GNSS聯合全站儀在大型設備相位中心測量中的應用

高海榮 陳胤璇 胡盛江

（中國人民解放軍32017部隊，西藏 拉薩 850000）

大型旋轉設備在竣工后和在使用過程中，其相位中心會產生變化，精確測定設備三軸中心坐標，取得其相位中心坐標，適時對設備進行檢校，能有效提高設備使用效能，因大型設備三軸中心位置不能夠直接測得，可以根據設備的特征，選擇合適的外部測量點，運用GNSS 聯合全站儀測量發法測量其精確外部坐標，通過擬合和歸算的方法，精確求得相位中心坐標。

1 GNSS測量技術簡介

1.1 GNSS點位設置基本要求

GNSS 點位周圍應便于安置接收設各和操作，視野開闊，視場內障礙物的高度角不宜超過15°；點位遠離大功率無線電發射源（如電視臺、電臺、微波站等），其距離不小干200 m，遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道，其距離不得小于50 m；點位附近不應有強烈反射衛星信號的物件(如大型建筑物等)；點位地面基礎穩定，易于點的保存。

1.2 GNSS觀測要求

（1）GNSS 測量采用B 級精度要求；（2）接收機選用雙頻機，觀測至少有L1、L2 載波相位；（3）同步觀測接收機數大于3 臺；（4）衛星截止高度角15°；（5）同時觀測衛星數大于3 顆；（6）有效觀測衛星總數大于9顆；（7）觀測時段數大于2 段；（8）時段長度靜態大于240分鐘；（9）采樣間隔30秒。

1.3 GNSS數據處理

（1）基線向量解算數據處理須采用專門的軟件，計算結果中應包括相對定位坐標和協方差陣等平差所需的元素；（2) 觀測數據質量分析必須合理，起算點坐標系應為ITRFRR 國際地球參考框架；（3）外業觀測的氣象數據要換算成適合于處理軟件所需要的單位，當采用不同類型接收機時，應將觀測數據轉換成同一格式，高標點、偏心觀測點，應根據天線高記錄、投影手簿或歸心用紙等計算歸心改正數；（4）向量解算基線精處理應采用精密星歷，觀測值均應加人對流層延遲修正，對流層延遲修正模型中的氣象元素可采用標準氣象元素。

2 全站儀測量技術簡介

2.1 水平角觀測要求

（1）觀測選擇在通視良好、成像清晰穩定時進行；（2）觀測前要認真調好焦距，消除視差，本次任務測回內可調焦，以保證對準的精度；（3）各測回起始方向應均勻分配度盤，以避免觀測粗差的影響；（4）在上、下半測回之間縱轉望遠鏡，以消除或減弱視準軸誤差、水平軸傾斜誤差的影響，同時可由盤左、盤右度數之差獲得2C，以檢核觀測質量；（5）上下半測回照準目標的次序要相反，并保持每一個目標的操作時間大致相同；（6）測微螺旋和微動螺旋的最后操作一律按旋轉方向轉動，以避免微動螺旋隙動差的影響；（7）為減弱垂直軸傾斜誤差的影響，觀測中應保持視準部水準氣泡居中，傾斜程度不得超出補償范圍。如果超出，應立即停止觀測，重新整治儀器后再進行觀測；（8）測量全程應盡量避免陽光直射儀器及腳架，應配備專門人員打傘，避免單面受熱影響測量結果。

2.2 垂直角觀測要求

（1）垂直角觀測依據全站型電子速測儀測量規程中規定的垂直角測量精度要求；（2）采用中絲法觀測；（3）觀測至少4測回。

2.3 距離測量要求

（1）按全站型電子速測儀測量規程中三等測量要求量測；（2）測量斜距；（3）邊長大于300m 時，應在站、鏡兩端讀記氣象元素，否則只記錄一端氣象元素即可。

3 相位中心位置確定

大型旋轉設備的相位中心一般是設備的三軸中心的旋轉中心，如圖1 所示。旋轉設備三軸天線旋轉軸傾斜，可繞鉛垂線作圓周轉動，相位中心為其旋轉中心，根據設備的制造不同，可能位于設備的內部或外部。

