GPS-RTK在山區(qū)煤礦測(cè)繪與測(cè)設(shè)中的應(yīng)用

王 剛，郭廣禮，李 伶

（1.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），江蘇 徐州 221116；2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

GPS-RTK在山區(qū)煤礦測(cè)繪與測(cè)設(shè)中的應(yīng)用

Application of GPS-RTK technology in coal mine mapping and surveying in mountain area

王 剛1,2，郭廣禮1,2，李 伶3

（1.國(guó)土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國(guó)家測(cè)繪局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），江蘇 徐州 221116；2.江蘇省資源環(huán)境信息工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)），江蘇 徐州 221116；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116）

GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是一種新興的礦區(qū)測(cè)量技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)GPS-RTK技術(shù)的工作原理和影響GPS-RTK技術(shù)定位精度的因素進(jìn)行分析，探討GPS-RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用，重點(diǎn)研究GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)在礦區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站放樣工作中的優(yōu)勢(shì)，得出GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)完全能滿(mǎn)足礦區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站放樣的精度要求。

GPS-RTK；礦山測(cè)量；地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站；放樣；應(yīng)用

1 前言

平原地區(qū)地面情況較簡(jiǎn)單，礦區(qū)測(cè)量工作常常使用普通測(cè)量?jī)x器就能滿(mǎn)足對(duì)礦區(qū)范圍內(nèi)的各種構(gòu)筑物、地界、三下采煤觀(guān)測(cè)、放樣施工等施測(cè)的要求。山區(qū)地形地貌復(fù)雜以及礦區(qū)范圍內(nèi)的各種沉陷造成地面測(cè)量控制點(diǎn)破壞、控制點(diǎn)不通視等實(shí)際情況，傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)不再適用，因此，必須尋求一種快速高效的測(cè)量手段以滿(mǎn)足山區(qū)礦山測(cè)量的要求。

GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)是一種全新的GPS測(cè)量方法，是GPS發(fā)展的里程碑，它的出現(xiàn)，使山區(qū)礦山測(cè)量成為可能。傳統(tǒng)的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量等測(cè)量方法都需要測(cè)后利用隨機(jī)軟件進(jìn)行解算才能獲得結(jié)果，而GPS-RTK技術(shù)采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，它能夠在野外實(shí)時(shí)達(dá)到厘米級(jí)的定位精度。目前，隨著GPS-RTK技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，GPS-RTK已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)繪的各個(gè)行業(yè)，如電力、公路、鐵路的勘測(cè)設(shè)計(jì)和施工放樣，土地勘界、地籍測(cè)量、房產(chǎn)測(cè)繪、地質(zhì)探礦等領(lǐng)域。與常規(guī)的觀(guān)測(cè)方法相比，GPS-RTK技術(shù)有作業(yè)效率高、定位精度高、作業(yè)自動(dòng)化、集成化程度高、作業(yè)條件要求低、操作簡(jiǎn)便，容易使用，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的發(fā)展前景。

2 GPS-RTK工作原理及構(gòu)成

2.1 GPS-RTK工作原理

GPS測(cè)量主要由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三部分組成。它的工作原理是：至少使用2臺(tái)GPS接收機(jī)（1臺(tái)基準(zhǔn)站，1臺(tái)流動(dòng)站），并且必須同時(shí)工作，利用載波相位差分技術(shù)實(shí)時(shí)處理由這2個(gè)測(cè)站的載波相位觀(guān)測(cè)量進(jìn)行差分處理。RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀(guān)測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度?；鶞?zhǔn)站接收機(jī)通常設(shè)在1個(gè)固定的點(diǎn)上（已知點(diǎn)或未知點(diǎn)均可），通過(guò)基準(zhǔn)站系統(tǒng)采集可用衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)，由串行端口送至無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)，發(fā)射電臺(tái)對(duì)包裝后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播，由流動(dòng)站電臺(tái)接收基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的包含基準(zhǔn)站接收到的GPS原始數(shù)據(jù)的信息，電臺(tái)將收到的基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)經(jīng)由串口轉(zhuǎn)往流動(dòng)站接收機(jī)。與此同時(shí),流動(dòng)站GPS接收機(jī)會(huì)在其當(dāng)前位置采集本機(jī)的原始數(shù)據(jù)。來(lái)自基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)與流動(dòng)站GPS接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)匯集在流動(dòng)站接收機(jī)中統(tǒng)一進(jìn)行處理，從而計(jì)算出2個(gè)接收機(jī)之間精確到厘米級(jí)的基線(xiàn)向量，最后，流動(dòng)站接收機(jī)利用已知基準(zhǔn)站的位置和基線(xiàn)向量計(jì)算流動(dòng)站的坐標(biāo)。根據(jù)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的工作原理，作業(yè)人員攜帶流動(dòng)站系統(tǒng)在測(cè)區(qū)又快又準(zhǔn)確地進(jìn)行定位測(cè)量、放樣和地形測(cè)量等其它測(cè)量工作。

