径为40 cm的钢管与地面进行通视(如图3所示)，并作为隧道控制网的基准点，要求稳定性良好。因此将地面控制网点建设在基岩上，外围采用圆形钢性护桶，内柱用钢筋混凝土浇筑而成，内柱与护筒之间保留5 cm的间隙，避免混凝土桩受外力作用而引起摆动，内桩上浇筑可放置跟踪球目标镜的地面点位标定。由此可知，地面控制点因不受隧道变形、地面沉降等的影响，可保证良好的稳定性。

图2 装置区永久点结构

2 测量方案

地面网测量采用Leica GS10和GS15 GPS测量仪，如图3所示。在通视孔上方依次安置仪器支架、三角基座、天线头支架和GPS天线，进行装置区永久点的观测。重点考虑以下两点：一是确保天线几何中心与该控制点在同一垂直线，因三角基座、天线头支架和GPS天线均为仪器自带附件，组装完成后三者在同一垂直线上，因此确保三角基座的几何中心与控制点在同一垂直线即可；二是如何精确获得天线机械参考面到装置区永久点参考面的距离，即天线高[7-10]。围绕上述问题，测量方案主要从对中整平装置的设计和仪器高的量取方案两方面展开。

图3 装置区永久点测量示意图

2.1 投点对中整平装置设计

2.1.1 稳定可调的仪器支架

地面网观测过程中，CSNS园区正在进行土建施工，点位周围环境复杂，震动大，如在通视孔上采用三脚架安置仪器，稳定性差，观测过程中仪器极易发生跑动，且下次地面网观测中仪器重复对中精度差。针对该问题，设计了稳定、可通视、水平4方向自由调节的屋顶不锈钢支架，如图4所示。

图4 屋顶支架示意图

支架由底座、平移台和调节机构组成。首先在支架上安装投点仪，通过垫片、支架整体平移使支架中心与隧道点位粗略对中整平，且在底座钢圈上安装膨胀螺栓，使支架相对于与地面实现永久固定；上层平移台顶部有突出的中空螺柱，可与GPS仪器配套的三角基座连接，投点仪可通过中空部分实现从地面向隧道内点位的通视；底座上平面焊接有4个呈90°的螺杆调整机构，可使平移台前后左右调节，对中整平完成后锁紧4方向螺杆，使平移台、GPS三角基座及仪器支架可靠固定。可见该屋顶支架既能实现自由对中调整，又能解决投点对中观测模式中的支架易跑动问题，为GPS可靠观测提供了保证。

2.1.2 半球垂准镜设计与投点仪选择

为便于激光跟踪仪观测，隧道内控制点和装置区永久点等点位标志均设计成可放置5 cm跟踪仪反射镜的球弧状，致使在地面进行20多米高的投点对中时无精确的瞄准目标。因此，设计了可安置于点位标志上的高精度投点目标半球垂准镜，如图5所示。半球面上刻画有直径为1 mm的圆点及线粗为1 mm，外径分别为6、12、20 mm的3条红色同心圆刻线，用于投点目标的寻找和对中精度估计。半球在加工过程中必须满足以下两条件：一是该投点目标镜是直径与激光跟踪仪5 cm反射镜直径完全相同的标准半球；二是刻画半球面上的中心圆点及同心圆刻线圆心必须与半球球心严格重合，以确保地面上GPS观测点位与隧道内跟踪仪观测点位为同一点。半球垂准镜的加工精度直接关系投点和观测精度，完全依靠高精度的机械加工，因此选择合格的加工厂家十分重要。对加工完成的5个半球垂准镜采用工具显微镜进行检测，发现其刻线精度约为0.05 mm，符合设计要求。

图5 半球垂准镜

投点仪采用Leica公司生产的NL投点仪[11]，如图6所示。该投点仪对于100 m的目标，从两相反方向观测时，其互差仅为0.5 mm。在GPS三角基座上安置该投点仪，多次调节平移台螺杆和GPS三角基座的角螺旋，使目镜的十字刻线严格对称划分半球垂准镜球心的1 mm圆点，且投点仪水泡居中，完成GPS三角基座与的隧道点位标志的精密对中整平。