圖1 天線設備的相位中心位置

在設備相位中心坐標測量中，通過測量位置歸算至需求位置，實際作業中根據實際情況選擇測量位置[1-2]。

3.1 圓擬合法

當測量位置選擇在旋轉軸頂部時，采用圓擬合法獲得設備中心坐標，如圖2所示。具體方法為：將兩臺GPS 接收機（或棱鏡）同時固定在旋轉軸頂部不同位置A、B，設備以一定角度繞旋轉軸旋轉，每旋轉一定角度測量一組坐標，得到A1、B1、A2、B2、A3、B3……等旋轉標志點的坐標和高程，然后擬合出兩組點位的外接圓圓心O 的坐標和高程，通過比較，當符合限差要求時，以兩者平均值作為最終坐標。旋轉標志點不應少于3 個且均勻分布，以保證能擬合出外接圓圓心[3]，同時保證結果精度。

圖2 圓擬合法測量位置

3.2 圓柱歸心測量法

當測量位置選擇在旋轉軸下方時，采用圓柱歸心測量法獲得設備中心坐標，具體方法為：首先確定天線支承軸中心方位，利用全站儀，觀測天線支撐軸左右兩側的水平角，取中數作為支承軸中心方位，并在天線桿上做出十字標記，如圖3所示。

圖3 圓柱歸心法測量位置

確定天線支承軸中心方位后，使用全站儀測量該點位置，并量取該點至天線特征點距離，通過查詢天線結構參數，如圖4 所示，確定測量位置與需求位置的相對關系（半徑和高差），將測量結果歸算至需求位置。

圖4 圓柱歸心法測量歸算

4 GNSS和全站儀組合測量

確定天線支承軸中心方位后，使用全站儀測量該點位置，并量取該點至天線特征點距離，通過查詢天線結構參數，確定測量位置與需求位置的相對關系（半徑和高差），將測量結果歸算至需求位置。

4.1 極坐標測量法

對可安置棱鏡或反射片的設備點位，可用極坐標測量法獲取點位坐標，在便于觀測的控制點上架站，選擇大氣穩定、能見度較好的天氣進行觀測，對所有通視的點位進行水平角、垂直角和斜距觀測，計算目標點位坐標，通過數據擬合確定相位中心坐標，如圖5所示。

圖5 極坐標測量方法示意

4.2 前方交會測量法

部分無法安置棱鏡或反射片的點位（如無法攀爬的高桿上設置的方位標），可用前方交會測量的方法獲取坐標。如圖6 所示，在三個已知點上按照測量精度要求，用方向觀測法觀測水平角和，分別求出P 點的兩組坐標，利用兩組坐標的距離來限制誤差，符合要求時，取兩組坐標的中數為點的最終結果。

圖6 前方交會測量的方法示意

5 應用實例

對某大型旋轉設備進行相位中心測量，首先在設備周邊布設GNSS 控制網，在需要進行全站儀測量的點位附近布設臨時控制點和方位點共同構成控制網，點間距離應在500m～1500m 之間，方位點之間不做通視要求，兩個方位點和臨時控制點之間的夾角應大于30°，小于5°。因設備旋轉部位可以安置全站儀反射片，我們運用極坐標測量法進行測量[4-5]，選取3個不同位置，在設備旋轉的不同階段，測量6組坐標如表1。

表1 測量坐標

通過6 組不同位置坐標，擬合出3 個不同位置測量坐標所得到相位中心坐標［3］，如表2。綜合各個位置計算的相位中心坐標，取其平均值或選擇其中一個觀測條件較好的位置坐標作為最終的相位中心，根據實際情況，我們取位置1坐標作為最后成果。

表2 擬合相位中心坐標

6 結果分析

聯合測量方法簡單，應用靈活，適合室內及室外安置的大型旋轉設備。

GNSS 和全站儀測量精度高，對于大型旋轉天線，旋轉窯爐測量都適用。

要提高測量精度，主控點最好采用強制對中墩，以減少測量誤差。

擬合計算可以采用Mathmatic 軟件，提高作業效率和精度。