2.2 GPS-RTK構(gòu)成

RTK測(cè)量系統(tǒng)主要由GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。

（1）GPS接收設(shè)備。由于雙頻觀(guān)測(cè)值不僅精度高，而且有利于快速準(zhǔn)確地解算整周未知數(shù)，所以在基準(zhǔn)站和用戶(hù)站上都設(shè)置雙頻GPS接收機(jī)。當(dāng)基準(zhǔn)站為多個(gè)用戶(hù)服務(wù)時(shí)，則接收機(jī)的采樣率應(yīng)與用戶(hù)接收機(jī)的最高采樣率相一致。

（2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備也稱(chēng)數(shù)據(jù)鏈，由基準(zhǔn)站的無(wú)線(xiàn)電發(fā)射電臺(tái)與用戶(hù)設(shè)備的接收機(jī)組成，其頻率和功率的選擇主要取決于用戶(hù)站與基準(zhǔn)站的距離、環(huán)境質(zhì)量以及數(shù)據(jù)的傳輸速度。

（3）軟件系統(tǒng)。支持實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和功能，對(duì)于保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的可行性、測(cè)量結(jié)果的可靠性和精確性具有決定性意義。

3 GPS-RTK技術(shù)的優(yōu)越性

（1）具有實(shí)時(shí)性。這是一般的測(cè)量設(shè)備所不具備的，而且放樣精度能達(dá)到厘米級(jí)別。

（2）RTK測(cè)量作業(yè)效率高。根據(jù)有關(guān)資料對(duì)比分析，GPS-RTK測(cè)量作業(yè)效率是傳統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量的2～4倍。GPS-RTK的人力和設(shè)備的投入都比較少，常規(guī)測(cè)量手段需要的人力和設(shè)備的投入是GPS-RTK測(cè)繪手段的3倍左右。

（3）GPS-RTK測(cè)量成果在野外觀(guān)測(cè)時(shí)是實(shí)時(shí)提供的，因此能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校核數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)測(cè)量所不能及的。

（4）GPS-RTK測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一是快速解算載波的整周未知數(shù)，達(dá)到了快速、高精度，而且即使遇到障礙物失鎖也可在重新捕獲衛(wèi)星并在數(shù)分鐘后繼續(xù)測(cè)量。

（5）基站與移動(dòng)站之間不需要通視，觀(guān)測(cè)距離遠(yuǎn)，全天24小時(shí)都可作業(yè)。

（6）完成基站設(shè)置后,整個(gè)系統(tǒng)可以由一個(gè)人操作即可，也可同時(shí)設(shè)置幾個(gè)流動(dòng)站，大大提高了效率。實(shí)踐證明GPS-RTK的精度取決于GPS系統(tǒng)、RTK設(shè)備、測(cè)量環(huán)境、用戶(hù)的使用水平和采用的方法,只要嚴(yán)格按照規(guī)范操作，完全能保證測(cè)量質(zhì)量。

4 影響GPS-RTK測(cè)量精度的要素

4.1 基準(zhǔn)站的選擇

基準(zhǔn)站的選擇是GPS-RTK測(cè)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。GPS-RTK測(cè)量能否成功實(shí)現(xiàn)，在很大程度上取決于基準(zhǔn)站系統(tǒng)是否正確安置在合適的站點(diǎn)上。為保證觀(guān)測(cè)的精度和提高工作效率，基準(zhǔn)站的安置應(yīng)滿(mǎn)足下列條件。

（1）基準(zhǔn)站應(yīng)設(shè)立在精確坐標(biāo)的已知點(diǎn)上或條件較好的未知點(diǎn)上。

（2）基準(zhǔn)站安置的地方應(yīng)具有地勢(shì)較高、通視無(wú)遮擋、電臺(tái)覆蓋良好等特點(diǎn)，最好是測(cè)區(qū)中央地區(qū)。

（3）為防止多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)鏈的丟失，基準(zhǔn)站200m范圍內(nèi)應(yīng)無(wú)高壓電線(xiàn)、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)、無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)等干擾源，周?chē)鷳?yīng)無(wú)GPS信號(hào)反射源。

（4）基準(zhǔn)站電臺(tái)的天線(xiàn)應(yīng)架設(shè)在GPS接收機(jī)主機(jī)的北方，以避開(kāi)南北極附近衛(wèi)星的空洞區(qū)。

4.2 轉(zhuǎn)換參數(shù)

