王曉凱

(北京鐵科特種工程技術(shù)有限公司，北京 100081)

測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)測等工作中常用的一種技術(shù)手段。在高精度工程測量方面，對測量成果的精度及基準的穩(wěn)定需求較高，故對測繪儀器設(shè)備進行系統(tǒng)的檢查校正十分必要。國家計量標準中，對測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，其精密檢測往往被忽略。GB50026—2020《工程測量標準》要求，水平角觀測儀器照準部轉(zhuǎn)軸正確性指標應(yīng)按水準氣泡或電子水準氣泡在各位置的讀數(shù)較差衡量，對于0.5″級和1″秒級儀器，不應(yīng)超過0.3格，2″級儀器不應(yīng)超過1格，6″級儀器不應(yīng)超過1.5格[1]；GB/T18314 2009《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》要求，GPS觀測用三腳架安置天線時，其對中誤差不應(yīng)大于1 mm[2]；TB10601—2009《高速鐵路工程測量規(guī)范》要求，GPS觀測，天線安置應(yīng)嚴格對中整平，天線對中誤差不應(yīng)大于1 mm[3]；TB1010—2018《鐵路工程測量規(guī)范》要求，水平角觀測過程中，氣泡中心位置偏離值不得超過1格[4]。由此可見，測量工作中基座系統(tǒng)的整平對成果有較大影響。而實際工作中，由于保存不當、長距離運輸顛簸、調(diào)平螺旋使用不當?shù)纫蛩赜绊懀沟没鶢顟B(tài)不良，會對測量成果產(chǎn)生不必要的精度損失。王建寧研發(fā)測量儀器基座定器，將原基準輪廓法、吊鉛垂法檢測效率提高3倍，但該設(shè)備并未量產(chǎn)推廣[5]；王四明等對全站儀垂直度盤進行專項研究，但未考慮儀器假設(shè)后觀測系統(tǒng)的整體影響[6]；李翔研究智能化測量儀器的自校準技術(shù)，但不能解決設(shè)備運輸及碰撞產(chǎn)生的問題[7]。因此，在測繪工作進行前，需采用切實可行的方法，檢查基座圓氣泡水平面在任意角度是否平行，光學對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行測繪作業(yè)和對變形基座進行校正[8]。

1 存在問題

蘇北某鐵路設(shè)計速度200 km/h。測區(qū)范圍河道縱橫，重點工程特大橋40余次跨道跨河，且設(shè)計至建設(shè)跨度達5年之久，為控制網(wǎng)復測帶來一定困難。該項目GNSS精密測量控制網(wǎng)第一次復測，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

高速鐵路工程測量規(guī)范對GNSS測量中基線解算精度要求見表1。

表1 基線質(zhì)量檢驗限差 mm

以該項目成果分析中的某處異常為例，其GNSS控制網(wǎng)形見圖1。

圖1 GNSS控制網(wǎng)形

與控制點CPⅡ151聯(lián)測的異步環(huán)均出現(xiàn)超限情況，表明該點的GNSS觀測存在粗差，GNSS異步環(huán)超限統(tǒng)計見表2。

表2 GNSS異步環(huán)超限統(tǒng)計 m

(2)復測成果分析異常

同上例，在控制點異常分析的過程中，CPⅠ080、CPⅡ151、CPⅡ150均為建網(wǎng)控制點，且現(xiàn)場調(diào)查穩(wěn)定性良好，調(diào)取異常點的建網(wǎng)邊長進行比較，比較結(jié)果見表3。

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

表3 GNSS控制網(wǎng)復測與建網(wǎng)邊長比較 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的管水準器(與設(shè)備出廠檢驗同等級)確定三腳架頂面的水平面。設(shè)計固定的檢測步驟，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)的光學對中位置，固定好分化板記錄該位置。

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

圖2 基座系統(tǒng)示意

通過以上檢測方法，對所有參與作業(yè)的GNSS接收機進行檢測，發(fā)現(xiàn)個別基座確實存在機械粗差的情況。對照觀測記錄發(fā)現(xiàn)，粗差較大的基座正是異常點CPⅡ151，證明了判斷的正確性。

2 解決方案

受測繪外業(yè)工作性質(zhì)的影響，研究笨重的專用檢定臺沒有實用價值。因此，需利用基座本身結(jié)構(gòu)的平行、垂直關(guān)系以及光學照準的特性，研究一種簡易的精密基座檢測方法[9]。

2.1 測量基座結(jié)構(gòu)

