馬 娜,羅紅斌,梁 靜,柯志勇,何振強

(1. 中國科學院高能物理研究所,北京 100049; 2. 東莞中子科學中心,廣東 東莞 523803; 3. 陜西省測繪地理信息局,陜西 西安 710054)

一種高精度超大儀器高的測量方案設計

馬 娜1,2,羅紅斌3,梁 靜1,2,柯志勇1,2,何振強1,2

(1. 中國科學院高能物理研究所,北京 100049; 2. 東莞中子科學中心,廣東 東莞 523803; 3. 陜西省測繪地理信息局,陜西 西安 710054)

針對中國散裂中子源(CSNS)隧道內裝置區(qū)永久點采用常規(guī)GPS三腳架觀測模式中對中整平和儀器高量取精度差等問題，提出了一種高精度的儀器對中和超大儀器高的測量方案。該方案設計可微調的屋頂支架、目標半球垂準鏡，實現(xiàn)了儀器的穩(wěn)固安置和精確對中；改造GPS天線頭支架適于放置目標球，以便采用激光跟蹤儀獲取高精度的超大儀器高；最后通過激光跟蹤儀對隧道內6個裝置區(qū)永久點重復兩次測量，并與鋼尺測量結果進行比較。結果表明，該方案可實現(xiàn)高30 m內儀器0.5 mm的對中精度和0.2 mm的量高精度，避免了卷尺測量尺長受拉伸影響的缺點，有效解決了CSNS裝置永久點的精密對中和超大儀器高的獲取，也為同類點位的對中和儀器高測量提供了借鑒和參考。

超大儀器高;半球垂準鏡;天線頭支架改造;激光跟蹤儀

中國散裂中子源(CSNS)[1-2]是中科院高能物理研究所與廣東省共建的發(fā)展中國家第一臺高能強流質子加速器裝置，建成后可為我國多學科創(chuàng)新提供良好機遇。該加速器屬高精密大型裝置，各設備相對安裝定位精度要求達亞毫米級，其中直線、環(huán)和輸運線隧道控制網(wǎng)是設備安裝的基準。為實現(xiàn)對各部分隧道控制網(wǎng)的全局控制，在整個裝置區(qū)域建立了高精度的地面一級控制網(wǎng)。該地面控制網(wǎng)由園區(qū)永久點和裝置區(qū)永久點構成，其中，裝置區(qū)永久點位于地下20多米深的隧道地面上。受園區(qū)內地形、建筑物及園區(qū)施工的影響，若采用全站儀對控制網(wǎng)進行常規(guī)轉站觀測，會極大降低測量精度，因此考慮采用GPS測量[3-4]。這就需要解決隧道內裝置區(qū)永久點的測量問題，顯然該類點的測量只能在位于其正上方的房頂或地面進行，重難點在大距離、高精度的投點對中和儀器高的獲取。

通常，GPS可依賴三腳架或觀測墩進行投點觀測，儀器高可采用卷尺或鋼板尺量取，對于特殊情況還可借助附近已知水準點量取[5-6]。但對位于地下20多米深的裝置永久點卻無法通過上述途徑實現(xiàn)高精度對中和量高。因此，本文提出一套可行的高精度超大儀器高測量方案，設計屋頂儀器支架和目標半球垂準鏡，并采用高精度的投點儀，完成0.5 mm的精密對中；改造天線頭支架，采用激光跟蹤儀隧道轉站觀測模式，有效解決隧道內0.2 mm精度的超大儀器高獲取。該方案已用于CSNS地面控制網(wǎng)的觀測，并成功指導了設備在隧道的精密安裝。本文分別從控制網(wǎng)點位結構、對中整平、量高裝置和數(shù)據(jù)檢核等方面進行詳細說明。

1 控制網(wǎng)及點位結構介紹

CSNS地面控制網(wǎng)是隧道控制網(wǎng)的上一級控制網(wǎng)，由5個園區(qū)永久點和8個裝置區(qū)永久點構成，點位布局如圖1所示。5個園區(qū)永久點分布在裝置區(qū)的外圍，形成對整個裝置的全局控制；8個裝置區(qū)永久點分別分布在直線隧道、環(huán)隧道、高能輸運線隧道和靶站，每區(qū)域各2個點，實現(xiàn)對隧道控制網(wǎng)的分段控制。

