王 銅，董 嵐，羅 濤，梁 靜，馬 娜，門玲鸰，何振強(qiáng)，柯志勇

（1.中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞523803；2.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞523803）

中國散裂中子源控制網(wǎng)測量方案及數(shù)據(jù)處理

王 銅1,2，董 嵐1,2，羅 濤1,2，梁 靜1,2，馬 娜1,2，門玲鸰1,2，何振強(qiáng)1,2，柯志勇1,2

（1.中國科學(xué)院高能物理研究所東莞分部，廣東 東莞523803；2.東莞中子科學(xué)中心，廣東 東莞523803）

詳細(xì)介紹了中國散裂中子源工程測量首級控制網(wǎng)的布設(shè)、測量方案及數(shù)據(jù)處理方法；由于加速器設(shè)備以及二級控制網(wǎng)點(diǎn)布設(shè)在地下隧道，因此研究了地面至隧道30 m高度投點(diǎn)對中及儀器量高的方法。采用Wild NL投點(diǎn)儀投點(diǎn)以及AT401激光跟蹤儀量高，可達(dá)到1.5 mm對中以及1 mm量高精度。平面控制網(wǎng)測量采用GPS靜態(tài)觀測，TBC軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。對GPS橢球投影變形進(jìn)行了分析，選擇合適的抵償投影帶，并將投影后距離與全站儀測量距離進(jìn)行對比可知，投影變形小于0.5 mm，從而驗(yàn)證了GPS數(shù)據(jù)處理的正確性。為了保持與獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的一致性，提出將GPS無約束投影坐標(biāo)進(jìn)行固定一點(diǎn)一方向旋轉(zhuǎn)平移變換，并與前期坐標(biāo)進(jìn)行對比，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.2 mm，說明該成果正確可靠，可滿足工程建設(shè)要求。

控制網(wǎng)；投點(diǎn)對中；GPS；投影變形；坐標(biāo)變換

中國散裂中子源（CSNS）是我國“十二五”國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展規(guī)劃的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目。利用其產(chǎn)生的中子，可以在原子、分子尺度上研究各種物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。CSNS坐落在廣東省東莞市，目前還處于施工建設(shè)階段，建成后將成為發(fā)展中國家擁有的第一臺(tái)散裂中子源。項(xiàng)目建設(shè)內(nèi)容包括一臺(tái)負(fù)氫離子直線加速器、一臺(tái)快循環(huán)同步加速器（RCS）、一個(gè)靶站、3臺(tái)中子譜儀以及配套的輔助設(shè)施和土建工程。整個(gè)園區(qū)占地約0.27 km2，按用途可分為裝置區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)和辦公區(qū)。測量的主要目的是為了精密安裝裝置區(qū)內(nèi)的加速器設(shè)備、靶站和譜儀，以及前期相應(yīng)的土建施工，因此在CSNS園區(qū)內(nèi)布設(shè)了首級測量控制網(wǎng)。

1 地面控制網(wǎng)測量方案

1.1 地面控制網(wǎng)布設(shè)

CSNS地面控制網(wǎng)為首級測量控制網(wǎng)，按照CSNS直線、環(huán)、輸運(yùn)線、靶站、譜儀等裝置的布局進(jìn)行布設(shè)，分布均勻，覆蓋了整個(gè)裝置區(qū)，并盡可能地創(chuàng)造通視條件；同時(shí)，遵循分級布網(wǎng)、逐級控制的原則，首級地面控制網(wǎng)為二級隧道控制網(wǎng)提供起算基準(zhǔn)[1]。CSNS地面控制網(wǎng)共包括15個(gè)點(diǎn)，其中GP03、GP04為項(xiàng)目基建方提供的此次測量已知起算點(diǎn)；G01H、G18H為護(hù)坡上兩點(diǎn)，高程較大，可以俯視整個(gè)裝置區(qū)，當(dāng)測量不具備通視條件時(shí)可用作轉(zhuǎn)站點(diǎn)；G11H、G12H在裝置區(qū)隧道外的地面上，將來用作首級控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)；P01L、P02L、P03R、P04R、P05T、P06T、P07S、 P08S、P14T在裝置區(qū)地下隧道內(nèi)，兼用作二級隧道控制網(wǎng)點(diǎn)。為了方便裝置運(yùn)行后的變形監(jiān)測，除GP03、GP04、G01H、G18H外，裝置區(qū)內(nèi)的點(diǎn)都在基巖微風(fēng)化層上，較為穩(wěn)固（見圖1）。

圖1 首級地面控制網(wǎng)點(diǎn)分布圖

1.2 地面控制網(wǎng)測量方案

在工程建設(shè)中，由于設(shè)備樓等建筑物的遮擋，使用全站儀測量存在困難。由于GPS技術(shù)具有定位精度高、相鄰點(diǎn)勿需通視、不受天氣條件影響等諸多常規(guī)技術(shù)不可比擬的優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用[2-4]。CSNS地面控制網(wǎng)采用GPS測量的方案。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(tái)Leica GS15雙頻接收機(jī)進(jìn)行靜態(tài)同步觀測，其標(biāo)稱后處理精度為：水平± (3 mm+0.5×10-6)，垂直±(6 mm+0.5×10-6)。每次在4個(gè)控制點(diǎn)上設(shè)站進(jìn)行靜態(tài)同步觀測，每天觀測1 個(gè)時(shí)段，即8 h。

