超長跨海GPS三角高程傳遞
——以港珠澳大橋?yàn)槔?/h1>
2014-07-25 11:28:53閔陽
鐵道勘察 2014年2期
閔 陽
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)
超長跨海GPS三角高程傳遞
——以港珠澳大橋?yàn)槔?/p>
閔 陽
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)
以港珠澳大橋高程控制網(wǎng)測設(shè)為例，介紹一種通過測量機(jī)器人實(shí)時(shí)記錄豎直角，以消除測量平臺不穩(wěn)定性影響的GPS三角高程測量方法。
GPS 三角高程 跨海大橋 測量機(jī)器人
港珠澳大橋?qū)儆贕94珠三角環(huán)線高速的一部分，設(shè)計(jì)時(shí)速100～120 km，跨越珠江口伶仃洋海域，是連接香港、珠海及澳門的大型跨海通道，全長約50 km。主體工程“海中橋隧”長約36 km，成為世界最長的跨海大橋。港珠澳大橋首級控制網(wǎng)的測設(shè)是一個(gè)根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，結(jié)合已有測量理論和經(jīng)驗(yàn)，不斷自主創(chuàng)新和克服困難的過程。由于測量平臺的不穩(wěn)定性，高程控制網(wǎng)的測設(shè)尤為困難。
1 GPS三角高程測量方法
GPS三角高程測量的基本思想是：根據(jù)GPS網(wǎng)的基線改平邊長和相應(yīng)邊段上所觀測的豎直角，按三角公式計(jì)算各GPS點(diǎn)之間的高差，進(jìn)而求得GPS點(diǎn)的高程。如果已知測段兩點(diǎn)間的水平距離D，顧及地球曲率和大氣折光的影響，則測段兩點(diǎn)間的單向觀測的高差計(jì)算為[1]
(1)
式中，k為大氣垂直折光系數(shù)；R為地球半徑；D為測段兩點(diǎn)間的水平距離。
2 測量實(shí)施
2.1 概況
港珠澳大橋橋梁工程前期完成三個(gè)試樁(K19、K27、K33)及K23埋置式承臺足尺模型工藝試驗(yàn)后，將其改造為用于橋梁工程施工的測量平臺。四個(gè)測量平臺均位于橋軸線北側(cè)150 m處，其中K19、K27、K33三個(gè)測量平臺尺寸為 9.6 m×3.6 m，再加西島測量平臺，海上測量平臺共計(jì)5個(gè)。K19、K23、K27、K33及西島測量平臺上埋設(shè)強(qiáng)制對中觀測墩，與GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(HZMB-CORS)的洋環(huán)站、野貍島站、虎山站、新小冷水形成控制網(wǎng)。具體分布如圖1所示。
圖1 港珠澳大橋測量平面示意
為了驗(yàn)證基于GPS三角高程的超長跨海高程傳遞的可行性，本文以圖2所示控制網(wǎng)中的西島測量平臺至K19測量平臺為例，進(jìn)行實(shí)測和論證。
圖2 測點(diǎn)編號示意
如圖2所示，本次測量的主要思路是通過GPS測出邊CE、CF、DE、DF的平面邊長后，通過測角精度為0.5″的測量機(jī)器人對豎直角進(jìn)行對向觀測，結(jié)合同側(cè)C點(diǎn)至D點(diǎn)、E點(diǎn)至F點(diǎn)水準(zhǔn)儀觀測高差，各組觀測數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范[3]要求后，最終通過平差計(jì)算求得本測段的高差值。
2.2 水平距離測量
根據(jù)公式(1)，水平距離D的觀測精度將直接影響最終高差成果的精度。為了保證水平距離D的觀測精度，本方案中前期已建立包含整個(gè)測區(qū)的4個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站；另外各測量平臺上均澆筑一對便于GPS觀測和全站儀觀測的強(qiáng)制對中觀測立柱。GPS觀測按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314—2009)中的B級要求執(zhí)行，采用15臺GPS接收機(jī)和4個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)同步觀測，基線處理采用Bernese 5.0進(jìn)行，并使用精密星歷。網(wǎng)平差后最弱點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差優(yōu)于1.8 mm，最弱邊邊長中誤差優(yōu)于1.5 mm。
