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勇闯三关,国产测量装备登上地球之巅
发布时间 : 2020-06-03 10:42:00 来源: 点击量:

5月27日11时,2020珠峰高程测量登山队携带国产测量仪器,克服重重困难,成功从北坡登上珠穆朗玛峰峰顶。登顶后,测量登山队员在峰顶竖立起测量觇标,使用GNSS(全球导航卫星系统)接收机通过北斗卫星进行高精度定位测量,使用雪深雷达探测仪探测了峰顶雪深,并使用重力仪进行了重力测量。随着测量数据的顺利采集,本次珠峰测量任务外业测量圆满完成。这是我国首次在珠峰高程测量中全程使用自主研发的高精度测量仪器。

珠峰高程测量尤其是峰顶测量,既是对测量登山队员身体极限的挑战,也是对测量设备性能指标的挑战。测量设备除了要具备高精度计量特性外,还要能适应极限自然条件,具有携行安全性。

“新中国成立后直到2005年,在我国进行的历次珠峰高程测量中,进口测绘设备都是主角。党的十八大以后,中国制造以前所未有的广度和深度参与国际社会的方方面面,国际领先的产品在各行各业不断出现。在这样的大背景下,用国产测量设备测量珠峰高度水到渠成。”2020珠峰高程测量技术协调组组长、中国测绘科学研究院研究员党亚民表示,成功登顶珠峰,意味着我国自主测绘装备经受住了重重严苛考验,体现出国产测绘技术装备强大的研发能力、先进的技术水平。

质量性能关自主创新瞄准更高精度

2020珠峰高程测量综合运用GNSS测量、精密水准测量、光电测距、雪深雷达测量、重力测量、天文测量、卫星遥感、似大地水准面精化等多种传统和现代测绘技术,精确测定珠峰高程。本次珠峰测量充分利用了北斗卫星导航系统、资源三号(ZY-3)等遥感卫星系统,设备主要包括GNSS接收机和天线、长测程全站仪、峰顶觇标、雪深雷达测量仪、珠峰重力仪等。

应用北斗卫星导航系统进行高精度定位,是本次珠峰高程测量的一项重要技术创新,GNSS接收机则是关键设备。

据了解,2005年珠峰高程测量中,测量登山队员携带卫星导航定位仪登顶进行了测量。但当时我国北斗系统处于试验阶段,无法解决高精度测量需求,卫星导航定位仪测量主要依赖美国GPS,高精度卫星导航定位测量设备都是进口产品。

15年来,随着北斗卫星导航系统的发展,国产高精度GNSS接收机经历了OEM板、天线、芯片“从无到有、从有到优”的发展历程。射频芯片、基带芯片、天线等基础类产品也已完全国产化。从近几年GNSS接收机新产品型式评价实验情况来看,国产GNSS接收机以及核心元器件不仅实现了国产化,性能和质量也不逊于进口产品。

精度是测绘的生命。2019年11月初,中国测绘科学研究院国家光电测距仪检测中心对珠峰测量仪器设备选型检测时,依据相关国家标准和行业标准,同时考虑珠峰测量工作环境的特殊性,就明确了GNSS接收机高程测量的准确度,要求从每千米5毫米提高到3.5毫米。

本次登顶测量采用的国产GNSS接收机由上海华测导航技术股份有限公司提供,具备接收多星系统数据的功能,以北斗卫星数据接收为主,同时可以接收处理美国GPS、俄罗斯的格洛纳斯(GLONASS)和欧洲的伽利略(Galileo)卫星导航系统信号,使测量更为准确。得益于使用北斗三代数据,有效消除误差,GNSS接收机水平测量精度已达2.5毫米。

水准测量是珠峰高程测量的重要手段。测量时,需要在地面两点间安置水准仪,观测竖立在两点上的水准标尺,按标尺上读数推算两点间的高差。珠峰高程测量中,水准仪无法直接测量至峰顶,需要在海拔6000米左右架设长测程测距仪器观测峰顶的觇标进行三角高程测量,以此测量峰顶高程。

但在选择长距离测距仪器时,难题出现了。由于现在超长距离测距都是使用GNSS,世界范围内已经没有厂家研发生产超长距离测距仪,而在珠峰测量中又无法提前在峰顶架设卫星接收站。“珠峰最远的测量点距离峰顶约为18.3千米。目前世界上没有任何一款仪器可以满足需要,只能自己研制。”国家光电测距仪检测中心主任齐维君说。

为此,该中心与自然资源部第一大地测量队(以下简称国测一大队)等单位合作,专家团队联合攻关,在短短2个月的时间里,研制出了满足珠峰高程测量的长测程、高性能全站仪。这款全站仪的测距测程超过19千米,反射目标为六棱镜组,距离测量精度优于(2﹢2×10-6D)毫米(D为测量距离)。

据了解,这款长测程全站仪的成功研制,实现了我国在该装备制造领域零的突破,不仅解决了珠峰峰顶交会测量的问题,还解决了常规大地测量中超远距离测距的问题。

在峰顶测量中,还要使用雪深雷达探测仪来探测峰顶冰雪的厚度。2005年珠峰高程测量使用的是国外的设备,这次国测一大队找到了南方测绘等厂家,提出了需求。普通的雷达探测只能探测到下方是什么物质,并且是静止的探测,而峰顶探测要探测冰雪深度,还要在冰雪面上移动。

“我们的队员把创新写在野外实践中。中队长柏华岗从去年7月就开始和厂家对接,用了四五个月的时间不断修改方案,把卫星定位设备加上去、把时间系统加上去,反复测试并改进。这次在海拔7028米营地,测量登山队员们再次进行了测试,把冰雪的介质参数算出来,保证峰顶测量的准确。”国测一大队队长、2020珠峰高程测量现场总指挥李国鹏说。

