一種高鐵測(cè)繪儀器基座外業(yè)檢校實(shí)用方法

王曉凱

(北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081)

測(cè)繪是交通與水利工程、建筑工程、地籍與房產(chǎn)、大型設(shè)備安裝調(diào)試、地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)等工作中常用的一種技術(shù)手段。在高精度工程測(cè)量方面，對(duì)測(cè)量成果的精度及基準(zhǔn)的穩(wěn)定需求較高，故對(duì)測(cè)繪儀器設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)的檢查校正十分必要。國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)測(cè)繪工程中常用的儀器設(shè)備檢校都做了相關(guān)的規(guī)定，但對(duì)于儀器系統(tǒng)的其他配件，如安置腳架、基座、支架等，其精密檢測(cè)往往被忽略。GB50026—2020《工程測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)》要求，水平角觀測(cè)儀器照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)軸正確性指標(biāo)應(yīng)按水準(zhǔn)氣泡或電子水準(zhǔn)氣泡在各位置的讀數(shù)較差衡量，對(duì)于0.5″級(jí)和1″秒級(jí)儀器，不應(yīng)超過(guò)0.3格，2″級(jí)儀器不應(yīng)超過(guò)1格，6″級(jí)儀器不應(yīng)超過(guò)1.5格[1]；GB/T18314 2009《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范》要求，GPS觀測(cè)用三腳架安置天線時(shí)，其對(duì)中誤差不應(yīng)大于1 mm[2]；TB10601—2009《高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范》要求，GPS觀測(cè)，天線安置應(yīng)嚴(yán)格對(duì)中整平，天線對(duì)中誤差不應(yīng)大于1 mm[3]；TB1010—2018《鐵路工程測(cè)量規(guī)范》要求，水平角觀測(cè)過(guò)程中，氣泡中心位置偏離值不得超過(guò)1格[4]。由此可見(jiàn)，測(cè)量工作中基座系統(tǒng)的整平對(duì)成果有較大影響。而實(shí)際工作中，由于保存不當(dāng)、長(zhǎng)距離運(yùn)輸顛簸、調(diào)平螺旋使用不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊?，使得基座狀態(tài)不良，會(huì)對(duì)測(cè)量成果產(chǎn)生不必要的精度損失。王建寧研發(fā)測(cè)量?jī)x器基座定器，將原基準(zhǔn)輪廓法、吊鉛垂法檢測(cè)效率提高3倍，但該設(shè)備并未量產(chǎn)推廣[5]；王四明等對(duì)全站儀垂直度盤(pán)進(jìn)行專項(xiàng)研究，但未考慮儀器假設(shè)后觀測(cè)系統(tǒng)的整體影響[6]；李翔研究智能化測(cè)量?jī)x器的自校準(zhǔn)技術(shù)，但不能解決設(shè)備運(yùn)輸及碰撞產(chǎn)生的問(wèn)題[7]。因此，在測(cè)繪工作進(jìn)行前，需采用切實(shí)可行的方法，檢查基座圓氣泡水平面在任意角度是否平行，光學(xué)對(duì)中器軸線與基座垂直軸線是否重合，再選用精度更高的基座進(jìn)行測(cè)繪作業(yè)和對(duì)變形基座進(jìn)行校正[8]。

1 存在問(wèn)題

蘇北某鐵路設(shè)計(jì)速度200 km/h。測(cè)區(qū)范圍河道縱橫，重點(diǎn)工程特大橋40余次跨道跨河，且設(shè)計(jì)至建設(shè)跨度達(dá)5年之久，為控制網(wǎng)復(fù)測(cè)帶來(lái)一定困難。該項(xiàng)目GNSS精密測(cè)量控制網(wǎng)第一次復(fù)測(cè)，數(shù)據(jù)分析中發(fā)現(xiàn)如下異?，F(xiàn)象。