獲得各相鄰測量平臺上觀測點(diǎn)之間GPS基線長S后，通過改算獲得其對應(yīng)的平面距離D。其計(jì)算公式為
(2)
式(2)中h′為按下式計(jì)算的高差近似值，即
(3)
式中，ΔH為測段兩點(diǎn)間的大地高差，ΔNEGM2008為根據(jù)EGM2008重力場模型計(jì)算的測段兩點(diǎn)間的大地水準(zhǔn)面差值之差。
2.3 角度測量
港珠澳大橋橋梁工程各測量平臺是前期完成的試樁和埋置式承臺足尺模型工藝試驗(yàn)后改造而成，其埋深各不相等。受潮汐、海風(fēng)等外力的影響，各測量平臺的不間歇振動無法消除，只有研究出特定的測量方案消除這種由于潮汐、海風(fēng)等外力影響帶來的振動。根據(jù)振動理論，一個(gè)處于平衡狀態(tài)的彈性系統(tǒng)，當(dāng)受到某種干擾，破壞原來的平衡狀態(tài)后就將發(fā)生振動。另外通過對波浪力作用下四樁平臺結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析[4]，測量平臺的位移時(shí)程曲線符合簡諧振動理論的特征。為了進(jìn)一步驗(yàn)證測量平臺受潮汐、海風(fēng)等外力影響引起的振動具有這樣的規(guī)律性，本項(xiàng)目中通過對高精度傾角儀LE-30的RS232接口編程，實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)垂直傾角測量的記錄。以其中一測量平臺為例，連續(xù)觀測其垂直傾角并實(shí)時(shí)記錄，共記錄觀測值3 000個(gè)。所有觀測值的平均值為2.6×10-10″，幾乎完全接近于垂直，各觀測值大小的分布情況如圖3所示。
圖3 測量平臺豎直傾角變化(單位：″)
基于以上分析，為了滿足全站儀實(shí)時(shí)記錄垂直角的要求，本項(xiàng)目人員編制出基于串口連接電腦與全站儀，實(shí)現(xiàn)通過電腦程序控制全站儀測量的方式，實(shí)時(shí)測量并記錄垂直角觀測值，然后通過取平均消除潮汐、海浪、風(fēng)力等造成測量平臺輕微擺動的影響，求得最終每組觀測數(shù)據(jù)的垂直角觀測值。
通過多次實(shí)測取證，在避免潮汐和潮流峰值的前提下，均選擇夜間平潮時(shí)段、風(fēng)力微和時(shí)進(jìn)行觀測，因此引起測量平臺晃動的主要原因?yàn)楹＠?。海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動現(xiàn)象，其周期為0.5～25 s。每0.3 s記錄一個(gè)觀測值，每個(gè)角度半測回記錄觀測值150個(gè)，可以很好地消除測量平臺擺動對測量值的影響。
2.4 數(shù)據(jù)處理及驗(yàn)證
本次外業(yè)共觀測68組，外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，對所有觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估與分析，最終獲得48組合格觀測數(shù)據(jù)，其判定依據(jù)如下。
(1)單測回間跨海高差互差限差為
(4)
式中，MΔ為每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差限值/mm；N為單測回的測回?cái)?shù)；S為跨河視線長度/km。
(2)環(huán)閉合差限差為
(5)
式中，MW為每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差限值/mm；S為跨河視線長度/km。
為了驗(yàn)證本方法測量結(jié)果的正確性，監(jiān)理方和施工方分別采用不同的測量方法，其中監(jiān)理方采用GPS三角高程測量方法施測，施工方采用經(jīng)緯儀傾角法施測。
根據(jù)規(guī)范要求，西島測量平臺至K19測量平臺需觀測48組雙測回?cái)?shù)據(jù)，最終測量合格的48組雙測回的環(huán)閉合差值和各雙測回互差均滿足規(guī)范限差要求。并最終通過平差計(jì)算獲得圖2所示C→E和F→D的高差，其測量結(jié)果與經(jīng)緯儀傾角法測量結(jié)果的較差如表1所示。由此可確認(rèn)本文所述超長距離GPS三角高程測量方法切實(shí)可行，測量結(jié)果可靠。
表1 本文方法與經(jīng)緯儀傾角法測量高差較差
3 結(jié)束語
