GPS 在礦山測量中的工作原理及應(yīng)用分析

張應(yīng)學(xué)

（貴州格目底礦業(yè)有限公司玉舍中井煤礦，貴州 水城 553000）

1 前言

傳統(tǒng)的大地測量、工程控制測量采用三角網(wǎng)、導(dǎo)線網(wǎng)方法來施測，費工費時，要求兩點間通視，且精度分布不均勻，外業(yè)測量時不知精度如何。而采取GPS RTK 進行控制測量，能夠?qū)崟r知道定位精度，當(dāng)點位精度滿足要求了，很快便可以采集所需要點的坐標(biāo)值。在測量工程中第一步是確定現(xiàn)有已知點和定出起始點。GPS測量容易比較3個點之間的坐標(biāo)差而不是角度和距離，用坐標(biāo)差值來檢核起始點。以前的測量中選定至少3個控制點作為已知點來確定這些點的可靠性。當(dāng)用GPS測量時，確定起始點就能夠檢驗現(xiàn)有已知點間的關(guān)系和可靠性；它能在GPS參考框架WGS 一84 坐標(biāo)系和當(dāng)?shù)氐膰易鴺?biāo)系之間建立重要的聯(lián)系 (GPS設(shè)備具有現(xiàn)場坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換功能)。

利用以往傳統(tǒng)礦山測量工作需要多次的搬站，操作過程復(fù)雜、相互制約，適應(yīng)性差，致使誤差累計，降低精度。利用GPS能在快速動態(tài)初始化下實時計算出系統(tǒng)坐標(biāo)并將坐標(biāo)直接記錄保存，無需通視、相互聯(lián)系各自獨立，快速、準(zhǔn)確的得到測量結(jié)果。GPS作業(yè)有著極高的精度與工作效率及質(zhì)量，更不受人為因素的影響。

GPS設(shè)備的缺點：采集測點時GPS依賴于可見到的衛(wèi)星，在開闊地區(qū)，信號失鎖問題不會出現(xiàn)。隨著GPS測量的進行，接收機可能被迫放棄對衛(wèi)星的自動跟蹤，這就會迫使接收機重新初始化，需要重新觀測每一個新的坐標(biāo)點，作為野外檢核。在露天采場底部遮蔽地帶使用會受到一些限制，它不能精確的進行角度和懸空測量。為此，還需要全站儀等測量工具配合。輔助相應(yīng)的軟件，充分發(fā)揮GPS與全站儀各自的優(yōu)勢。在GPS測量應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)進一步完善其測量規(guī)程和國家GPS鑒定標(biāo)準(zhǔn)。

2 GPS技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及工作原理

全球定位系統(tǒng)GPS(Global Positioning System)是美國陸?？杖娐?lián)合研制的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全球性、全天候、連續(xù)性、實時性導(dǎo)航定位和定時功能，為各類用戶提供精密的三維坐標(biāo)、速度和時間。

隨著俄羅斯的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GLONASS)的不斷完善，利用GLONASS 來改善GPS性能的雙星座系統(tǒng) (GLONASS+GPS)已由美國研制成功，這種高精度的系統(tǒng)為用戶提供了更完善的接收設(shè)備。

(1)根據(jù)算法模型，設(shè)計了靜態(tài)、快速靜態(tài)以及RTK 等作業(yè)模式。靜態(tài)作業(yè)模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量；快速靜態(tài)測量以其高效的作業(yè)效率與厘米級精度廣泛應(yīng)用于一般的工程測量；而RTK 測量以其快速實時，厘米級精度等特點廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集 (如碎部測量)與工程放樣中。對常規(guī)測量而言相對測地定位是主要的應(yīng)用方式。

(2)GPS RTK的工作原理。利用差分技術(shù)來完善GPS定位功能。差分GPS定位技術(shù)是用2臺或2臺以上的GPS接收機同時接收衛(wèi)星信號，其中一臺安置在已知坐標(biāo)點上作為基準(zhǔn)站(基準(zhǔn)站可安置在任意位置)，其他的用來測定未知的坐標(biāo)-移動站。工作原理是基準(zhǔn)站根據(jù)改正點的準(zhǔn)確坐標(biāo)求出到衛(wèi)星的距離的改正數(shù)并將這一改正數(shù)發(fā)給移動站，移動站接收到這一改正數(shù)來改正其定位結(jié)果。

(3)RTK 利用載波相位差分技術(shù)，實時處理測站載波相位觀測量的差分方法。RTK 在定位時要求基準(zhǔn)站接收機實時地把觀測數(shù)據(jù)(如偽距或相位觀測)以及已知數(shù)據(jù)(如基準(zhǔn)站坐標(biāo))實時傳給移動站，移動站快速求解周模糊度，在觀測到衛(wèi)星后，可以實時地求解出厘米級的動態(tài)位置。與傳統(tǒng)測量相比，RTK 技術(shù)受通視條件、能見度、季節(jié)等因素的限制較小。RTK 只需要滿足電磁波通視，便可以快速的、高精度的定位作業(yè)。

