GPS在小煤礦驗(yàn)收測量中的應(yīng)用

吳順中

（云南省一九八煤田地質(zhì)勘探隊(duì)，云南 昆明 650208）

1 GPS系統(tǒng)簡介及應(yīng)用概況

全球定位系統(tǒng)（GloblePositioningSystem簡稱GPS）是美國從上世紀(jì)70年代開始研究，歷時(shí)20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。當(dāng)初，設(shè)計(jì)GPS系統(tǒng)的主要目的是用于導(dǎo)航、收集情報(bào)等軍事目的。但是后來的應(yīng)用開發(fā)表明，GPS系統(tǒng)不僅能夠達(dá)到上述目的而且可利用GPS衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航定位信號(hào)能夠進(jìn)行米、亞米、厘米甚至毫米等不同精度的定位，還可以進(jìn)行速度測量、時(shí)間測量。這一系統(tǒng)包括3大部分：空間部分-GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分-地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分-GPS信號(hào)接收機(jī)。

與傳統(tǒng)的測量系統(tǒng)比較，GPS系統(tǒng)具有以下顯著特點(diǎn)：（1）定位精度高。實(shí)踐表明，在300～1500m精密工程定位中，與電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差為0.5mm。（2）觀測時(shí)間短。在動(dòng)態(tài)相對(duì)定位中，流動(dòng)站在距基準(zhǔn)站15km內(nèi)，每站觀測僅需1～2s。（3）可提供三維坐標(biāo)。經(jīng)典的大地測量將平面與高程采用不同的方法分別施測，而GPS系統(tǒng)可同時(shí)測定待測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并達(dá)到四等水準(zhǔn)的測量精度。（4）操作簡單。隨著GPS接收機(jī)的不斷改進(jìn)，自動(dòng)化程度越來越高，有的已經(jīng)達(dá)到“傻瓜化”的程度。（5）全天候作業(yè)。GPS系統(tǒng)可以在24h內(nèi)的任何時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，也不受陰天黑夜、起霧刮風(fēng)、下雨下雪等氣候的影響，特別適合露天測量作業(yè)。

1994年以來，經(jīng)過近10年的研究開發(fā)與實(shí)踐表明，GPS系統(tǒng)以其全天候、高精度、自動(dòng)化、高效益等顯著特點(diǎn)，贏得了廣大測繪工作者的青睞，并成功地應(yīng)用于大地控制測量、精密工程測量、變形監(jiān)測等眾多測繪領(lǐng)域里。GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)（簡稱RTK技術(shù)），在各種比例尺地形圖測繪中得到廣泛的應(yīng)用。隨著內(nèi)業(yè)處理軟件的日趨完善，GPS的應(yīng)用領(lǐng)域在不斷擴(kuò)大，并開始進(jìn)入人們的日常生活。

2 RTK技術(shù)原理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RealTimeKinematic簡稱RTK）測量技術(shù)，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS測量技術(shù)，它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新突破。眾所周知，GPS測量技術(shù)的模式已有多種，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、準(zhǔn)動(dòng)態(tài)和動(dòng)態(tài)相對(duì)定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，其定位結(jié)果均需通過觀測數(shù)據(jù)的測后處理而獲得。所以，它無法實(shí)時(shí)地給出觀測站的定位結(jié)果，也無法對(duì)基準(zhǔn)站和用戶站觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量，進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢核，致使返工重測。

以往解決這一問題的措施，主要是延長觀測時(shí)間，以獲得大量的多余觀測，來保障測量結(jié)果的可靠性。但是，這樣，便顯著地降低了GPS測量工作的效率。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)，通過無線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶觀測站上，GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過無線電接收設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。

