王 銅 董 嵐 羅 濤 梁 靜 劉 璨 馬 娜 朱洪巖 何振強(qiáng) 柯志勇

（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

江門中微子實驗站位置測量方案設(shè)計與實施

王 銅 董 嵐 羅 濤 梁 靜 劉 璨 馬 娜 朱洪巖 何振強(qiáng) 柯志勇

（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

為了對中微子質(zhì)量順序等前沿科學(xué)進(jìn)行研究，江門中微子實驗正在進(jìn)行選址建設(shè)中。介紹了江門實驗站與陽江核電站及臺山核電站堆芯位置測量方案的設(shè)計與實施，采用GPS靜態(tài)觀測實現(xiàn)控制網(wǎng)的測量，并用LGO和自編軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行解算及坐標(biāo)擬合轉(zhuǎn)化。通過實際測量及數(shù)據(jù)解算，最終得到的坐標(biāo)精度為±70mm，滿足設(shè)計要求，證明此次江門中微子實驗站位置測量方案是合理可行的。

江門中微子實驗，反應(yīng)堆，GPS控制網(wǎng)，距離，精度

大亞灣反應(yīng)堆中微子實驗項目取得了巨大成功。2012年3月項目組宣布發(fā)現(xiàn)新的中微子振蕩模式，在精確測量中微子混合角值θ13方面取得國際領(lǐng)先。這是中國誕生的一項重大物理成果，被稱為中微子物理的一個里程碑。高能所準(zhǔn)直組曾為大亞灣中微子實驗精確測定了穿越山體、跨度6km的反應(yīng)堆到探測器的空間距離，為中微子實驗提供了準(zhǔn)確的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)[1-2]。為了繼續(xù)深入對中微子物理性能的研究，其二期工程江門中微子實驗擬在廣東省江門市選址建立一個實驗站，分別收集來自陽江核電站、臺山核電站釋放出的反應(yīng)堆中微子，以測定中微子質(zhì)量順序、精確測量中微子混合參數(shù)，并進(jìn)行其它多項科學(xué)前沿研究。實驗站的具體位置要求在這兩個核電站的中心軸線上，為驗證實驗站選址位置的正確與否，高能所準(zhǔn)直組承擔(dān)了實驗站與陽江核電站、臺山核電站的空間相互位置的測量任務(wù)。

圖1 江門中微子實驗站地理位置Fig.1 Geographic location of Jiangmen underground neutrino observatory station.

1 測量方案設(shè)計

陽江核電站位于廣東省陽江市，臺山核電站位于江門臺山市，兩者相距約78km。擬建設(shè)的江門中微子實驗站位于廣東省江門開平市，分別距陽江核電站及臺山核電站53km左右。其位置要求與這兩核電站等距，精度在1m范圍內(nèi)。由于測量跨度大，準(zhǔn)直組研究制定了GPS控制網(wǎng)靜態(tài)測量方案[3]。

1.1GPS控制網(wǎng)布設(shè)

依據(jù)所在地方不同，GPS控制網(wǎng)分為開平實驗站控制網(wǎng)、臺山核電站控制網(wǎng)、陽江核電站控制網(wǎng)。

在開平實驗站進(jìn)行地質(zhì)詳勘的時候，進(jìn)行過當(dāng)?shù)?:500的地形圖測量，地形圖中標(biāo)示有圖根點(diǎn)以及實驗站初址的位置。于是，選取圖中既有的三個圖根點(diǎn)作為開平實驗站GPS控制點(diǎn)，要求此三點(diǎn)包圍區(qū)域覆蓋實驗站位置。同時，通過這三個基準(zhǔn)點(diǎn)與核電站進(jìn)行聯(lián)測，即可將核電站位置納入到開平實驗站1:500地形圖中。

另外，由于最終目的為獲得實驗站初址至核電站內(nèi)反應(yīng)堆堆芯的位置關(guān)系，核電站內(nèi)反應(yīng)堆堆芯是無法直接測量的，因此，建立臺山核電站控制網(wǎng)以及陽江核電站控制網(wǎng)。核電控制網(wǎng)點(diǎn)選取核電站內(nèi)已有的測量用強(qiáng)制對中樁。這些強(qiáng)制對中樁的作用為反應(yīng)堆的建設(shè)及運(yùn)行提供基準(zhǔn)，在臺山核電站與陽江核電站內(nèi)分別選取了四個強(qiáng)制對中樁。

本次GPS控制網(wǎng)共選取11個控制點(diǎn)，測量范圍為：(1) 臺山核電站控制網(wǎng)：TS03、TS04、TS06、TS11；(2) 陽江核電站控制網(wǎng)：YJ01、YJ13、YJ14、YJ34；(3) 開平實驗站控制網(wǎng)：V002、V003、V004。

圖2 GPS控制點(diǎn)Fig.2 GPS control points.