(1)異步環(huán)超限較多

高速鐵路工程測(cè)量規(guī)范對(duì)GNSS測(cè)量中基線解算精度要求見(jiàn)表1。

表1 基線質(zhì)量檢驗(yàn)限差 mm

以該項(xiàng)目成果分析中的某處異常為例，其GNSS控制網(wǎng)形見(jiàn)圖1。

圖1 GNSS控制網(wǎng)形

與控制點(diǎn)CPⅡ151聯(lián)測(cè)的異步環(huán)均出現(xiàn)超限情況，表明該點(diǎn)的GNSS觀測(cè)存在粗差，GNSS異步環(huán)超限統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 GNSS異步環(huán)超限統(tǒng)計(jì) m

(2)復(fù)測(cè)成果分析異常

同上例，在控制點(diǎn)異常分析的過(guò)程中，CPⅠ080、CPⅡ151、CPⅡ150均為建網(wǎng)控制點(diǎn)，且現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查穩(wěn)定性良好，調(diào)取異常點(diǎn)的建網(wǎng)邊長(zhǎng)進(jìn)行比較，比較結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，在基線邊CPⅠ080-CPⅡ150復(fù)測(cè)較為穩(wěn)定的情況下， CPⅠ080-CPⅡ151、CPⅡ151-CPⅡ150兩條邊均變長(zhǎng)。一般情況下，若CPⅡ151控制樁出現(xiàn)樁位擾動(dòng)，一般會(huì)表現(xiàn)為一條邊變長(zhǎng)，一條邊變短的現(xiàn)象；若基線邊全部變長(zhǎng)，推測(cè)為受安裝設(shè)備不當(dāng)影響。因此，應(yīng)從儀器系統(tǒng)粗差分析入手，對(duì)所有儀器系統(tǒng)進(jìn)行檢查。

表3 GNSS控制網(wǎng)復(fù)測(cè)與建網(wǎng)邊長(zhǎng)比較 m

采用懸掛垂球確定基座系統(tǒng)的鉛垂軸，采用精度為0.02 mm/m的管水準(zhǔn)器(與設(shè)備出廠檢驗(yàn)同等級(jí))確定三腳架頂面的水平面。設(shè)計(jì)固定的檢測(cè)步驟，在不同角度下安置基座，可發(fā)現(xiàn)基座系統(tǒng)存在機(jī)械粗差。調(diào)平三腳架頂面后安置基座，懸掛垂球確定基座系統(tǒng)的光學(xué)對(duì)中位置，固定好分化板記錄該位置。

然后將基座旋轉(zhuǎn)120°重新安裝。通過(guò)目鏡觀測(cè)分化板中心，若基座狀態(tài)良好，則目鏡十字絲中心與分化板中心密合(見(jiàn)圖2)；若基座存在機(jī)械粗差，則目鏡十字絲中心會(huì)偏離分化板中心(見(jiàn)圖3)。

圖2 基座系統(tǒng)示意

通過(guò)以上檢測(cè)方法，對(duì)所有參與作業(yè)的GNSS接收機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)個(gè)別基座確實(shí)存在機(jī)械粗差的情況。對(duì)照觀測(cè)記錄發(fā)現(xiàn)，粗差較大的基座正是異常點(diǎn)CPⅡ151，證明了判斷的正確性。

2 解決方案

受測(cè)繪外業(yè)工作性質(zhì)的影響，研究笨重的專用檢定臺(tái)沒(méi)有實(shí)用價(jià)值。因此，需利用基座本身結(jié)構(gòu)的平行、垂直關(guān)系以及光學(xué)照準(zhǔn)的特性，研究一種簡(jiǎn)易的精密基座檢測(cè)方法[9]。

2.1 測(cè)量基座結(jié)構(gòu)

用于檢查校正的基座系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)配備基座、精密支架[10]，見(jiàn)圖3、圖4，關(guān)鍵部件包括對(duì)中部件(光學(xué)對(duì)中器)及整平部件(圓水準(zhǔn)器及安置與精密支架上的管水準(zhǔn)器)。