3 GPS的實施與應(yīng)用分析

國家或區(qū)域性的高精度三維國家大地測量GPS控制網(wǎng)，相鄰點的距離從數(shù)百千米至數(shù)千千米，以確定國家大地坐標(biāo)系與世界大地坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)，為地學(xué)和空間科學(xué)等方面的科學(xué)研究工作服務(wù)，或研究地區(qū)性板塊運動或地殼形變規(guī)律等問題。另一類是局部性的GPS控制網(wǎng)，包括礦區(qū)GPS網(wǎng)或其他工程GPS網(wǎng)。網(wǎng)中相鄰點間距為幾千米至幾十千米，主要是為礦山生產(chǎn)或?qū)ｍ椆こ探ㄔO(shè)服務(wù)。

3.1 礦區(qū)控制網(wǎng)布設(shè)

自70年代以來，許多測繪部門先后在該地區(qū)布設(shè)不同等級控制網(wǎng)，高程系統(tǒng)及坐標(biāo)系不在同一起算源與同一期網(wǎng)。礦山坐標(biāo)系(3°帶北京54 坐標(biāo)系)與當(dāng)?shù)毓疯F路及城市規(guī)劃局坐標(biāo)系各自獨立，在各種管網(wǎng)給排水管道施工、征地放樣工作中因坐標(biāo)及高程系統(tǒng)不統(tǒng)一，難以滿足精度測量施工放樣要求。為此，我們采用在高等級的基礎(chǔ)上全面布GPS網(wǎng)，選取原有地面國家控制點4個且在網(wǎng)中分布均勻，確定GPS網(wǎng)與地面網(wǎng)兩者轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過獨立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，以增加檢核條件提高網(wǎng)的可靠性

3.2 GPS RTK 在礦山工程測量的應(yīng)用

在礦山坐標(biāo)系GPS網(wǎng)的控制下測量計算出與公路高程系統(tǒng)差值、及與市規(guī)劃局獨立坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

(1)采剝現(xiàn)狀與地形測量。過去測地形圖時先要在測區(qū)范圍建立控制點及圖根點，然后在圖根控制點上架全站儀或經(jīng)緯儀配合小平板測圖。后來發(fā)展到外業(yè)用全站儀和電子手薄配合地物編碼，用大比例測圖軟件來進行測圖，都要求在測站上測四周的地物地貌等碎部點，這些碎部點都必須與測站通視，而且至少要求2～3 人操作，在拼圖時一旦發(fā)現(xiàn)出錯還得到野外去重測?，F(xiàn)在采用RTK，在一般的地形地勢下，設(shè)站一次即可測完以10 多公里為半徑的測區(qū)，大大減少傳統(tǒng)測量所需的控制點數(shù)量和測量儀器的搬站次數(shù)，僅需一個操作，在地形地貌碎部點上待12s，可以得到該點的三維坐標(biāo)值。同時輸入地物編碼，在測量過程中實時知道點位精度，這樣使作業(yè)速度加快，節(jié)省了外業(yè)費用，也提高了勞動效率。RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級，并且誤差沒有累加，數(shù)據(jù)安全可靠。當(dāng)一個測區(qū)測完后回到室內(nèi)，由成圖軟件通過接口，就可以繪制輸出所需求的地形圖。

(2)鉆孔、征地邊界、境界線等工程放樣。把設(shè)計好的點位在實地標(biāo)定出來，用常規(guī)的放樣如經(jīng)緯儀交會放樣，全站儀的邊角等，一般要放出一個設(shè)計好的點時，往往需要來回移動目標(biāo)，而且要2～3 人操作，同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好，有時放樣過程遇到困難的情況要借助于很多方法才能放樣，如距離較遠(yuǎn)時還必須支測點，從而使誤差累加影響放樣點的精度。

(3)土方工程量驗收測量。徠卡GPS配合南方成圖軟件形成管理一體化數(shù)據(jù)鏈，減少數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)抄、輸入等中間環(huán)節(jié)并實現(xiàn)CAD化。測量 2～4s/點 (精度 2～3cm)，4～5 人在 4d 時間內(nèi)可完成8.8km月采剝工程平面圖的數(shù)據(jù)采集、填繪更新工作。月底采集碎部點位超過5000 測點，現(xiàn)有人員用以往測量儀器無法實現(xiàn)大型露天礦月工程量驗收的需要。目前正在考慮建立單基站CORS 系統(tǒng)實現(xiàn)無人值守，用VRS 技術(shù)提供GPS實時測量數(shù)據(jù)服務(wù)，滿足非蔭蔽區(qū)工程測量等項要求且連續(xù)可靠。隨著周圍相鄰地級市單位單基站系統(tǒng)的建立，可共同組網(wǎng)，提高系統(tǒng)覆蓋范圍和精度，輕松升級成多基站CORS 系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

隨著國家經(jīng)濟發(fā)展，空間大地測量技術(shù)越來越受到重視，與此同時測量的方法與測量的儀器也有了質(zhì)的變化。世界所有需要導(dǎo)航、定位的用戶，都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活所吸引。GPS在我國的應(yīng)用從少數(shù)科研單位和軍事部門迅速擴展到各個領(lǐng)域。GPS的廣泛應(yīng)用改變了測量行業(yè)的傳統(tǒng)工作方式，突破了經(jīng)典測量中的種種限制，達到全天候采集和不受空間通視條件等限制，尤其是在大型露天測量工作中更體現(xiàn)其獨特優(yōu)越性。

[1]楊德麟,等.大比例尺數(shù)字測圖的原理、方法與應(yīng)用[M].

[2]付水旺.淺談GPS測量與誤差分析[J].采礦技術(shù).