1.2測量儀器及方案

外業(yè)觀測參考GPS測量規(guī)范B級控制網(wǎng)要求，選用4臺Leica GS15雙頻雙星接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)同步觀測，其標(biāo)稱后處理精度為：水平±(3mm+0.5mm·km-1)，垂直±(6mm+0.5mm·km-1)。共觀測6個時段，平均每個控制點(diǎn)觀測2個時段，其中臺山核電站內(nèi)4點(diǎn)2小時、陽江核電站內(nèi)4點(diǎn)2小時、臺山核電站2點(diǎn)與陽江核電站2點(diǎn)聯(lián)測10小時、開平實驗站2點(diǎn)與臺山核電站2點(diǎn)聯(lián)測8小時、開平實驗站2點(diǎn)與陽江核電站2點(diǎn)聯(lián)測8小時以及開平實驗站2點(diǎn)2小時。詳細(xì)觀測方案見表1。

由于臺山、陽江、開平三地相距較遠(yuǎn)，測量時間緊急，合理進(jìn)行作業(yè)調(diào)度也是一大困難。因此，本次野外作業(yè)將人員分成2個小組進(jìn)行GPS測量。對于核電控制網(wǎng)的測量，由于點(diǎn)位相互距離較近，采取適當(dāng)縮短測量時間，為趕赴下一地點(diǎn)預(yù)留時間；對于開平實驗站與核電站控制網(wǎng)的相互聯(lián)測，考慮到控制網(wǎng)間的距離較遠(yuǎn)，需要長時間的觀測，將觀測時長控制在8小時左右，兩組人員來回進(jìn)行調(diào)動。最終，共歷時9天完成測量。

表1 GPS觀測方案Table 1 Scheme of GPS observation.

2 數(shù)據(jù)處理與分析

由于物理分析上是需要獲知各點(diǎn)間的三維空間距離，這與傳統(tǒng)的大地測量在橢球以及投影平面上對數(shù)據(jù)處理不同。傳統(tǒng)的大地測量更多地服務(wù)于國民建設(shè)，數(shù)據(jù)多采用平面與高程分開處理，成果基于我國參考橢球的大地經(jīng)緯度或者高斯投影平面坐標(biāo)，以及基于大地水準(zhǔn)面的高程。而對于物理探索要求，都是基于三維空間關(guān)系，因此要求整個坐標(biāo)系的建立及轉(zhuǎn)換都在空間三維直角坐標(biāo)系下進(jìn)行。

2.1 GPS實測數(shù)據(jù)解算

采用Leica GS15儀器對所布設(shè)的GPS控制網(wǎng)進(jìn)行了靜態(tài)觀測，形成本次測量所需的空間三維直角坐標(biāo)系框架。利用Leica LGO處理軟件[4-5]，對觀測的11個點(diǎn)，共31條基線進(jìn)行了解算。同時，在WGS84空間三維直角坐標(biāo)系下對GPS控制網(wǎng)進(jìn)行了無約束平差，得出各點(diǎn)坐標(biāo)，最弱點(diǎn)的點(diǎn)位精度為±40mm。

圖3 GPS測量網(wǎng)形圖Fig.3 Map of GPS observation.

2.2核電提供的已知數(shù)據(jù)

由于核電堆芯無法直接測量，只能通過間接測量核電站內(nèi)的控制網(wǎng)點(diǎn)。因此，為了將陽江核電站、臺山核電站的堆芯統(tǒng)一到GPS測量的坐標(biāo)系統(tǒng)下，還需要獲知各反應(yīng)堆堆芯與核電控制網(wǎng)點(diǎn)的相互坐標(biāo)關(guān)系。核電方面提供的具體數(shù)據(jù)如下：

(1) 臺山核電站提供數(shù)據(jù)：負(fù)責(zé)提供有4個強(qiáng)制對中樁(TS03、TS04、TS06、TS11)與臺山核電站堆芯的平面坐標(biāo)及高程，平面采用1980西安坐標(biāo)系，高程采用85國家高程基準(zhǔn)。

(2) 陽江核電站提供數(shù)據(jù)：負(fù)責(zé)提供有4個強(qiáng)制對中樁(YJ01、YJ13、YJ14、YJ34)與陽江核電站堆芯的平面坐標(biāo)及高程，平面采用陽江施工坐標(biāo)系，高程采用珠江高程基準(zhǔn)。

2.3核電堆芯坐標(biāo)計算

為了得到核電堆芯在WGS84統(tǒng)一坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，將核電提供的各堆芯及控制點(diǎn)在核電坐標(biāo)系下的坐標(biāo)向WGS84坐標(biāo)擬合[6]。由于核電坐標(biāo)系下各點(diǎn)的平面與高程坐標(biāo)是分開的，平面系統(tǒng)為高斯投影后的獨(dú)立坐標(biāo)，高程系統(tǒng)基于大地水準(zhǔn)面，需要將其轉(zhuǎn)換為三維坐標(biāo)。對于核電小面積區(qū)域，其平面坐標(biāo)投影變形較小，其高程則需加入地球曲率改正[7]，按此方法即可換算成三維坐標(biāo)。