图6 Leica NL投点仪

对于CSNS装置区永久点20多米高的投点，仪器误差约为0.3 mm，附加垂准镜的加工误差及人眼瞄准误差等，总投点误差估计可控在0.5 mm之内。投点误差可通过以下介绍的跟踪仪方法进行检验。

2.2 仪器高的量取

在完成支架定位和三角基座的对中整平后，还要进行GPS仪器高的量取。由图3可知，装置区永久点参考面到天线机械参考面的距离可划分为两部分：一是天线机械参考面到天线头支架底面的距离，Leica GS15和GS10的天线机械参考面与天线头支架的上顶面重合，因此该距离就是天线头上顶面到下底面的距离，即天线头支架的长度；二是天线头支架底面到半球垂准镜的距离，称为天线头支架的高度。前者为一常数，可通过Leica公司或采用三坐标机测量获得；后者需现场测量。

钢卷尺的尺长极易受温度和拉力等因素的影响，常规GPS点位仪器高一般在1.5 m之内，可通过钢卷尺测量获得。但采用钢尺对高为20多米的装置区永久点的仪器高进行测量，多次测量间的尺长变化约2～3 mm，显然钢卷尺并不适合较大仪器高的量取。因此，通过改造GPS天线头支架，并在隧道内采用激光跟踪仪行转站测量获得天线头底面到垂准镜的距离，最终实现超大仪器高的高精度获取。

2.2.1 天线头支架改造

激光跟踪仪要实现对天线头支架底面的测量，就要求天线头支架底部能够吸附跟踪仪反射镜。Leica自带的天线头支架内部中空，无法直接安装反射镜，因此需要进行必要改装。根据天线头支架的空间结构，专门设计安装于支架内部的反射镜固定机构，该机构可吸附2.2 cm的跟踪仪反射镜，如图7所示。该机构由上顶块、压紧螺杆、下压块和球窝装置构成。设计思路是通过旋转压紧螺杆，使上顶块紧贴天线头支架内顶面，下压块紧贴天线头支架内底面，球窝通过螺杆安装于下压块上，在球窝中心的中空部分安装磁块以吸附反射镜。该机构具有以下特点：①反射镜的球心与天线头支架垂直轴重合；②反射镜的球心与天线头支架底面在同一平面。对加工改造完成的天线头支架进行检验，反射镜的球心与天线头支架垂直轴和底面的差均在0.05 mm，符合设计要求。

图7 天线头支架改造

2.2.2 激光跟踪仪

目前，激光跟踪仪品牌主要有美国的Faro和瑞士的Leica。两家公司结合工作环境均生产出多种型号跟踪仪，如Faro公司的Faro ION、Faro Vantage和Leica公司的AT901、AT401等。上述激光跟踪仪均能满足仪器高测量精度要求。该方案测量采用Leica AT401[12](如图8所示)，其水平测量范围0～360°，垂直测量范围0～290°，测量距离达320 m，测量精度达10 um,能实现超大空间范围内的精密测量。且目前仅有该型跟踪仪能够进行天顶方向测量，满足方案中通视孔正上方天线头支架底部小球观测的需要。

图8 Leica AT401激光跟踪仪

2.2.3 仪器高的转站测量

激光跟踪仪无法垂直向下观测，方案采用转站测量[13]，间接获取天线头支架高度。

假设装置永久点点名为GC01，隧道通视孔上方点即天线头支架底部中心点命名为GC01_T。测量方案如图9所示，分两站测量：第1站在靠近装置永久点GC01的隧道地面上随意安置仪器，测量GC01和仪器附近的隧道控制点(简称为转站点)，获得GC01和转站点之间的相互关系；第2站在点GC01上方安置仪器，仪器无需精密对中，只需天线头支架底部吸附的反射镜即GC01_T可接收到激光跟踪仪发射的激光即可，通过仪器内置水平仪测量水平，观测第1站观测的转站点和GC01_T，获得转站点与GC01_T的相互关系。两站测量通过转站点进行搭接，并以地面控制点GC01为原点，以水平面的法线为Z轴建立GC01水平坐标系。在GC01水平坐标系下，GC01_T的Z向值即为天线头支架高，天线头支架高与已知的天线头支架长度之和，即为GPS仪器高；X和Y值为GC01_T相对于GC01在平面方向的偏差，如不考虑测量误差，可近似认为投点误差。因此，该测量方案在获得仪器高的同时也检测了投点精度，且避免了跟踪仪在隧道内的二次投点对中误差，但同时引入了转站误差。根据该仪器的使用经验，小范围内该仪器的转站误差可控在0.1 mm内，远小于普通的三脚架投点误差。