由于隧道控制網(wǎng)與地面控制點的聯(lián)測需要，CSNS裝置區(qū)永久點標志位于地下20多米的深隧道內，但其構造完全不同于其他隧道控制點，如圖2所示。普通隧道控制網(wǎng)點是用膨脹螺栓直接安裝在隧道地面或墻面上的標志，采用不銹鋼加工，可吸附跟蹤儀38.1 mm目標鏡。當隧道墻體和地面發(fā)生變形時，點位也隨之跑動，通常在周圍環(huán)境穩(wěn)定之前隧道控制網(wǎng)需經(jīng)過多次測量。而裝置區(qū)永久點在隧道內通過直徑為40 cm的鋼管與地面進行通視(如圖3所示)，并作為隧道控制網(wǎng)的基準點，要求穩(wěn)定性良好。因此將地面控制網(wǎng)點建設在基巖上，外圍采用圓形鋼性護桶，內柱用鋼筋混凝土澆筑而成，內柱與護筒之間保留5 cm的間隙，避免混凝土樁受外力作用而引起擺動，內樁上澆筑可放置跟蹤球目標鏡的地面點位標定。由此可知，地面控制點因不受隧道變形、地面沉降等的影響，可保證良好的穩(wěn)定性。

圖2 裝置區(qū)永久點結構

2 測量方案

地面網(wǎng)測量采用Leica GS10和GS15 GPS測量儀，如圖3所示。在通視孔上方依次安置儀器支架、三角基座、天線頭支架和GPS天線，進行裝置區(qū)永久點的觀測。重點考慮以下兩點：一是確保天線幾何中心與該控制點在同一垂直線，因三角基座、天線頭支架和GPS天線均為儀器自帶附件，組裝完成后三者在同一垂直線上，因此確保三角基座的幾何中心與控制點在同一垂直線即可；二是如何精確獲得天線機械參考面到裝置區(qū)永久點參考面的距離，即天線高[7-10]。圍繞上述問題，測量方案主要從對中整平裝置的設計和儀器高的量取方案兩方面展開。

圖3 裝置區(qū)永久點測量示意圖

2.1 投點對中整平裝置設計

2.1.1 穩(wěn)定可調的儀器支架

地面網(wǎng)觀測過程中，CSNS園區(qū)正在進行土建施工，點位周圍環(huán)境復雜，震動大，如在通視孔上采用三腳架安置儀器，穩(wěn)定性差，觀測過程中儀器極易發(fā)生跑動，且下次地面網(wǎng)觀測中儀器重復對中精度差。針對該問題，設計了穩(wěn)定、可通視、水平4方向自由調節(jié)的屋頂不銹鋼支架，如圖4所示。

圖4 屋頂支架示意圖

支架由底座、平移臺和調節(jié)機構組成。首先在支架上安裝投點儀，通過墊片、支架整體平移使支架中心與隧道點位粗略對中整平，且在底座鋼圈上安裝膨脹螺栓，使支架相對于與地面實現(xiàn)永久固定；上層平移臺頂部有突出的中空螺柱，可與GPS儀器配套的三角基座連接，投點儀可通過中空部分實現(xiàn)從地面向隧道內點位的通視；底座上平面焊接有4個呈90°的螺桿調整機構，可使平移臺前后左右調節(jié)，對中整平完成后鎖緊4方向螺桿，使平移臺、GPS三角基座及儀器支架可靠固定。可見該屋頂支架既能實現(xiàn)自由對中調整，又能解決投點對中觀測模式中的支架易跑動問題，為GPS可靠觀測提供了保證。

2.1.2 半球垂準鏡設計與投點儀選擇

為便于激光跟蹤儀觀測，隧道內控制點和裝置區(qū)永久點等點位標志均設計成可放置5 cm跟蹤儀反射鏡的球弧狀，致使在地面進行20多米高的投點對中時無精確的瞄準目標。因此，設計了可安置于點位標志上的高精度投點目標半球垂準鏡，如圖5所示。半球面上刻畫有直徑為1 mm的圓點及線粗為1 mm，外徑分別為6、12、20 mm的3條紅色同心圓刻線，用于投點目標的尋找和對中精度估計。半球在加工過程中必須滿足以下兩條件：一是該投點目標鏡是直徑與激光跟蹤儀5 cm反射鏡直徑完全相同的標準半球；二是刻畫半球面上的中心圓點及同心圓刻線圓心必須與半球球心嚴格重合，以確保地面上GPS觀測點位與隧道內跟蹤儀觀測點位為同一點。半球垂準鏡的加工精度直接關系投點和觀測精度，完全依靠高精度的機械加工，因此選擇合格的加工廠家十分重要。對加工完成的5個半球垂準鏡采用工具顯微鏡進行檢測，發(fā)現(xiàn)其刻線精度約為0.05 mm，符合設計要求。