在超長距離的跨?；蚩绾痈叱虦y量中，尋找一種可靠、快速、高精度的測量方法是必要的。本文通過理論和實(shí)例數(shù)據(jù)分析，以港珠澳大橋的超長跨河高程傳遞為例，通過采用連續(xù)觀測、自動記錄觀測數(shù)據(jù)的方法解決測量平臺受周期性外界因素的影響。通過GPS和高精度全站儀結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了港珠澳大橋高程控制網(wǎng)的建立。此方法與海洋學(xué)潮位觀測法、經(jīng)緯儀傾角法等方法相比，具有比較經(jīng)濟(jì)、周期短、作業(yè)方便等優(yōu)勢，不失為超長距離跨?；蚩绾痈叱虦y量一種有效可行的方法。
[1] 馮林剛，趙鵬全.GPS三角高程測量的方法及其應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2006(4)
[2] 張艷.應(yīng)用精密三角高程測量實(shí)現(xiàn)跨河水準(zhǔn)的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007(10):1345-1348
[3] GB/T12897—2006 國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[S]
[4] 居艮國，呂鳳梧.波浪力作用下四樁平臺結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2012(2)
[5] 熊偉，吳迪軍.港珠澳大橋GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與建設(shè)[J].鐵道勘察，2013(3)
[6] 韓志國.計(jì)算機(jī)和全站儀數(shù)據(jù)通訊技術(shù)探討[J].軟件導(dǎo)刊，2008(3)
[7] 葛忠土.精密三角高程在大瑤山隧道二等水準(zhǔn)測量中的應(yīng)用[J].鐵道勘察，2009(1)
[8] 郭秉江，許提多.Leica TCA1800高精度超長跨海高程傳遞[J].鐵道勘察，2017(1)
[9] 韓菲，程傳錄，王小瑞.BERNESE 5.0軟件及其在高精度GPS數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用[J].測繪信息與工程，2011(4)
[10]譚長建.波浪效應(yīng)下大跨度斜拉橋索橋耦合振動研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009
Very Long Cross-Sea Height Transmission Based on GPS Trigonometric Leveling——A Case Study of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Survey
MIN Yang
2014-01-22
閔 陽(1983—)，男，2008年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)大地測量學(xué)與測量工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。
1672-7479(2014)02-0028-03
P224.2;P228.4
： B
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閔 陽
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)
超長跨海GPS三角高程傳遞
——以港珠澳大橋?yàn)槔?/p>
閔 陽
(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北武漢 430063)
以港珠澳大橋高程控制網(wǎng)測設(shè)為例，介紹一種通過測量機(jī)器人實(shí)時(shí)記錄豎直角，以消除測量平臺不穩(wěn)定性影響的GPS三角高程測量方法。
GPS 三角高程 跨海大橋 測量機(jī)器人
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1 GPS三角高程測量方法
GPS三角高程測量的基本思想是：根據(jù)GPS網(wǎng)的基線改平邊長和相應(yīng)邊段上所觀測的豎直角，按三角公式計(jì)算各GPS點(diǎn)之間的高差，進(jìn)而求得GPS點(diǎn)的高程。如果已知測段兩點(diǎn)間的水平距離D，顧及地球曲率和大氣折光的影響，則測段兩點(diǎn)間的單向觀測的高差計(jì)算為[1]
(1)
式中，k為大氣垂直折光系數(shù)；R為地球半徑；D為測段兩點(diǎn)間的水平距離。
2 測量實(shí)施
2.1 概況