圖3 測(cè)量基座

圖4 精密測(cè)量支架

(1)對(duì)中

對(duì)中器對(duì)中誤差直接關(guān)系到測(cè)量成果的精度，分為光學(xué)對(duì)中器和激光對(duì)中器，光學(xué)對(duì)中器因其高精度的特點(diǎn)而被更廣泛應(yīng)用，一般光學(xué)對(duì)中器位于基座的照準(zhǔn)部上。通過(guò)目鏡觀測(cè)對(duì)中目標(biāo)，若儀器置于水平狀態(tài)，則光學(xué)對(duì)中器目鏡十字絲中心與目標(biāo)中心完全重合[11]。

(2)整平

儀器整平狀態(tài)通過(guò)安裝于基座一側(cè)的圓水準(zhǔn)器或精密支架上的管水準(zhǔn)器來(lái)判斷(見(jiàn)圖5)，因管水準(zhǔn)器標(biāo)記有精密的分劃，故對(duì)基座的檢查校準(zhǔn)必須采用管水準(zhǔn)器加以標(biāo)記判斷。

圖5 管水準(zhǔn)器

管水準(zhǔn)器上相鄰分化線間的圓弧長(zhǎng)度(弧長(zhǎng)2 mm)所對(duì)圓心角τ稱為水準(zhǔn)管分化值，又稱靈敏度；ρ為角度化弧度常數(shù)。水準(zhǔn)管分化值的實(shí)際意義可以理解為：當(dāng)氣泡移動(dòng)2 mm時(shí)水準(zhǔn)管軸所傾斜的角度。設(shè)水準(zhǔn)管內(nèi)壁圓弧的曲率半徑為R，則水準(zhǔn)管分化值為

(1)

水準(zhǔn)管分化值越高，則靈敏度越高，置平的精度也越高。精密測(cè)量支架上的水準(zhǔn)管一般安裝在圓柱形上面開(kāi)有窗口的金屬管內(nèi)，一端用球形支點(diǎn)支撐，另一端用校正螺絲將金屬管固定在支架上。轉(zhuǎn)動(dòng)校正螺釘，可以使水準(zhǔn)管一端產(chǎn)生微小的升降，用來(lái)校正管軸?；系脑疁?zhǔn)器是將一個(gè)圓柱形的玻璃盒裝于金屬盒內(nèi)，玻璃盒頂面內(nèi)壁磨成球面，盒內(nèi)裝有酒精或乙醚并形成氣泡。圓水準(zhǔn)器頂面外部刻有小圓圈。受重力作用，當(dāng)氣泡居中時(shí)，圓水準(zhǔn)軸處于鉛垂位置。圓水準(zhǔn)器的分化值一般為8′/2 mm。可見(jiàn)其靈敏度非常低，不能用作基座系統(tǒng)檢校的判斷依據(jù)。

2.2 測(cè)量基座檢查校正

(1)檢查基座機(jī)械狀態(tài)

檢查調(diào)高螺旋的穩(wěn)定性，檢查基座結(jié)構(gòu)的隙動(dòng)差，檢查圓水準(zhǔn)氣泡、支架管水準(zhǔn)器的安置穩(wěn)定性等。

(2)置平三腳架

使用管水準(zhǔn)器整平三腳架平臺(tái)，使平臺(tái)達(dá)到0.02 mm/m水平檢測(cè)置平狀態(tài)，其底部也會(huì)處于水平狀態(tài)。安置基座，使基座三角基本與三腳架對(duì)應(yīng)平行(或理解為任意兩角螺旋與角架對(duì)應(yīng)兩角平行)。

(3)調(diào)平基座，固定標(biāo)記分化板

擰緊固定螺釘并精密調(diào)平。懸掛垂球，在標(biāo)記板上精確標(biāo)記鉛垂線垂足。取下垂球，通過(guò)光學(xué)對(duì)中器觀測(cè)，確定光學(xué)對(duì)中器分化板十字絲中心與標(biāo)記板標(biāo)記是否重合；若不重合，則調(diào)整基座角螺旋至完全重合。