GPS-RTK測(cè)量的是測(cè)點(diǎn)在WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)中位置，而實(shí)際工作中使用的坐標(biāo)系統(tǒng)一般為1954北京坐標(biāo)系。這兩個(gè)坐標(biāo)系由于各自橢球體定位的參數(shù)不同，在坐標(biāo)上有很大的差異，有的礦區(qū)甚至能相差幾百米，而且還存在著方向的旋轉(zhuǎn)。鑒于此，在進(jìn)行GPS-RTK測(cè)量時(shí)，首先應(yīng)測(cè)定整個(gè)礦區(qū)的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)。在GPS-RTK測(cè)量過(guò)程中，基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換參數(shù)也將對(duì)GPS-RTK測(cè)量成果的精度產(chǎn)生很大的影響，如果基準(zhǔn)參數(shù)誤差過(guò)大，則無(wú)論觀(guān)測(cè)工作多么好，其定位的精度也將會(huì)很差。

4.3 觀(guān)測(cè)時(shí)間的選擇

GPS測(cè)量是利用接收機(jī)接收衛(wèi)星播發(fā)的信息來(lái)確定點(diǎn)的三維坐標(biāo)。測(cè)量結(jié)果的誤差將來(lái)源于GPS衛(wèi)星、衛(wèi)星信號(hào)的傳播過(guò)程和地面接收設(shè)備。在這些誤差來(lái)源中，來(lái)自GPS衛(wèi)星和衛(wèi)星信號(hào)傳播過(guò)程中的誤差是用戶(hù)無(wú)法消除的。用戶(hù)使用的只是GPS接收機(jī)，因此在實(shí)際工作中，應(yīng)做好衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)，選擇有利的觀(guān)測(cè)時(shí)段，保證觀(guān)測(cè)時(shí)GPS接收機(jī)的PDOD值小于6，這對(duì)保證GPS的定位精度、減小GPS的誤差起很大作用。

5 GPS-RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

5.1 礦區(qū)控制網(wǎng)的建立和使用

常規(guī)控制測(cè)量要求控制點(diǎn)之間相互通視，作業(yè)工序復(fù)雜，而且精度不均勻，外業(yè)中也不知道測(cè)量成果的精度。而用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量既能實(shí)時(shí)知道定位結(jié)果，又能實(shí)時(shí)知道定位精度，這樣可以大大提高作業(yè)效率。

在精度方面，根據(jù)文獻(xiàn)[1～2]中的記載，GPS-RTK的精度完全滿(mǎn)足礦區(qū)控制網(wǎng)的要求。文獻(xiàn)[1]中記載了在欒川鉬礦田腹地之一的冷水南泥湖鉬礦床境內(nèi)布設(shè)控制網(wǎng)，該區(qū)地物地貌較為復(fù)雜，部分區(qū)域和方向有遮擋，測(cè)區(qū)內(nèi)原有BJ54坐標(biāo)系的E級(jí)控制點(diǎn)2個(gè)，根據(jù)工程需要在礦區(qū)均勻加密了7個(gè)控制點(diǎn)，根據(jù)平差成果統(tǒng)計(jì)，點(diǎn)位精度平面均高于2.2mm，高程均高于10mm，因此可以滿(mǎn)足礦區(qū)加密施工控制網(wǎng)的精度要求。文獻(xiàn)[2]中記載了柴里礦區(qū)控制網(wǎng)的布設(shè)情況，柴里礦區(qū)經(jīng)過(guò)40多年的開(kāi)采,大部分測(cè)量控制點(diǎn)已破壞殆盡，該礦區(qū)在2004年建立了3個(gè)基控點(diǎn)，一個(gè)建立在該礦區(qū)工廠(chǎng)內(nèi)的科技中心院內(nèi)，另外兩個(gè)分別建立在柴里礦袁堂井工廠(chǎng)和柴里礦東北角，三個(gè)點(diǎn)采用GPS控制網(wǎng)基本覆蓋整個(gè)礦區(qū)，施測(cè)精度也滿(mǎn)足了整個(gè)礦區(qū)的工程測(cè)量需要。由以上試驗(yàn)可知，應(yīng)用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)定位可達(dá)厘米級(jí)的精度。因此，GPS-RTK技術(shù)運(yùn)用于礦區(qū)的控制網(wǎng)布設(shè)，不但測(cè)量精度能夠達(dá)到規(guī)范的要求，而且快捷方便、省時(shí)省力。

5.2 求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)

要將GPS接收機(jī)中原始大地經(jīng)緯坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)，就必須先計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)必須已知至少3個(gè)高精度控制點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)值X、Y、H。如文獻(xiàn)[3]中所記載，根據(jù)已知控制點(diǎn)均勻分布在測(cè)區(qū)的原則，在貴州站街煤礦測(cè)區(qū)內(nèi)選擇4個(gè)已知的靜態(tài)GPS控制點(diǎn)，坐標(biāo)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 坐標(biāo)數(shù)據(jù)表

