GPS-RTK技術(shù)在廣西大新錳礦露天礦山測(cè)量中的應(yīng)用

劉 鶯

(中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新分公司，廣西大新 532315)

0 前言

RTK(Real Time Kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，是一項(xiàng)以載波相位觀測(cè)為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分 GPS測(cè)量技術(shù)，它以 GPS測(cè)量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，是 GPS測(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一項(xiàng)新突破[1]，在1～2 s時(shí)間內(nèi)測(cè)量精度可達(dá)到厘米級(jí)，同時(shí)，在RTK測(cè)量中，通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算的定位結(jié)果，可監(jiān)測(cè)基站與用戶站觀測(cè)成果的質(zhì)量和解算成果的收斂情況，從而實(shí)時(shí)的判定解算結(jié)果是否成功，以減少冗余觀測(cè)，縮短觀測(cè)時(shí)間，因此，RTK測(cè)量技術(shù)以其精度高、實(shí)時(shí)性和高效性，在測(cè)繪中得到廣泛的應(yīng)用。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置1臺(tái) GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見(jiàn) GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備，實(shí)時(shí)地發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)內(nèi)置電臺(tái)接收基準(zhǔn)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，根據(jù)相對(duì)定位原理，將載波相位觀測(cè)值實(shí)時(shí)進(jìn)行差分處理，得到基準(zhǔn)站和流動(dòng)站坐標(biāo)差△x，△y，△z；坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo)，得到流動(dòng)站的W GS-84坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出流動(dòng)站每個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

1 GPS-RTK在露天礦山測(cè)量的應(yīng)用

廣西大新錳礦礦區(qū)長(zhǎng)約9 km，寬2～2.5 km，為低山丘陵及中低山地貌，地形起伏較大，地勢(shì)西高東低。自1958年建礦以來(lái)，已發(fā)展成為一個(gè)擁有4個(gè)露天采區(qū)，3個(gè)在用大型排土場(chǎng)的大新露天礦山，年露天采剝總量達(dá)800多萬(wàn)噸，礦區(qū)范圍廣，控制點(diǎn)少，使用常規(guī)測(cè)量方法和儀器勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，滿足不了礦山日常生產(chǎn)建設(shè)需要，因此引進(jìn)測(cè)量新設(shè)備改變現(xiàn)狀顯得及其必要。

RTK技術(shù)在廣西大新錳礦主要用于礦區(qū)大比例尺地形圖的測(cè)繪，露天采場(chǎng)采剝量的驗(yàn)收、排土場(chǎng)測(cè)量、征地邊界、開(kāi)采臺(tái)階終了邊坡等工程放樣等。所使用的儀器為美國(guó)光譜公司生產(chǎn)的EPOCH25型RTK1+1雙頻接收機(jī)，其精度指標(biāo)為：實(shí)時(shí)RTK平面精度1 cm+1×10-6(×基線長(zhǎng)度)[2]，高程精度為2 cm+1×10-6(×基線長(zhǎng)度)，作業(yè)距離可達(dá)15 km。

1.1 內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備

在實(shí)施 GPS外業(yè)測(cè)量前，應(yīng)事先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行踏勘，搜集礦區(qū)控制點(diǎn)資料，包括控制點(diǎn)坐標(biāo)、高程、等級(jí)、中央子午線、坐標(biāo)系、控制網(wǎng)類型、控制點(diǎn)的位置及周圍地形是否適合作動(dòng)態(tài)GPS的參考站。

1)根據(jù)工程項(xiàng)目，設(shè)定工程名稱，輸入可用控制點(diǎn)坐標(biāo)；

2)參數(shù)設(shè)置：對(duì)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)觀測(cè)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，基準(zhǔn)站的地形點(diǎn)為5 s，控制點(diǎn)15 s，流動(dòng)站的地形點(diǎn)2 s，控制點(diǎn)15 s；高度截止角設(shè)定為13(°)(廣西大新錳礦測(cè)區(qū)相對(duì)固定，一般1次設(shè)定參數(shù)，即可默認(rèn)到每1個(gè)新建工程文件直接調(diào)用)；

3)實(shí)施工程放樣前，內(nèi)業(yè)輸入每個(gè)放樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)，以便野外實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確放樣。對(duì)于較多的放樣點(diǎn)，EPOCH25 RTK手簿可將坐標(biāo)文件以CSV格式通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸軟件直接導(dǎo)入。

1.2 基準(zhǔn)站的安置

基準(zhǔn)站安置是否順利是進(jìn)行 GPS-RTK測(cè)量的關(guān)鍵，在選定基準(zhǔn)站站址時(shí)應(yīng)注意：

1)避免在大功率無(wú)線電發(fā)射源干擾強(qiáng)烈的地區(qū)，如電視臺(tái)、微波站等，其距離不小于200 m；遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無(wú)線電傳送通道，其距離不小于50 m，以避免電磁場(chǎng)對(duì) GPS信號(hào)干擾[3]；

2)為了防止數(shù)據(jù)鏈丟失以及減弱多路徑效應(yīng)的影響，周圍應(yīng)無(wú) GPS信號(hào)反射物，如大面積水域、大型建筑物等；