用于檢查校正的基座系統(tǒng)應(yīng)當配備基座、精密支架[10]，見圖3、圖4，關(guān)鍵部件包括對中部件(光學對中器)及整平部件(圓水準器及安置與精密支架上的管水準器)。

圖3 測量基座

圖4 精密測量支架

(1)對中

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

(2)整平

儀器整平狀態(tài)通過安裝于基座一側(cè)的圓水準器或精密支架上的管水準器來判斷(見圖5)，因管水準器標記有精密的分劃，故對基座的檢查校準必須采用管水準器加以標記判斷。

圖5 管水準器

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

(1)

水準管分化值越高，則靈敏度越高，置平的精度也越高。精密測量支架上的水準管一般安裝在圓柱形上面開有窗口的金屬管內(nèi)，一端用球形支點支撐，另一端用校正螺絲將金屬管固定在支架上。轉(zhuǎn)動校正螺釘，可以使水準管一端產(chǎn)生微小的升降，用來校正管軸?；系脑疁势魇菍⒁粋€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。圓水準器頂面外部刻有小圓圈。受重力作用，當氣泡居中時，圓水準軸處于鉛垂位置。圓水準器的分化值一般為8′/2 mm?？梢娖潇`敏度非常低，不能用作基座系統(tǒng)檢校的判斷依據(jù)。

2.2 測量基座檢查校正

(1)檢查基座機械狀態(tài)

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

(2)置平三腳架

使用管水準器整平三腳架平臺，使平臺達到0.02 mm/m水平檢測置平狀態(tài)，其底部也會處于水平狀態(tài)。安置基座，使基座三角基本與三腳架對應(yīng)平行(或理解為任意兩角螺旋與角架對應(yīng)兩角平行)。

(3)調(diào)平基座，固定標記分化板

擰緊固定螺釘并精密調(diào)平。懸掛垂球，在標記板上精確標記鉛垂線垂足。取下垂球，通過光學對中器觀測，確定光學對中器分化板十字絲中心與標記板標記是否重合；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，檢查光學對中器的目鏡十字絲與固定標記分化板中心是否重合，確定光學對中器的光學垂線和豎軸是否重合，反復檢查篩選狀態(tài)不良的基座。

(5)校準基座

對于光學對中器的目鏡十字絲與固定標記分化板中心偏差較大的基座，應(yīng)校正其圓水準氣泡，分化板檢測校準示意見圖6。

圖6 分化板檢測校準示意

由圖6可知，首先旋轉(zhuǎn)基座180°，確定光學垂足(基座豎軸)在分化板上偏離鉛垂足的位置(檢測位置標記為3τ)，調(diào)整檢測位置對稱象限的校正螺釘(若檢測位置位于分化板坐標系第二象限，則調(diào)整目標為第四象限的校正螺釘)，順時針調(diào)整檢測位置至校準位置，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)整基座光學對中器的目鏡十字絲與固定標記分化板中心完全重合；同理，確定基座旋轉(zhuǎn)90°后的校準位置，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

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

3 實施效果

通過以上規(guī)定檢查校正流程，對所有參與觀測的GNSS基座系統(tǒng)進行檢查校正。再次對異常超限的控制網(wǎng)進行復測，其GNSS異步環(huán)計算及與建網(wǎng)時觀測邊長比較統(tǒng)計見表4。比較相同邊長復測與建網(wǎng)情況見表5。

表4 GNSS異步環(huán)超限統(tǒng)計 m

表5 GNSS控制網(wǎng)復測與建網(wǎng)邊長比較 m

由表4、表5可知，當GNSS觀測基線不再表現(xiàn)為全部變長時，基座在經(jīng)過校正后，對消除對中整平儀器的系統(tǒng)誤差具有積極效果，對改善觀測成果精度具有較好效果。

4 結(jié)論

測繪是一個較為繁瑣的過程，測繪學科中的精度問題往往只是測量成果中隨機誤差特性的一種描述，以及對測量過程中部分精度損失量的估計，單純將精度理解為成果絕對誤差范圍的描述有失偏頗。因此，應(yīng)當從測量作業(yè)規(guī)范性出發(fā)做好細節(jié)工作，才能切實提高測量工作的精度及其實用性。不難看出，雖然通過對基線輕微調(diào)整可以解決復測部分粗差問題，但復測成果具有不穩(wěn)定性。通過提出的基座外業(yè)檢校方法，可實現(xiàn)測繪基座的快速檢查，并校準達到0.02 mm/m的高水平精度，可排除測繪系統(tǒng)誤差的影響部分，減少不必要的外業(yè)返工，更好地提高測量效率與成果質(zhì)量。