GNSS參考站墩頂高程聯測方法設計與實現

周瑞祥，吳迪軍，姚 靜

(中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北武漢430050)

港珠澳大橋GNSS連續運行參考站系統(簡稱HZMB-CORS)由3個參考站(虎山站(HUSN)、野貍島站(YELI)、洋環站(YNHN))、1個監測站(JZJC)和1個數據中心組成。為了確保該系統的實時定位高程精度達到設計要求(即優于3 cm)，必須精確測定3個參考站的高程。由于3個參考站均位于地勢較高的山頂或山腰上，觀測墩高度約3～5 m，站址地形條件復雜，測量難度較大，因此對參考站觀測墩頂高程聯測方法及技術要求進行了專項設計，以確保高程聯測精度達到二等水準測量要求。

一、高程測量方法設計

1.倒掛標尺水準測量

在參考站墩身鋼筋混凝土基礎面上埋設水準標釘，用水準測量方法，按二等水準測量的規范要求傳遞高程至水準標釘。

采用水準測量方法進行高程傳遞，特為此設計了一種用于安置倒掛水準標尺的專用工具——倒尺安置器。在進行墩頂高程聯測時，參考站墩身鋼筋混凝土基礎面水準標釘上立一根水準尺，鋁合金主板用螺桿與參考站墩身連接，并保證主板底面平整度誤差不大于0.1 mm，用主板兩端的夾板各固定一根水準尺，將水準尺整平并倒掛，在地面上安置三腳架支撐尺底，這樣就可以用水準儀直接進行觀測讀數了。具體的觀測步驟和程序如下：

1)觀測地面水準尺并讀數;

2)按從左至右的順序依次觀測倒立水準尺并讀數，取兩尺讀數的中數;

3)按從右至左的順序重復步驟2)的操作;

4)觀測地面水準尺并讀數。

以上觀測稱之為往測。然后，適當調整儀器位置和高度，檢查水準尺安置情況，重新整置水準儀進行返測。

完成以上觀測為1個測回。每個觀測墩觀測2個測回。墩頂高程計算公式為

式中，H為墩頂高程;H0為地面水準標釘高程;a為地面水準尺讀數，單位為m;b為倒立水準尺讀數的中數。

2.對向三角高程測量

在距離觀測墩200 m左右的地面區域，選擇穩定性良好且便于觀測的地方埋設水準標釘，采用水準測量方法傳遞高程至水準標釘，然后在水準標釘和參考站墩頂間進行三角高程測量。

單向高差計算所采用的公式為

式中，h為測站點至覘標點的高差;D為測站點至覘標點的斜距;α為觀測的垂直角;i為儀器高;v為覘標高;R=6 362 850 m，為參考橢球平均曲率半徑。

3.中間設站三角高程測量

在距離觀測墩至少50 m左右的地面區域，選擇穩定性良好且便于觀測的地方架設全站儀，分別對地面水準標釘和墩頂進行測角、測距，并計算兩點間的高差。

兩點間高差計算公式為

式中，h為測站點至覘標點的高差;D1、D2為測站點至覘標點的斜距;α、β為觀測的垂直角;ν1、ν2為覘標高;R=6 362 850 m，為參考橢球平均曲率半徑。

二、觀測與計算

從基本原理上看，以上3種方法屬于精密水準測量或三角高程測量。精密水準測量是一種理論成熟、精度高且穩定可靠的方法，三角高程測量方法則隨著高精度智能全站儀的出現而得以廣泛應用。大量實踐表明：在特定條件下，采取適當的技術措施消除或削弱各種測量誤差，全站儀三角高程測量就可以達到二等甚至一等水準測量的精度［1-3］。在本文所研究的參考站觀測墩頂高程聯測中，由于觀測墩高度均超過3 m，且參考站周圍地勢陡峭，不具備水準測量及三角高程測量的正常觀測條件，因此對基本方法進行了改進。各參考站的觀測方法根據各自地形條件進行選擇，3個站均使用倒掛標尺水準測量方法進行精密測量，并采用三角高程測量方法進行檢核。其中，香港虎山參考站采用對向觀測三角高程測量法檢核，野貍島和洋環參考站采用中間設站法三角高程測量檢核。外業觀測技術要求參照現行《國家一、二等水準測量規范》(GB/T 12897—2006)［4］和《高速鐵路工程測量規范》(TB 10601—2009)執行［5］。

三角高程測量中，垂直角測量使用 Leica TC/TCA 2003全站儀進行垂直角觀測，按中絲法觀測4個測回。測回差和指標差互差均不得超過5″。邊長測量觀測2個測回(每測回照準1次，讀數4次)，各次讀數互差和測回中數之間的互差為5 mm和7 mm，每站需量取氣溫、氣壓值。棱鏡高在測前、測后用鋼卷尺量取，兩次互差不得超過2 mm，成果采用兩次量取中數。

3個參考站采用兩種方法觀測所得高差的較差分別為虎山站：0.55 mm、野貍島站：0.68 mm、洋環站：0.89 mm。由此可知，墩頂高程聯測成果質量優良，滿足規范和施工應用的要求，驗證了本文設計方法的可行性和高精度。參考站最終高程采用水準測量成果。

三、結束語

觀測和計算結果表明，通過特殊的技術設計和有效的技術措施，使用水準測量方法和全站儀三角高程測量方法進行GNSS參考站觀測墩墩頂高程聯測，完全可以達到二等水準測量精度。本文設計的方法可供其他類型測量參考和借鑒。

［1］晏紅波，黃騰，鄧標.智能全站儀精密三角高程測量替代二等水準測量［J］.水電自動化與大壩監測，2007，31(4)：43-47.

［2］賈中甫，楊郁，馮啟俊.精密三角高程代替二等水準測量的研究與實踐［J］.測繪信息與工程，2012，37(1)：15-17.

［3］張正祿，鄧勇，羅長林，等.精密三角高程代替一等水準測量的研究［J］.武漢大學學報：信息科學版，2006，31(1)：5-8.

［4］GB/T 12897—2006國家一、二等水準測量規范［S］.北京：［s.n.］，2006.

［5］TB 10601—2009高速鐵路工程測量規范［S］.北京：［s.n.］，2009.