(4)檢查基座

將基座分別旋轉(zhuǎn)90°、180°之后旋上固定螺釘，檢查光學(xué)對(duì)中器的目鏡十字絲與固定標(biāo)記分化板中心是否重合，確定光學(xué)對(duì)中器的光學(xué)垂線和豎軸是否重合，反復(fù)檢查篩選狀態(tài)不良的基座。

(5)校準(zhǔn)基座

對(duì)于光學(xué)對(duì)中器的目鏡十字絲與固定標(biāo)記分化板中心偏差較大的基座，應(yīng)校正其圓水準(zhǔn)氣泡，分化板檢測(cè)校準(zhǔn)示意見(jiàn)圖6。

圖6 分化板檢測(cè)校準(zhǔn)示意

由圖6可知，首先旋轉(zhuǎn)基座180°，確定光學(xué)垂足(基座豎軸)在分化板上偏離鉛垂足的位置(檢測(cè)位置標(biāo)記為3τ)，調(diào)整檢測(cè)位置對(duì)稱象限的校正螺釘(若檢測(cè)位置位于分化板坐標(biāo)系第二象限，則調(diào)整目標(biāo)為第四象限的校正螺釘)，順時(shí)針調(diào)整檢測(cè)位置至校準(zhǔn)位置，調(diào)程為重合中心調(diào)程的1/2(調(diào)至1.5τ)，利用角螺旋調(diào)整基座光學(xué)對(duì)中器的目鏡十字絲與固定標(biāo)記分化板中心完全重合；同理，確定基座旋轉(zhuǎn)90°后的校準(zhǔn)位置，調(diào)整校正螺釘至回歸1/2，利用角螺旋調(diào)整回歸另1/2。

(6)安置基座

重復(fù)步驟(5)，直至任意方向安置基座時(shí)目鏡十字絲與固定標(biāo)記分化板中心完全重合，校正完成。

3 實(shí)施效果

通過(guò)以上規(guī)定檢查校正流程，對(duì)所有參與觀測(cè)的GNSS基座系統(tǒng)進(jìn)行檢查校正。再次對(duì)異常超限的控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)，其GNSS異步環(huán)計(jì)算及與建網(wǎng)時(shí)觀測(cè)邊長(zhǎng)比較統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表4。比較相同邊長(zhǎng)復(fù)測(cè)與建網(wǎng)情況見(jiàn)表5。

表4 GNSS異步環(huán)超限統(tǒng)計(jì) m

表5 GNSS控制網(wǎng)復(fù)測(cè)與建網(wǎng)邊長(zhǎng)比較 m

由表4、表5可知，當(dāng)GNSS觀測(cè)基線不再表現(xiàn)為全部變長(zhǎng)時(shí)，基座在經(jīng)過(guò)校正后，對(duì)消除對(duì)中整平儀器的系統(tǒng)誤差具有積極效果，對(duì)改善觀測(cè)成果精度具有較好效果。

4 結(jié)論

測(cè)繪是一個(gè)較為繁瑣的過(guò)程，測(cè)繪學(xué)科中的精度問(wèn)題往往只是測(cè)量成果中隨機(jī)誤差特性的一種描述，以及對(duì)測(cè)量過(guò)程中部分精度損失量的估計(jì)，單純將精度理解為成果絕對(duì)誤差范圍的描述有失偏頗。因此，應(yīng)當(dāng)從測(cè)量作業(yè)規(guī)范性出發(fā)做好細(xì)節(jié)工作，才能切實(shí)提高測(cè)量工作的精度及其實(shí)用性。不難看出，雖然通過(guò)對(duì)基線輕微調(diào)整可以解決復(fù)測(cè)部分粗差問(wèn)題，但復(fù)測(cè)成果具有不穩(wěn)定性。通過(guò)提出的基座外業(yè)檢校方法，可實(shí)現(xiàn)測(cè)繪基座的快速檢查，并校準(zhǔn)達(dá)到0.02 mm/m的高水平精度，可排除測(cè)繪系統(tǒng)誤差的影響部分，減少不必要的外業(yè)返工，更好地提高測(cè)量效率與成果質(zhì)量。