以陽江核電站為例，具體處理方法為：核電提供的已知數(shù)據(jù)有YJ01、YJ13、YJ14、YJ34四個強(qiáng)制對中樁以及堆芯在獨(dú)立坐標(biāo)系下的平面及高程坐標(biāo)，將其換算為三維坐標(biāo)；然后GPS也實測有這四個控制點(diǎn)在WGS84坐標(biāo)框架下的空間三維直角坐標(biāo)，以這四個公共點(diǎn)作最小二乘擬合轉(zhuǎn)換，進(jìn)而可以求得堆芯在WGS84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。采用高能所自行開發(fā)軟件bestfit進(jìn)行擬合計算，陽江核電站的擬合精度為±8.0mm；臺山核電站的擬合精度為±5.5mm。詳細(xì)見表2及表3。

表2 陽江核電坐標(biāo)向WGS84坐標(biāo)擬合偏差(mm)Table 2 Deviations of coordinates best fit between Yangjiang nuclear plant control net and WGS84 (mm).

表3 臺山核電坐標(biāo)向WGS84坐標(biāo)擬合偏差(mm)Table 3 Deviations of coordinates best fit between Taishan nuclear plant control net and WGS84 (mm).

2.4三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至測圖坐標(biāo)系

在獲得了開平實驗站附近1:500地形圖中圖根控制點(diǎn)V002、V003、V004的WGS84三維坐標(biāo)后，還是無法在地形圖中直接判斷實驗站與核電的相互位置。因此，為了方便選址位置計算，還需要將WGS84坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換至測圖坐標(biāo)系下。

于是通過開平實驗站控制網(wǎng)的三個公共點(diǎn)V002、V003、V004進(jìn)行坐標(biāo)的最小二乘擬合轉(zhuǎn)換，方法與§2.3相同，即可得到核電堆芯在測圖坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。經(jīng)計算，三點(diǎn)擬合精度如表4中所示，為±57.3mm，這與圖根點(diǎn)自身精度有關(guān)。

表4 開平實驗站坐標(biāo)與WGS84坐標(biāo)擬合偏差(mm)Table 4 Deviations of coordinates best fit between Kaiping experimental station control net and WGS84 (mm).

3 結(jié)語

此次測量為高能所準(zhǔn)直小組承擔(dān)的首次大跨度遠(yuǎn)距離的測量，最終提交成果精度±70mm。據(jù)設(shè)計人員反饋，江門中微子實驗站選址位置是正確的，滿足設(shè)計要求。 實驗站初步選址對位置精度要求不是特別高（米級），未來實驗站建成后，核電站堆芯至實驗站地下700m深的探測器的長距離高精度

GPS測量還有很多問題有待研究。

1 Liang J. Measurement of 3D distance from nuclear reactors to detectors in Dayabay neutrino experiment[C]. 10-14 September 2012, FermiLab, Batavia, USA

2 王銅, 羅濤, 梁靜, 等. 精密三角高程在大亞灣中微子實驗距離測量中的應(yīng)用研究[J/OL]. 測繪科學(xué), http://www.cnki.net/kcms/detail/11.4415.P.20130531.081 6.001.html, 2013-5-31

WANG Tong, LUO Tao, LIANG Jing, et al. Application of trigonometric leveling in distance measurement of Daya Bay reactor neutrino experiment[J/OL]. Science of Surveying and Mapping, http://www.cnki.net/kcms/detail/ 11.4415.P.20130531.0816.001.html, 2013-5-31

3 李征航, 黃勁松. GPS測量與數(shù)據(jù)處理[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2005

LI Zhenghang, HUANG Jinsong. GPS surveying and data processing[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2005

4 徐衛(wèi)明, 趙俊生. GPS測量坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實用性問題的分析[J]. 測繪工程, 2000, 9(2): 10-15

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PAN Zhengfeng, YANG Zhengyao, CHENG Xiaojun, et al. Principles and methods of digital mapping[M]. Wuhan: Wuhan University Press, 2005

CLCTL505

Design and survey for the locating of Jiangmen underground neutrino observatory

WANG Tong DONG Lan LUO Tao LIANG Jing LIU Can MA Na ZHU Hongyan HE Zhenqiang KE Zhiyong
(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background:In order to explore the sequence of neutrino mass and carry out other advanced scientific researches, Jiangmen underground neutrino observatory is proposed and the project is in the process of site searching. Purpose: This paper mainly introduces the way of position measurement between Jiangmen experimental station and reactor cores of Yangjiang nuclear power plant and Taishan nuclear power plant. Methods: The control network is established and measured by GPS, LGO and the self-developed software is used for data processing and fitting translation. Results: Through the actual measurement, the accuracy of the final coordinate is ±70mm, which meets the tolerance requirement. Conclusion: According to the feedback from the designer, the scheme of the position measurement is reasonable and feasible.

Jiangmen neutrino experiment, Nuclear reactor, GPS control net, Distance, Precision

TL505

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.060604

王銅，男，1987 年出生，2010年于武漢大學(xué)獲碩士學(xué)位，從事粒子加速器準(zhǔn)直測量以及精密工程測量的理論、方法和技術(shù)研究

2013-11-27，

2013-12-25