GNSS联合全站仪在大型设备相位中心测量中的应用

2021-03-25高海荣陈胤璇胡盛江

西藏科技 2021年1期

高海荣陈胤璇胡盛江

（中国人民解放军32017部队，西藏拉萨 850000）

大型旋转设备在竣工后和在使用过程中，其相位中心会产生变化，精确测定设备三轴中心坐标，取得其相位中心坐标，适时对设备进行检校，能有效提高设备使用效能，因大型设备三轴中心位置不能够直接测得，可以根据设备的特征，选择合适的外部测量点，运用GNSS 联合全站仪测量发法测量其精确外部坐标，通过拟合和归算的方法，精确求得相位中心坐标。

1 GNSS测量技术简介

1.1 GNSS点位设置基本要求

GNSS 点位周围应便于安置接收设各和操作，视野开阔，视场内障碍物的高度角不宜超过15°；点位远离大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站等），其距离不小干200 m，远离高压输电线和微波无线电信号传送通道，其距离不得小于50 m；点位附近不应有强烈反射卫星信号的物件(如大型建筑物等)；点位地面基础稳定，易于点的保存。

1.2 GNSS观测要求

（1）GNSS 测量采用B 级精度要求；（2）接收机选用双频机，观测至少有L1、L2 载波相位；（3）同步观测接收机数大于3 台；（4）卫星截止高度角15°；（5）同时观测卫星数大于3 颗；（6）有效观测卫星总数大于9颗；（7）观测时段数大于2 段；（8）时段长度静态大于240分钟；（9）采样间隔30秒。

1.3 GNSS数据处理

（1）基线向量解算数据处理须采用专门的软件，计算结果中应包括相对定位坐标和协方差阵等平差所需的元素；（2) 观测数据质量分析必须合理，起算点坐标系应为ITRFRR 国际地球参考框架；（3）外业观测的气象数据要换算成适合于处理软件所需要的单位，当采用不同类型接收机时，应将观测数据转换成同一格式，高标点、偏心观测点，应根据天线高记录、投影手簿或归心用纸等计算归心改正数；（4）向量解算基线精处理应采用精密星历，观测值均应加人对流层延迟修正，对流层延迟修正模型中的气象元素可采用标准气象元素。

2 全站仪测量技术简介

2.1 水平角观测要求

（1）观测选择在通视良好、成像清晰稳定时进行；（2）观测前要认真调好焦距，消除视差，本次任务测回内可调焦，以保证对准的精度；（3）各测回起始方向应均匀分配度盘，以避免观测粗差的影响；（4）在上、下半测回之间纵转望远镜，以消除或减弱视准轴误差、水平轴倾斜误差的影响，同时可由盘左、盘右度数之差获得2C，以检核观测质量；（5）上下半测回照准目标的次序要相反，并保持每一个目标的操作时间大致相同；（6）测微螺旋和微动螺旋的最后操作一律按旋转方向转动，以避免微动螺旋隙动差的影响；（7）为减弱垂直轴倾斜误差的影响，观测中应保持视准部水准气泡居中，倾斜程度不得超出补偿范围。如果超出，应立即停止观测，重新整治仪器后再进行观测；（8）测量全程应尽量避免阳光直射仪器及脚架，应配备专门人员打伞，避免单面受热影响测量结果。

2.2 垂直角观测要求

（1）垂直角观测依据全站型电子速测仪测量规程中规定的垂直角测量精度要求；（2）采用中丝法观测；（3）观测至少4测回。

2.3 距离测量要求

（1）按全站型电子速测仪测量规程中三等测量要求量测；（2）测量斜距；（3）边长大于300m 时，应在站、镜两端读记气象元素，否则只记录一端气象元素即可。

3 相位中心位置确定

大型旋转设备的相位中心一般是设备的三轴中心的旋转中心，如图1 所示。旋转设备三轴天线旋转轴倾斜，可绕铅垂线作圆周转动，相位中心为其旋转中心，根据设备的制造不同，可能位于设备的内部或外部。

图1 天线设备的相位中心位置

在设备相位中心坐标测量中，通过测量位置归算至需求位置，实际作业中根据实际情况选择测量位置[1-2]。

3.1 圆拟合法

当测量位置选择在旋转轴顶部时，采用圆拟合法获得设备中心坐标，如图2所示。具体方法为：将两台GPS 接收机（或棱镜）同时固定在旋转轴顶部不同位置A、B，设备以一定角度绕旋转轴旋转，每旋转一定角度测量一组坐标，得到A1、B1、A2、B2、A3、B3……等旋转标志点的坐标和高程，然后拟合出两组点位的外接圆圆心O 的坐标和高程，通过比较，当符合限差要求时，以两者平均值作为最终坐标。旋转标志点不应少于3 个且均匀分布，以保证能拟合出外接圆圆心[3]，同时保证结果精度。

图2 圆拟合法测量位置

3.2 圆柱归心测量法

当测量位置选择在旋转轴下方时，采用圆柱归心测量法获得设备中心坐标，具体方法为：首先确定天线支承轴中心方位，利用全站仪，观测天线支撑轴左右两侧的水平角，取中数作为支承轴中心方位，并在天线杆上做出十字标记，如图3所示。

图3 圆柱归心法测量位置

确定天线支承轴中心方位后，使用全站仪测量该点位置，并量取该点至天线特征点距离，通过查询天线结构参数，如图4 所示，确定测量位置与需求位置的相对关系（半径和高差），将测量结果归算至需求位置。

图4 圆柱归心法测量归算

4 GNSS和全站仪组合测量

确定天线支承轴中心方位后，使用全站仪测量该点位置，并量取该点至天线特征点距离，通过查询天线结构参数，确定测量位置与需求位置的相对关系（半径和高差），将测量结果归算至需求位置。

4.1 极坐标测量法

对可安置棱镜或反射片的设备点位，可用极坐标测量法获取点位坐标，在便于观测的控制点上架站，选择大气稳定、能见度较好的天气进行观测，对所有通视的点位进行水平角、垂直角和斜距观测，计算目标点位坐标，通过数据拟合确定相位中心坐标，如图5所示。

图5 极坐标测量方法示意

4.2 前方交会测量法

部分无法安置棱镜或反射片的点位（如无法攀爬的高杆上设置的方位标），可用前方交会测量的方法获取坐标。如图6 所示，在三个已知点上按照测量精度要求，用方向观测法观测水平角和，分别求出P 点的两组坐标，利用两组坐标的距离来限制误差，符合要求时，取两组坐标的中数为点的最终结果。

图6 前方交会测量的方法示意

5 应用实例

对某大型旋转设备进行相位中心测量，首先在设备周边布设GNSS 控制网，在需要进行全站仪测量的点位附近布设临时控制点和方位点共同构成控制网，点间距离应在500m～1500m 之间，方位点之间不做通视要求，两个方位点和临时控制点之间的夹角应大于30°，小于5°。因设备旋转部位可以安置全站仪反射片，我们运用极坐标测量法进行测量[4-5]，选取3个不同位置，在设备旋转的不同阶段，测量6组坐标如表1。