1.3 地面至隧道投點(diǎn)對中及量高

對于隧道里的控制點(diǎn)，只能將GPS置于房頂投點(diǎn)對中進(jìn)行測量。由于房頂距隧道控制點(diǎn)距離一般在10～30 m，為了解決如此高度的儀器精確投點(diǎn)及量高，設(shè)計(jì)采用Wild NL投點(diǎn)儀及Leica AT401激光跟蹤儀。Wild NL采用光學(xué)對中，其鉛垂精度達(dá)到±1/200 000；AT401激光跟蹤儀小巧輕便，垂直角測量范圍為±145°，測量半徑為160 m，測角精度為1.5"，測距精度為0.01 mm。

投點(diǎn)對中及量高的方法為：首先分別在房頂及隧道使用Wild NL投點(diǎn)儀將三角基座都對中至隧道控制點(diǎn)，然后在隧道基座上放置Leica AT401激光跟蹤儀，在房頂基座中心上放置反射球，進(jìn)而通過激光跟蹤儀測量房頂儀器至隧道控制點(diǎn)的高度，如圖2所示。

圖2 投點(diǎn)對中及量高示意圖

為了驗(yàn)證跟蹤儀量高的可行性，也采用鋼卷尺進(jìn)行了儀器高的量取。從表1中可以看出，鋼卷尺與跟蹤儀量高差值最大為1.8 mm。普通鋼卷尺伸縮變形較大，結(jié)果只作參考。

表1 儀器量高對比

同樣，為了驗(yàn)證Wild NL投點(diǎn)儀的投點(diǎn)精度，可從AT401激光跟蹤儀測量得出的反射球球心坐標(biāo)在平面方向的偏差分析得出：對于P01L點(diǎn)高度為26 m，平面偏差為1.4 mm；對于P02L點(diǎn)高度為12 m，平面偏差為0.9 mm；從一定程度上反映了Wild NL投點(diǎn)儀的實(shí)際對中精度。

2 地面控制網(wǎng)測量

2013年6月29日～10月16日對首級地面控制網(wǎng)進(jìn)行了觀測，共觀測20個(gè)時(shí)段，平均每個(gè)控制點(diǎn)觀測5.3 個(gè)時(shí)段，每個(gè)時(shí)段觀測8 h。同時(shí)，為了檢驗(yàn)土建施工質(zhì)量，對CSNS園區(qū)基建方布設(shè)的某些土建控制點(diǎn)也進(jìn)行了復(fù)測。

2.1 高斯投影變形分析

GPS無約束平差得到的是空間三維直角坐標(biāo)，測得的長度是連接地面兩點(diǎn)間的直接斜距，需要進(jìn)行投影轉(zhuǎn)換，才能得到參考橢球面上的高斯平面直角坐標(biāo)。將GPS基線投影到高斯投影面上，需進(jìn)行兩項(xiàng)長度變形改正[5-8]：將地面觀測長度歸算至橢球面的高程歸算改正和將橢球面上的大地線長度改化至高斯投影面上的距離改化。因此，將地面測量的距離轉(zhuǎn)換至高斯投影面上所產(chǎn)生的長度綜合變形為：

式中，ym為大地線投影后始末兩點(diǎn)橫坐標(biāo)平均值；Hm為基線端點(diǎn)平均大地高程；R為地球半徑。

可以看出，長度綜合變形與測區(qū)所在投影帶的位置以及測區(qū)的平均高程面有關(guān)。因此，為了減少投影變形，可選擇合適的投影中央子午線，這種方法稱為抵償投影帶法；也可以改變橢球參數(shù)，選擇合適的橢球半徑，這種方法稱為抵償高程面法；還可將上述兩 種方法綜合應(yīng)用，將中央子午線設(shè)在測區(qū)中間，投影到測區(qū)平均高程面上。

2.2 高斯投影平面坐標(biāo)

本測區(qū)面積為0.15 km2。為了方便計(jì)算，選用抵償投影帶的方法，無需計(jì)算新的橢球參數(shù)，直接選取中央子午線的最佳位置來限制變形。選用1980西安橢球參數(shù)，各點(diǎn)平均大地高為40 m，可以得出測區(qū)中央離開投影子午線的距離，從而確定了最優(yōu)投影中央子午線為113°41'50"。采用TBC軟件進(jìn)行網(wǎng)平差計(jì)算[9]，得到各點(diǎn)高斯投影平面坐標(biāo)。

2.3 獨(dú)立坐標(biāo)計(jì)算

由于整個(gè)園區(qū)坐標(biāo)采用獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)，基建方提供了GP03、GP04兩個(gè)已知點(diǎn)的坐標(biāo)，且土建施工控制網(wǎng)坐標(biāo)計(jì)算是以GP03為起算點(diǎn)，GP03至GP04為起算方向得到。因此，為了不損失GPS測量精度，同時(shí)與土建坐標(biāo)系保持一致，提出將GPS無約束投影坐標(biāo)進(jìn)行固定一點(diǎn)一方向旋轉(zhuǎn)平移變換，即固定GP03點(diǎn)，保持GP03至GP04的方向不變，從而得到各點(diǎn)在獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)[10-11]。