低温低压关装备经受住极限考验

低温、低压、低氧,是珠峰地区特殊的自然环境。研究表明,海拔高度每升高100米,大气压下降5.9毫米汞柱、温度下降0.6℃、氧含量下降0.16%。海拔8800米以上,最低气温可达零下45℃,气压只有30千帕,而正常情况下是101千帕。

“低温、低压对设备的要求都是非常严苛的。”齐维君告诉记者,针对珠峰地区环境特点,要求仪器在零下40℃、海拔9000米的环境条件下仍可以正常工作。另外,防尘防水也达到了当前测绘仪器最高要求的IP68标准,仪器必须能严格防止灰尘进入,即使仪器完全浸没在水中也不会发生损坏。

曾参加2005年珠峰高程测量的国家基础地理信息中心高级工程师张江齐,谈起极限条件对设备的考验,至今仍记忆犹新:“尽管当时选用的全是进口设备,但在对峰顶的测量中几乎所有设备都或多或少地出现了问题,幸亏所有设备都带了两套,才保证了最终测出峰顶高度。”

为了确保GNSS测量设备在低温环境下能正常工作,华测导航按照珠峰高程测量要求,从元器件到配套的线缆、配件均选用高质量等级的宽温产品,工作温度范围从零下45℃到零上85℃;定制了专用接口的耐低温锂电池,能在低温条件下工作12小时;天线线缆选用耐低温材质,确保在低温条件下不会开裂,传输信号不会衰减。同时,反复进行各种环境测试:产品整机和所有配件在零下55℃环境下低温贮存48小时,在零下45℃环境下低温工作24小时。

为了确保设备在低气压环境下稳定工作,在器件选型上,华测导航提供的GNSS接收机选用的元器件避免存在液态或密闭有腔体的情况;在产品设计上,整机装有防水透气阀,保证内外压力一致,不会因气压快速变化导致按键异常;在质量控制上,对元器件和整机开展二次筛选工作,并在最低25千帕的低气压环境(对应海拔10000米高度)下进行不同低温和低压的组合测试,确保设备能在峰顶的恶劣环境下正常工作。

竖立在峰顶的测量觇标一直是珠峰高程测量的标志性设备。觇标的制造过程并不容易,要结合光学测距、测角的需求,还要考虑峰顶的温度、湿度。材质如何选择既要考虑到硬度,还要考虑到坚固性、韧性和重量,还必须耐零下几十度的低温。国测一大队和南方测绘合作,先后尝试了碳纤维、铝合金等材质,经过反复沟通、测试,最终做出了符合要求的铝合金觇标。

在珠峰峰顶开展重力测量是本次珠峰高程测量的一大突破。据悉,2005年珠峰高程测量中,国测一大队队员任秀波和柏华岗曾把重力测量推进到海拔7790米,创下了当时重力测量最高海拔的世界纪录。为了将重力测量推向峰顶,国测一大队在选用基本与1975年、2005年类型接近的国产高精度重力仪基础上,与生产厂商国机集团一起,针对珠峰地区环境进行了进一步改装。

2020珠峰高程测量开始前,国家光电测距仪检测中心经过严格模拟环境条件检测后,将入选设备送到黑龙江的漠河地区实际高寒环境、西藏地区的高海拔环境进行了多次野外实地试验,确保测量设备能适应低温低压环境。

安全便携关让测量人员操作简单可靠

有人曾做过测算,在海拔5000米左右时,人徒步行走相当于平地负重30公斤。

在珠峰地区极端环境中,测量队员要徒步从大本营到峰顶,其间既有严寒,还会遇到冰川、裂缝、雪崩等。他们穿着厚厚的防寒服、戴着厚厚的手套。如何让测量设备轻便易携带、操作最简单可靠,是面临的另一大挑战。

“登山队员和测量人员防护装备加氧气瓶就近30公斤,因此所有测量装备都必须控制在5公斤以下。”张江齐说,高寒缺氧,每增加1克对测量登山队员来说都是沉重的负担。

据了解,在轻便易携方面,国产测量仪器已经领先于同类型的进口装备。以华测导航提供的GNSS接收机为例,其主机重量为2.2千克,天线重量为400克。而同类型的美国天宝的设备主机重量达2.34千克,天线重量为590克。

这是如何做到的呢?华测导航硬件研发总监张沛尧告诉记者,一方面,设备从芯片到模块的集成度较高;另一方面他们在选材用料时下了很多功夫,选用铝镁合金,既保障设备的强度又减轻了重量。此外,针对这次珠峰高程测量任务,他们优化了主机的功耗,使电池的重量也减轻了。

为了让GNSS接收机更加便于测量人员操作,确保设备在攀登过程中不受跌落影响,在操作过程中不会出错,华测导航对提供的设备前、后面板采用加固防护设计,减少多余的接口,这也让设备减轻了部分重量。

“中国制造能登顶珠峰,是因为所有参与单位都有这样的决心,要利用这次珠峰测量将中国制造的测绘设备推到一个新高度。”党亚民说,为了这一目标,技术支撑单位、实施单位紧密配合,提出更新更高的要求,各厂家根据这些特殊要求积极对产品进行了优化、改进。

“在2020珠峰高程测量整个组织过程中,自然资源部始终坚持自主创新、科技引领的理念,不断推动我国测量装备迈向更高水平。”自然资源部国土测绘司司长武文忠表示,“成功登顶测量向世界证明了我国自主研发的测量装备完全有能力、有实力承担这样的国家任务,国产测绘装备总体技术和产品已经达到世界级先进水平,中国测绘人只能依赖进口装备测量珠峰高程的历史已一去不复返!”来源:中国自然资源报 作者:于德福 王少勇