图9 转站测量示意图

依据此方案，对CSNS的6个位于隧道内的装置区永久点的仪器高分别采用跟踪仪和卷尺各重复测量两次。对两次测量结果求均值和差值，并将跟踪仪和卷尺均值结果求差值，结果见表1。从表中可以看出，采用跟踪仪测量，天线头支架底部中心的平面X向和Y向均值在0.45 mm内，考虑天线头支架在平面方向0.05 mm的改造误差，则该方案投点对中精度可达到0.5 mm，与估计的设计精度相当；跟踪仪测量在高程向差值Z1-Z2在0.1 mm内，考虑天线头支架在垂直方向0.05 mm的改造误差，同样该方案的量高精度可达到0.2 mm；而采用卷尺测量，两次测量结果差值在2 mm内；卷尺量高均值与跟踪仪量高均值差值不大于2.5 mm，且均小于跟踪仪量高值，可见卷尺在测量过程中均被不同程度拉伸，造成尺度减小。

表1 天线头支架底部中心点测量值与卷尺比较 mm

3 结 语

在加速器地面控制网测量中，地面控制点尤其是装置区永久点的GPS高程测量极为重要。本文方案有效解决了超大仪器高测量中高精度的仪器对中和仪器高的精密获取问题。通过设计屋顶支架、半球垂准镜，实现了仪器的稳固安置和精确对中；改造GPS天线头支架，采用激光跟踪仪，实现了超大仪器高的高精度获取；最后采用该方案对隧道内6个装置区永久点进行了重复测量，并同钢尺测量结果进行了比较。结果表明，该方案可实现高30 m内仪器0.5 mm的对中精度和0.2 mm的量高精度，避免了卷尺测量尺长受拉伸影响的缺点，同时也为同类点位高精度对中和仪器高的测量提供了借鉴和参考。

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AHighPrecisionMeasurementDesigntoObtainSuperInstrumentHeight

MA Na1,2,LUO Hongbin3,LIANG Jing1,2,KE Zhiyong1,2,HE Zhenqiang1,2
(1. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2. Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China; 3. Shaanxi Bureau of Surveying, Mapping and Geoinformation, Xi’an 710054, China)

Since the accuracy of centering leveling and instrument height measurement is poor when the permanent point of device area in tunnel of the Chinese spallation neutron source (CSNS) being observing in the conventional GPS tripod observation mode, a high precision measurement scheme is proposed. In the scheme, the fine-tuned roof bracket and the hemisphere plumbing mirror are designed to ensure stable placement and precise alignment. GPS antenna head bracket is modified to be suitable for placing the target ball and use laser tracker to obtain high precision large instrument height. Finally, six permanent points are measured twice individually using laser tracker which result is compared with the measurement result using the ruler. The results show that the scheme can achieve a high accuracy of 0.5 mm in centering and 0.2 mm in height measuring, which avoids the influence of stretching using ruler to measure, and effectively improve the precision of centering and large instrument height measurement of the permanent point of device area of the CSNS. In addition, the new scheme also provides reference for centering and instrument height measurement of similar points.

super-large instrument height; hemisphere plumbing mirror; modification of antenna head bracket; laser tracker

马娜,罗红斌,梁静,等.一种高精度超大仪器高的测量方案设计[J].测绘通报，2017(10)：128-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0330.

2017-02-21

国家自然科学基金(11605215)

马 娜(1987—)，女，硕士，工程师，主要从事精密工程测量及粒子加速器准直测量的理论方法与技术研究。E-mail:mana870518@163.com

P258

A

0494-0911(2017)10-0128-05