2.4 結(jié)果驗(yàn)證

2.4.1 基線長度對比

為了驗(yàn)證GPS測量的正確性，將GPS平差處理后的WGS84三維無約束坐標(biāo)以及高斯投影平面坐標(biāo)結(jié)果進(jìn)行距離反算，與全站儀對向觀測測得的兩點(diǎn)間的斜距及平距進(jìn)行對比[12]，差值見表2，差值1表示GPS無約束三維空間直角坐標(biāo)反算斜距與全站儀測量所得斜距之差，差值2表示GPS高斯投影平面坐標(biāo)反算平距與全站儀測量所得平距之差。

表2 GPS坐標(biāo)反算距離與全站儀測量距離對比

2.4.2 坐標(biāo)對比

由于基建方前期對GP3-1、GP3-2、GP3-4、BX、HX、LZY六個(gè)點(diǎn)進(jìn)行過測量，為了驗(yàn)證CSNS首級地面控制網(wǎng)測量成果的正確性，將地面控制網(wǎng)平差計(jì)算得到的成果與基建方測量成果進(jìn)行差值對比，結(jié)果見表3。

表3 坐標(biāo)差值對比/mm

3 結(jié) 語

通過GPS無約束平差的三維空間直角坐標(biāo)反算控制點(diǎn)間距離，并與全站儀斜距對比可以得出，GPS測量的距離與全站儀測量距離最大相差為3.4 mm，平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.9 mm，符合GPS接收機(jī)的精度，說明GPS基線質(zhì)量合格。同時(shí)，GPS投影后平面坐標(biāo)反算距離與全站儀測量平距的差值，與GPS無約束平差坐標(biāo)反算的斜距與全站儀測量斜距的差值之差的標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.4 mm，反映了GPS高斯投影變形較小，抵償投影帶的選擇合理正確。最后，本文將高斯投影平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到獨(dú)立坐標(biāo)系下，與基建提供坐標(biāo)進(jìn)行對比。除BX 點(diǎn)坐標(biāo)相差最大為5.2 mm，懷疑點(diǎn)位有位移，外符合對比平均標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.2 mm。研究表明，在此次首級控制網(wǎng)起算基準(zhǔn)偏少的情況下，通過選擇合理的數(shù)據(jù)處理方案，可以實(shí)現(xiàn)最終數(shù)據(jù)成果與基建方成果的一致性，成果正確可靠，從而滿足后續(xù)工程建設(shè)要求。同時(shí)，建議在后續(xù)的首級控制網(wǎng)復(fù)測中，至少提供4 個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)作為起算基準(zhǔn)，這對保持網(wǎng)形的一致性及提高坐標(biāo)的絕對精度非常重要。

[1] 張正祿,鄧勇,羅長林,等.論精密工程測量及其應(yīng)用[J]. 測繪通報(bào),2006(5)：17-20

[2] 馬娜,董嵐,梁靜,等.基于加速器控制網(wǎng)的GPS絕對測量精度探討[J].北京測繪,2014(6)：23-27

[3] 曹體濤,王銅,羅濤,等.多種GPS天線類型聯(lián)合觀測數(shù)據(jù)處理方法研究[J].測繪工程,2014,23(7)：55-58

[4] 胡耀文,胡榮,江華,等.基于手機(jī)平臺(tái)的GPS軟件在野外尋點(diǎn)中的應(yīng)用[J].北京測繪,2014(5)：115-117

[5] 孔祥元, 郭際明, 劉宗泉.大地測量學(xué)基礎(chǔ)[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2006

[6] 焦明連.礦區(qū)GPS控制網(wǎng)投影變形的影響與對策[J].礦山測量,2007,7(1)：54-56

[7] 孫金禮,周志富,楊莉.基于礦區(qū)GPS網(wǎng)投影帶和投影面的合理選擇[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008,27(5)：665-667

[8] 張辛,楊愛明,許其鳳,等.滇中引水工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)建立的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2014,39(9)：1 047-1 051

[9] 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

[10] 張述清,寸懷培,段文榮.基于TGO系統(tǒng)的地方坐標(biāo)系約束平差解決方案[J].地礦測繪,2006,22(2)：1-4

[11] 潘正風(fēng),楊正堯,程效軍,等.數(shù)字測圖原理與方法[M].武漢：武漢大學(xué)出版社,2005

[12] 王銅,羅濤,梁靜,等.精密三角高程在大亞灣中微子實(shí)驗(yàn)距離測量中的應(yīng)用研究[J].測繪科學(xué),2014,39(1)：121-124

P258

：B

：1672-4623（2016）11-0055-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2016.11.020

王銅，碩士，工程師，研究方向?yàn)榧す飧檭x三維控制網(wǎng)測量、GPS控制網(wǎng)測量，現(xiàn)從事粒子加速器精密準(zhǔn)直測量工作。

2015-08-14。