RTK測量系統(tǒng)的開發(fā)成功，為GPS測量工作的可靠性和高效率提供了保障，對(duì)測量技術(shù)的發(fā)展和普及，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量模式主要有3種：（1）快速靜態(tài)測量。采用這種測量模式，要求GPS在每一用戶站上靜止地進(jìn)行觀測。它可以不必保持對(duì)GPS衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，其定位精度達(dá)1～2cm。這種方法可應(yīng)用于城市、礦山等區(qū)域性的控制測量，工程測量和地籍測量。（2）準(zhǔn)動(dòng)態(tài)測量。這種測量模式，要求流動(dòng)的接收機(jī)在觀測工作開始之前，首先在某一起始點(diǎn)上靜止地進(jìn)行觀測，也就是進(jìn)行初始化。初始化后，在其他觀測站上只需測量1～2s，即可獲得該點(diǎn)的三維坐標(biāo)，目前，其定位精度可達(dá)厘米級(jí)。它要求在觀測過程中，要保持對(duì)觀測衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤。這種方法主要應(yīng)用于地籍測量、碎部測量、線路測量和工程放樣等。（3）動(dòng)態(tài)測量。動(dòng)態(tài)測量模式和準(zhǔn)動(dòng)態(tài)一樣，一般需要在起始點(diǎn)上進(jìn)行初始化，之后，運(yùn)動(dòng)的接收機(jī)按預(yù)定的時(shí)間間隔進(jìn)行自動(dòng)觀測，并連同基準(zhǔn)站的同步觀測數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)地確定采樣點(diǎn)的空間位置。其定位精度也可達(dá)到厘米級(jí)。這種測量模式，也要求對(duì)所測衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤。適用于航空攝影測量、航道測量以及運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的精密導(dǎo)航。目前，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，已在約20km的范圍內(nèi)，得到了成功的應(yīng)用。

3 GPS在我公司的應(yīng)用

幾年前，我隊(duì)購進(jìn)一套GPS系統(tǒng)。今年上半年，在某工程改線現(xiàn)場，我們?yōu)榱蓑?yàn)證GPS系統(tǒng)在本地區(qū)的應(yīng)用情況，分別使用捷創(chuàng)利全戰(zhàn)儀和GPS系統(tǒng)測量了同一條附和導(dǎo)線。通過嚴(yán)密平差計(jì)算，兩種測量方法所測得的導(dǎo)線，均滿足規(guī)范要求，導(dǎo)線點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差和邊長相對(duì)中誤差相差無幾。但是，用全站儀測量所用外業(yè)時(shí)間是使用GPS系統(tǒng)所用時(shí)間的2倍。結(jié)果表明，GPS系統(tǒng)在本地區(qū)完全能夠替代傳統(tǒng)的測量方法，同時(shí)能夠節(jié)省勞動(dòng)力，提高工效。

4 小煤礦測量驗(yàn)收工作流程及耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

小煤礦生產(chǎn)技術(shù)部測量組現(xiàn)有測量人員十幾名，其中2人負(fù)責(zé)內(nèi)業(yè)，其余十幾人負(fù)責(zé)全部外業(yè)和部分內(nèi)業(yè)工作。按照公司和礦里的要求，每月要進(jìn)行一次采剝量驗(yàn)收測量工作，計(jì)算各采剝臺(tái)階、采剝?cè)O(shè)備當(dāng)月的工程量；土、巖、煤的運(yùn)距和采剝量的綜合運(yùn)距；繪制采場及排土場工程位置平面圖。驗(yàn)收測量的外業(yè)工作每月從20日開始，大月26日上午截止，小月25日上午截止，累計(jì)每月外業(yè)時(shí)間4.5～5d（考慮天氣因素和其他測量工作，預(yù)留1～1.5d時(shí)間）。