利用隨機(jī)軟件求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。比例：S-1000014，旋 轉(zhuǎn) 度 ：JR=-0.101454，高 程 參 數(shù) ：a=-0.000047323，b=0.000023643，c=1.373809185。

5.3 GPS-RTK用于山區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站的測(cè)點(diǎn)放樣

對(duì)于山區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站而言，由于地形地貌的復(fù)雜性，平原地區(qū)的地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站布設(shè)方法不再適用。近年來(lái)，隨著GPS-RTK技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，山區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站的布設(shè)有了很大的改進(jìn)，特別對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行放樣。放樣時(shí)，只需提前將觀(guān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)輸入GPS-RTK手簿，在礦區(qū)內(nèi)的已知點(diǎn)上架基準(zhǔn)站，根據(jù)流動(dòng)站手簿的提示，利用流動(dòng)站就能迅速找到觀(guān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)地位置。根據(jù)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，其實(shí)地位置可能位于懸崖邊或河水中，此時(shí)應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整，將其遷移到合適的地方，同時(shí)記錄新點(diǎn)與原設(shè)計(jì)點(diǎn)的位置關(guān)系，并對(duì)原觀(guān)測(cè)站進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。

5.4 GPS-RTK用于山區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站的觀(guān)測(cè)

在開(kāi)闊地方，可以在已知點(diǎn)上架基準(zhǔn)站，通過(guò)流動(dòng)站利用GPS-RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量技術(shù)直接獲取觀(guān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。而在山谷或樹(shù)木較多的地方，由于衛(wèi)星信號(hào)失鎖，無(wú)法進(jìn)行GPS-RTK測(cè)量，此時(shí)可以考慮“全站儀+GPS-RTK”測(cè)量方式，如圖1所示，觀(guān)測(cè)點(diǎn)a位于對(duì)天通視困難的區(qū)域，如使用GPS-RTK測(cè)量則精度達(dá)不到要求，b、c兩點(diǎn)位于寬闊地帶，是由GPS-RTK實(shí)施測(cè)量的點(diǎn)位，精度可以達(dá)到要求[4]。此時(shí)可先用GPS-RTK測(cè)量的b、c點(diǎn)作為控制點(diǎn)，將全站儀安置在b點(diǎn)，后視Ⅲ點(diǎn)定向，利用極坐標(biāo)法測(cè)量a的坐標(biāo)。

圖1 “全站儀+GPS-RTK”觀(guān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量示意圖

6 結(jié)語(yǔ)

與傳統(tǒng)的觀(guān)測(cè)方法比較，RTK技術(shù)具有集成化、自動(dòng)化高的特點(diǎn)，適應(yīng)礦區(qū)動(dòng)態(tài)測(cè)量和經(jīng)?；囊?，因此，GPS-RTK在礦山工程測(cè)量上具有很大的發(fā)展前景。

（1）GPS-RTK作業(yè)精度高且不受環(huán)境和距離的限制，在地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等施測(cè)也很方便。

（2）GPS-RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)，這將徹底改變礦山測(cè)量的模式。

（3）只要科學(xué)設(shè)計(jì)、精心施測(cè)，GPS-RTK完全可以滿(mǎn)足礦區(qū)控制網(wǎng)的布設(shè)和礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的要求。

（4）山區(qū)地表移動(dòng)觀(guān)測(cè)站的放樣和觀(guān)測(cè)可以采用“全站儀+GPS-RTK”的模式，經(jīng)實(shí)地驗(yàn)證是完全可行的。

[1]李巧蓮,劉 軍.GPS（RTK）技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用[J].采礦技術(shù)，2006，6（3）:611-613.

[2]于國(guó)強(qiáng),岳建英,邸 偉等.GPS-RTK技術(shù)在礦區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2008，（4）:1-3.

[3]程廣博，趙玉蘭，董亞林等.GPS-RTK在礦山測(cè)量中的應(yīng)用[J].山東煤炭科技，2009,（1）:4-6.

[4]陳學(xué)娣，李全海，谷 川等.全站儀配合RTK放樣方法應(yīng)用及精度分析[J].鐵道勘察，2009，（4）:50-52.

TD173＋.4

B

2010-10-30

2010-11-08

王 剛（1986-），男，重慶萬(wàn)州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殚_(kāi)采沉陷與“三下采煤”。

國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（50834004）；國(guó)家公益性行業(yè)基金資助項(xiàng)目（200811050）。

Abstract:GPS-RTK technology is a new measuring technology in mining area.The application of GPS-RTK in mine surveying is discussed by analyzing the working principle of GPS-RTK and the factors affecting its positioning accuracy.The advantages of GPS-RTK in laying-out work at surface movement observation station are mainly studied,which proves that GPS-RTK technology can completely meet the demand of lofting precision at surface movement observation station in mining area.

Key words:GPS-RTK;mine surveying;surface movement observation station;lofting;application

1672-609X（2011）02-0041-04