港珠澳大橋橋梁工程前期完成三個(gè)試樁(K19、K27、K33)及K23埋置式承臺足尺模型工藝試驗(yàn)后，將其改造為用于橋梁工程施工的測量平臺。四個(gè)測量平臺均位于橋軸線北側(cè)150 m處，其中K19、K27、K33三個(gè)測量平臺尺寸為 9.6 m×3.6 m，再加西島測量平臺，海上測量平臺共計(jì)5個(gè)。K19、K23、K27、K33及西島測量平臺上埋設(shè)強(qiáng)制對中觀測墩，與GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(HZMB-CORS)的洋環(huán)站、野貍島站、虎山站、新小冷水形成控制網(wǎng)。具體分布如圖1所示。
圖1 港珠澳大橋測量平面示意
為了驗(yàn)證基于GPS三角高程的超長跨海高程傳遞的可行性，本文以圖2所示控制網(wǎng)中的西島測量平臺至K19測量平臺為例，進(jìn)行實(shí)測和論證。
圖2 測點(diǎn)編號示意
如圖2所示，本次測量的主要思路是通過GPS測出邊CE、CF、DE、DF的平面邊長后，通過測角精度為0.5″的測量機(jī)器人對豎直角進(jìn)行對向觀測，結(jié)合同側(cè)C點(diǎn)至D點(diǎn)、E點(diǎn)至F點(diǎn)水準(zhǔn)儀觀測高差，各組觀測數(shù)據(jù)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足規(guī)范[3]要求后，最終通過平差計(jì)算求得本測段的高差值。
2.2 水平距離測量
根據(jù)公式(1)，水平距離D的觀測精度將直接影響最終高差成果的精度。為了保證水平距離D的觀測精度，本方案中前期已建立包含整個(gè)測區(qū)的4個(gè)連續(xù)運(yùn)行參考站；另外各測量平臺上均澆筑一對便于GPS觀測和全站儀觀測的強(qiáng)制對中觀測立柱。GPS觀測按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》(GB/T18314—2009)中的B級要求執(zhí)行，采用15臺GPS接收機(jī)和4個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)同步觀測，基線處理采用Bernese 5.0進(jìn)行，并使用精密星歷。網(wǎng)平差后最弱點(diǎn)平面點(diǎn)位中誤差優(yōu)于1.8 mm，最弱邊邊長中誤差優(yōu)于1.5 mm。
獲得各相鄰測量平臺上觀測點(diǎn)之間GPS基線長S后，通過改算獲得其對應(yīng)的平面距離D。其計(jì)算公式為
(2)
式(2)中h′為按下式計(jì)算的高差近似值，即
(3)
式中，ΔH為測段兩點(diǎn)間的大地高差，ΔNEGM2008為根據(jù)EGM2008重力場模型計(jì)算的測段兩點(diǎn)間的大地水準(zhǔn)面差值之差。
2.3 角度測量
港珠澳大橋橋梁工程各測量平臺是前期完成的試樁和埋置式承臺足尺模型工藝試驗(yàn)后改造而成，其埋深各不相等。受潮汐、海風(fēng)等外力的影響，各測量平臺的不間歇振動無法消除，只有研究出特定的測量方案消除這種由于潮汐、海風(fēng)等外力影響帶來的振動。根據(jù)振動理論，一個(gè)處于平衡狀態(tài)的彈性系統(tǒng)，當(dāng)受到某種干擾，破壞原來的平衡狀態(tài)后就將發(fā)生振動。另外通過對波浪力作用下四樁平臺結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析[4]，測量平臺的位移時(shí)程曲線符合簡諧振動理論的特征。為了進(jìn)一步驗(yàn)證測量平臺受潮汐、海風(fēng)等外力影響引起的振動具有這樣的規(guī)律性，本項(xiàng)目中通過對高精度傾角儀LE-30的RS232接口編程，實(shí)現(xiàn)其實(shí)時(shí)垂直傾角測量的記錄。以其中一測量平臺為例，連續(xù)觀測其垂直傾角并實(shí)時(shí)記錄，共記錄觀測值3 000個(gè)。所有觀測值的平均值為2.6×10-10″，幾乎完全接近于垂直，各觀測值大小的分布情況如圖3所示。
圖3 測量平臺豎直傾角變化(單位：″)
基于以上分析，為了滿足全站儀實(shí)時(shí)記錄垂直角的要求，本項(xiàng)目人員編制出基于串口連接電腦與全站儀，實(shí)現(xiàn)通過電腦程序控制全站儀測量的方式，實(shí)時(shí)測量并記錄垂直角觀測值，然后通過取平均消除潮汐、海浪、風(fēng)力等造成測量平臺輕微擺動的影響，求得最終每組觀測數(shù)據(jù)的垂直角觀測值。