以2003年小煤礦計(jì)劃生產(chǎn)商品煤1200萬t的產(chǎn)量規(guī)模為例，剝離量5300萬m3，月平均采剝總量為560萬m3。驗(yàn)收測量外業(yè)總點(diǎn)數(shù)平均1500點(diǎn)左右。根據(jù)我們平時(shí)對(duì)驗(yàn)收測量每一點(diǎn)時(shí)間標(biāo)定，每測量一個(gè)碎部點(diǎn)的時(shí)間分配是：①測量時(shí)間15s。包括瞄準(zhǔn)目標(biāo)、按動(dòng)測量鍵開始測量、輸入每個(gè)碎部點(diǎn)屬性注記、通知鏡站測量結(jié)束4個(gè)環(huán)節(jié)。②走路時(shí)間30s。驗(yàn)收測量時(shí)，各個(gè)碎部點(diǎn)之間的距離約為30m，走路時(shí)間是指從上一個(gè)點(diǎn)測完以后，走到下一個(gè)待測的碎部點(diǎn)所用的時(shí)間。③等待時(shí)間30s。由于1臺(tái)全站儀要跟5個(gè)棱鏡，而測每個(gè)碎部點(diǎn)要耗時(shí)大約15s的時(shí)間，所以，每個(gè)鏡站的周期就是75s。

5 與GPS系統(tǒng)的比較

通過上述對(duì)每一個(gè)碎部點(diǎn)的測量用時(shí)分析，顯而易見，測量每個(gè)碎部點(diǎn)所必需的時(shí)間應(yīng)該是45s。但是由于使用1臺(tái)全戰(zhàn)儀跟5個(gè)棱鏡，決定了這5個(gè)鏡站之間形成了一種串行的作業(yè)方式，無形之中白白浪費(fèi)30s的等待時(shí)間。使得每個(gè)鏡站的周期變成75s。

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料表明，應(yīng)用GPS系統(tǒng)的RTK技術(shù)，流動(dòng)站每測量一個(gè)碎部點(diǎn)耗時(shí)1～2s，加上輸入注記時(shí)間1～2s，走路時(shí)間30s，累計(jì)用時(shí)34s，并且每個(gè)流動(dòng)站就是1臺(tái)GPS接收機(jī)，互相之間不干擾，是一種典型的并行作業(yè)方式。與全站儀測量相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）測量用時(shí)短。單純從上述用時(shí)分析，可提高測量速度1倍。（2）節(jié)省勞動(dòng)力。由于基準(zhǔn)站并不用設(shè)專人操作，這樣可以減少1名司儀，加入到流動(dòng)站。在不增加測量人員的情況下，由5個(gè)鏡站增加到6個(gè)。（3）減少礦區(qū)內(nèi)控制點(diǎn)的密度。由于GPS測量系統(tǒng)各站之間不需要通視，所以，可以大大減少設(shè)置礦區(qū)控制點(diǎn)的數(shù)量。（4）傳統(tǒng)的全站儀測量方式，只要出外業(yè)，至少需要2人：1個(gè)司儀，1個(gè)鏡站。如果不通視，還要臨時(shí)支點(diǎn)、搬站。而GPS系統(tǒng)，只需1人就能完成同樣的工作。同時(shí)，依靠一個(gè)基準(zhǔn)站，可以并行完成不同的測量工作而互不干擾。這一系統(tǒng)唯一的缺點(diǎn)是，初期的一次性投資比較大。

6 結(jié)論

筆者根據(jù)以上的分析比較，使用GPS系統(tǒng)，在測量精度上，完全能夠滿足我礦驗(yàn)收測量的要求，并且該系統(tǒng)全天候、速度快、效率高、節(jié)省勞動(dòng)力的特點(diǎn)，非常適合小煤礦各項(xiàng)測量工作的需要，尤其是驗(yàn)收測量工作，更為明顯。按我礦現(xiàn)有生產(chǎn)規(guī)模，如果使用GPS系統(tǒng)，測量驗(yàn)收工作外業(yè)僅需要2～2.5d就能完成，提高工效1倍。如果還采用傳統(tǒng)的全站儀測量方法，而不增加測量人員，已經(jīng)很難完成測量驗(yàn)收任務(wù)和其他日常測量工作。因此，采用GPS系統(tǒng)為主、全站儀測量為輔的礦山測量模式，是完全可行和必要的。這樣有利于更好地完成我礦的測量驗(yàn)收工作，為按時(shí)完成生產(chǎn)任務(wù)，提供可靠的保障。

[1]郭清,張文升,張文亮.大型建設(shè)工程施工控制網(wǎng)測量方法[J].山西建筑,2007,(14).