圖5 半球垂準鏡

投點儀采用Leica公司生產(chǎn)的NL投點儀[11]，如圖6所示。該投點儀對于100 m的目標，從兩相反方向觀測時，其互差僅為0.5 mm。在GPS三角基座上安置該投點儀，多次調節(jié)平移臺螺桿和GPS三角基座的角螺旋，使目鏡的十字刻線嚴格對稱劃分半球垂準鏡球心的1 mm圓點，且投點儀水泡居中，完成GPS三角基座與的隧道點位標志的精密對中整平。

圖6 Leica NL投點儀

對于CSNS裝置區(qū)永久點20多米高的投點，儀器誤差約為0.3 mm，附加垂準鏡的加工誤差及人眼瞄準誤差等，總投點誤差估計可控在0.5 mm之內。投點誤差可通過以下介紹的跟蹤儀方法進行檢驗。

2.2 儀器高的量取

在完成支架定位和三角基座的對中整平后，還要進行GPS儀器高的量取。由圖3可知，裝置區(qū)永久點參考面到天線機械參考面的距離可劃分為兩部分：一是天線機械參考面到天線頭支架底面的距離，Leica GS15和GS10的天線機械參考面與天線頭支架的上頂面重合，因此該距離就是天線頭上頂面到下底面的距離，即天線頭支架的長度；二是天線頭支架底面到半球垂準鏡的距離，稱為天線頭支架的高度。前者為一常數(shù)，可通過Leica公司或采用三坐標機測量獲得；后者需現(xiàn)場測量。

鋼卷尺的尺長極易受溫度和拉力等因素的影響，常規(guī)GPS點位儀器高一般在1.5 m之內，可通過鋼卷尺測量獲得。但采用鋼尺對高為20多米的裝置區(qū)永久點的儀器高進行測量，多次測量間的尺長變化約2～3 mm，顯然鋼卷尺并不適合較大儀器高的量取。因此，通過改造GPS天線頭支架，并在隧道內采用激光跟蹤儀行轉站測量獲得天線頭底面到垂準鏡的距離，最終實現(xiàn)超大儀器高的高精度獲取。

2.2.1 天線頭支架改造

激光跟蹤儀要實現(xiàn)對天線頭支架底面的測量，就要求天線頭支架底部能夠吸附跟蹤儀反射鏡。Leica自帶的天線頭支架內部中空，無法直接安裝反射鏡，因此需要進行必要改裝。根據(jù)天線頭支架的空間結構，專門設計安裝于支架內部的反射鏡固定機構，該機構可吸附2.2 cm的跟蹤儀反射鏡，如圖7所示。該機構由上頂塊、壓緊螺桿、下壓塊和球窩裝置構成。設計思路是通過旋轉壓緊螺桿，使上頂塊緊貼天線頭支架內頂面，下壓塊緊貼天線頭支架內底面，球窩通過螺桿安裝于下壓塊上，在球窩中心的中空部分安裝磁塊以吸附反射鏡。該機構具有以下特點：①反射鏡的球心與天線頭支架垂直軸重合；②反射鏡的球心與天線頭支架底面在同一平面。對加工改造完成的天線頭支架進行檢驗，反射鏡的球心與天線頭支架垂直軸和底面的差均在0.05 mm，符合設計要求。

圖7 天線頭支架改造

2.2.2 激光跟蹤儀

目前，激光跟蹤儀品牌主要有美國的Faro和瑞士的Leica。兩家公司結合工作環(huán)境均生產(chǎn)出多種型號跟蹤儀，如Faro公司的Faro ION、Faro Vantage和Leica公司的AT901、AT401等。上述激光跟蹤儀均能滿足儀器高測量精度要求。該方案測量采用Leica AT401[12](如圖8所示)，其水平測量范圍0～360°，垂直測量范圍0～290°，測量距離達320 m，測量精度達10 um,能實現(xiàn)超大空間范圍內的精密測量。且目前僅有該型跟蹤儀能夠進行天頂方向測量，滿足方案中通視孔正上方天線頭支架底部小球觀測的需要。