通過多次實(shí)測取證，在避免潮汐和潮流峰值的前提下，均選擇夜間平潮時(shí)段、風(fēng)力微和時(shí)進(jìn)行觀測，因此引起測量平臺晃動的主要原因?yàn)楹＠?。海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動現(xiàn)象，其周期為0.5～25 s。每0.3 s記錄一個(gè)觀測值，每個(gè)角度半測回記錄觀測值150個(gè)，可以很好地消除測量平臺擺動對測量值的影響。
2.4 數(shù)據(jù)處理及驗(yàn)證
本次外業(yè)共觀測68組，外業(yè)數(shù)據(jù)采集完成后，對所有觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評估與分析，最終獲得48組合格觀測數(shù)據(jù)，其判定依據(jù)如下。
(1)單測回間跨海高差互差限差為
(4)
式中，MΔ為每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差限值/mm；N為單測回的測回?cái)?shù)；S為跨河視線長度/km。
(2)環(huán)閉合差限差為
(5)
式中，MW為每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差限值/mm；S為跨河視線長度/km。
為了驗(yàn)證本方法測量結(jié)果的正確性，監(jiān)理方和施工方分別采用不同的測量方法，其中監(jiān)理方采用GPS三角高程測量方法施測，施工方采用經(jīng)緯儀傾角法施測。
根據(jù)規(guī)范要求，西島測量平臺至K19測量平臺需觀測48組雙測回?cái)?shù)據(jù)，最終測量合格的48組雙測回的環(huán)閉合差值和各雙測回互差均滿足規(guī)范限差要求。并最終通過平差計(jì)算獲得圖2所示C→E和F→D的高差，其測量結(jié)果與經(jīng)緯儀傾角法測量結(jié)果的較差如表1所示。由此可確認(rèn)本文所述超長距離GPS三角高程測量方法切實(shí)可行，測量結(jié)果可靠。
表1 本文方法與經(jīng)緯儀傾角法測量高差較差
3 結(jié)束語
在超長距離的跨?；蚩绾痈叱虦y量中，尋找一種可靠、快速、高精度的測量方法是必要的。本文通過理論和實(shí)例數(shù)據(jù)分析，以港珠澳大橋的超長跨河高程傳遞為例，通過采用連續(xù)觀測、自動記錄觀測數(shù)據(jù)的方法解決測量平臺受周期性外界因素的影響。通過GPS和高精度全站儀結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)了港珠澳大橋高程控制網(wǎng)的建立。此方法與海洋學(xué)潮位觀測法、經(jīng)緯儀傾角法等方法相比，具有比較經(jīng)濟(jì)、周期短、作業(yè)方便等優(yōu)勢，不失為超長距離跨?；蚩绾痈叱虦y量一種有效可行的方法。
[1] 馮林剛，趙鵬全.GPS三角高程測量的方法及其應(yīng)用[J].測繪通報(bào)，2006(4)
[2] 張艷.應(yīng)用精密三角高程測量實(shí)現(xiàn)跨河水準(zhǔn)的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007(10):1345-1348
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[4] 居艮國，呂鳳梧.波浪力作用下四樁平臺結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的有限元分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2012(2)
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Very Long Cross-Sea Height Transmission Based on GPS Trigonometric Leveling——A Case Study of Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Survey
MIN Yang
2014-01-22
閔 陽(1983—)，男，2008年畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)大地測量學(xué)與測量工程專業(yè)，工學(xué)碩士，工程師。
1672-7479(2014)02-0028-03
P224.2;P228.4
： B
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