圖8 Leica AT401激光跟蹤儀

2.2.3 儀器高的轉站測量

激光跟蹤儀無法垂直向下觀測，方案采用轉站測量[13]，間接獲取天線頭支架高度。

假設裝置永久點點名為GC01，隧道通視孔上方點即天線頭支架底部中心點命名為GC01_T。測量方案如圖9所示，分兩站測量：第1站在靠近裝置永久點GC01的隧道地面上隨意安置儀器，測量GC01和儀器附近的隧道控制點(簡稱為轉站點)，獲得GC01和轉站點之間的相互關系；第2站在點GC01上方安置儀器，儀器無需精密對中，只需天線頭支架底部吸附的反射鏡即GC01_T可接收到激光跟蹤儀發(fā)射的激光即可，通過儀器內置水平儀測量水平，觀測第1站觀測的轉站點和GC01_T，獲得轉站點與GC01_T的相互關系。兩站測量通過轉站點進行搭接，并以地面控制點GC01為原點，以水平面的法線為Z軸建立GC01水平坐標系。在GC01水平坐標系下，GC01_T的Z向值即為天線頭支架高，天線頭支架高與已知的天線頭支架長度之和，即為GPS儀器高；X和Y值為GC01_T相對于GC01在平面方向的偏差，如不考慮測量誤差，可近似認為投點誤差。因此，該測量方案在獲得儀器高的同時也檢測了投點精度，且避免了跟蹤儀在隧道內的二次投點對中誤差，但同時引入了轉站誤差。根據(jù)該儀器的使用經(jīng)驗，小范圍內該儀器的轉站誤差可控在0.1 mm內，遠小于普通的三腳架投點誤差。

圖9 轉站測量示意圖

依據(jù)此方案，對CSNS的6個位于隧道內的裝置區(qū)永久點的儀器高分別采用跟蹤儀和卷尺各重復測量兩次。對兩次測量結果求均值和差值，并將跟蹤儀和卷尺均值結果求差值，結果見表1。從表中可以看出，采用跟蹤儀測量，天線頭支架底部中心的平面X向和Y向均值在0.45 mm內，考慮天線頭支架在平面方向0.05 mm的改造誤差，則該方案投點對中精度可達到0.5 mm，與估計的設計精度相當；跟蹤儀測量在高程向差值Z1-Z2在0.1 mm內，考慮天線頭支架在垂直方向0.05 mm的改造誤差，同樣該方案的量高精度可達到0.2 mm；而采用卷尺測量，兩次測量結果差值在2 mm內；卷尺量高均值與跟蹤儀量高均值差值不大于2.5 mm，且均小于跟蹤儀量高值，可見卷尺在測量過程中均被不同程度拉伸，造成尺度減小。

表1 天線頭支架底部中心點測量值與卷尺比較 mm

3 結 語

在加速器地面控制網(wǎng)測量中，地面控制點尤其是裝置區(qū)永久點的GPS高程測量極為重要。本文方案有效解決了超大儀器高測量中高精度的儀器對中和儀器高的精密獲取問題。通過設計屋頂支架、半球垂準鏡，實現(xiàn)了儀器的穩(wěn)固安置和精確對中；改造GPS天線頭支架，采用激光跟蹤儀，實現(xiàn)了超大儀器高的高精度獲??；最后采用該方案對隧道內6個裝置區(qū)永久點進行了重復測量，并同鋼尺測量結果進行了比較。結果表明，該方案可實現(xiàn)高30 m內儀器0.5 mm的對中精度和0.2 mm的量高精度，避免了卷尺測量尺長受拉伸影響的缺點，同時也為同類點位高精度對中和儀器高的測量提供了借鑒和參考。

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AHighPrecisionMeasurementDesigntoObtainSuperInstrumentHeight

MA Na1,2,LUO Hongbin3,LIANG Jing1,2,KE Zhiyong1,2,HE Zhenqiang1,2
(1. Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 2. Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China; 3. Shaanxi Bureau of Surveying, Mapping and Geoinformation, Xi’an 710054, China)

Since the accuracy of centering leveling and instrument height measurement is poor when the permanent point of device area in tunnel of the Chinese spallation neutron source (CSNS) being observing in the conventional GPS tripod observation mode, a high precision measurement scheme is proposed. In the scheme, the fine-tuned roof bracket and the hemisphere plumbing mirror are designed to ensure stable placement and precise alignment. GPS antenna head bracket is modified to be suitable for placing the target ball and use laser tracker to obtain high precision large instrument height. Finally, six permanent points are measured twice individually using laser tracker which result is compared with the measurement result using the ruler. The results show that the scheme can achieve a high accuracy of 0.5 mm in centering and 0.2 mm in height measuring, which avoids the influence of stretching using ruler to measure, and effectively improve the precision of centering and large instrument height measurement of the permanent point of device area of the CSNS. In addition, the new scheme also provides reference for centering and instrument height measurement of similar points.

super-large instrument height; hemisphere plumbing mirror; modification of antenna head bracket; laser tracker

馬娜,羅紅斌,梁靜,等.一種高精度超大儀器高的測量方案設計[J].測繪通報，2017(10)：128-132.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0330.

2017-02-21

國家自然科學基金(11605215)

馬 娜(1987—)，女，碩士，工程師，主要從事精密工程測量及粒子加速器準直測量的理論方法與技術研究。E-mail:mana870518@163.com

P258

A

0494-0911(2017)10-0128-05