3)基準(zhǔn)站站址應(yīng)設(shè)在易于安裝設(shè)備、視野開(kāi)闊的較高點(diǎn)上；

4)視場(chǎng)周圍15(°)以上不應(yīng)有障礙物，以減少GPS信號(hào)被遮擋或被障礙物吸收；

5)基準(zhǔn)站電臺(tái)不宜放在離 GPS接收機(jī)過(guò)近的地方，否則電臺(tái)信號(hào)會(huì)干擾 GPS衛(wèi)星信號(hào)。同時(shí)電臺(tái)信號(hào)線和電源線過(guò)長(zhǎng)時(shí)不宜卷起來(lái)，這樣會(huì)因?yàn)闇u流而產(chǎn)生磁場(chǎng)，干擾 GPS信號(hào)。

1.3 GPS-RTK施測(cè)及放樣

GPS-RTK測(cè)量是在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行的，而大新錳礦礦區(qū)測(cè)量是在北京54坐標(biāo)系上進(jìn)行的，存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。尤其是征地邊界、開(kāi)采臺(tái)階邊坡放線時(shí)要求實(shí)時(shí)給出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)，這使得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作非常重要。

首先在對(duì)空視野開(kāi)闊、四周無(wú)各種強(qiáng)電磁干擾源的位置架設(shè)基站，輸入基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)和天線高，然后連接流動(dòng)站，點(diǎn)擊手簿中 RTK流動(dòng)站模塊，進(jìn)入RTK點(diǎn)的采集功能，選擇控制點(diǎn)類型，聯(lián)測(cè)測(cè)區(qū)3個(gè)以上高等級(jí)控制點(diǎn)，通過(guò)手簿軟件SPFS v1.20中 GPS點(diǎn)校正方法，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，并得出校正在東/北/高方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)校正結(jié)果合格、對(duì)已知控制點(diǎn)進(jìn)行檢查無(wú)誤后，流動(dòng)站即可返回RTK流動(dòng)站模塊，進(jìn)行地形地物點(diǎn)的采集，或點(diǎn)擊手簿中的放樣模塊進(jìn)行征地邊界或開(kāi)采臺(tái)階邊坡的放樣作業(yè)。1個(gè)人對(duì)1個(gè)流動(dòng)站進(jìn)行操作，在連續(xù)保持固定解的情況下，在沿線碎部點(diǎn)上只需停留2 s時(shí)間就可以獲得每點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在RTK放樣模塊，選擇要放樣的點(diǎn)，放樣對(duì)話框中便實(shí)時(shí)的顯示當(dāng)前點(diǎn)和放樣點(diǎn)的差異：東坐標(biāo)/北坐標(biāo)/高程/距離S(東坐標(biāo)、北坐標(biāo)差的矢量結(jié)果)和方位角，根據(jù)這些導(dǎo)航數(shù)據(jù)，測(cè)量員可快速找到點(diǎn)位并獲得定位精度。

1.4 內(nèi)業(yè)處理

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài) RTK數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單，外業(yè)測(cè)量采集的實(shí)測(cè)坐標(biāo)通過(guò)手簿的數(shù)據(jù)傳輸軟件，直接下載到計(jì)算機(jī)內(nèi)，轉(zhuǎn)換成DAT格式，結(jié)合數(shù)據(jù)點(diǎn)采集時(shí)輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息，即可用南方CASS軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。

在EPOCH25接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)觀測(cè)已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)檢核，誤差在厘米級(jí)，滿足礦山測(cè)量的精度要求。

2 RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1)降低了作業(yè)條件要求

大新錳礦礦區(qū)一帶地形一般都為山區(qū)，在地形復(fù)雜、地物障礙的通視困難地區(qū)進(jìn)行大比例尺地形測(cè)量或者征地邊界放線時(shí)，傳統(tǒng)測(cè)量受到限制，需要增加大量控制點(diǎn)和多次搬站，而RTK技術(shù)不要求點(diǎn)間通視，受通視條件、能見(jiàn)度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小，只要把基準(zhǔn)站放在測(cè)區(qū)中心視野開(kāi)闊的較高點(diǎn)上，流動(dòng)站在滿足其基本工作條件下，就可以在幾千米的范圍內(nèi)采集，并輕松地進(jìn)行快速、高精度的定位作業(yè)。

2)作業(yè)效率高

以往采區(qū)驗(yàn)收測(cè)量時(shí)，采用1臺(tái)全站儀，3個(gè)人需要2 d時(shí)間，而采用RTK在中部采區(qū)地勢(shì)較為開(kāi)闊的點(diǎn)架設(shè)基站，1個(gè)人1 d時(shí)間就可以完成4個(gè)采區(qū)的采剝量驗(yàn)收測(cè)量，大大減少了傳統(tǒng)測(cè)量所需控制點(diǎn)數(shù)和測(cè)量?jī)x器搬站次數(shù)；同樣，在臺(tái)階邊坡和征地邊界放線時(shí)，采用全站儀等常規(guī)儀器，往往需要對(duì)講機(jī)指揮來(lái)回移動(dòng)目標(biāo)，而且要2～3人操作，在放樣過(guò)程中還要求點(diǎn)間通視情況良好，有時(shí)在放樣過(guò)程遇到困難的情況要借助于其他方法。采用RTK技術(shù)只需將設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入電子手薄中，根據(jù)手薄動(dòng)態(tài)直觀的導(dǎo)航數(shù)據(jù)走到放樣位置，1個(gè)人就可以完成，既迅速又方便，還可以設(shè)置放樣不通視或難以跨越2點(diǎn)間連線上的點(diǎn)。因此，無(wú)論是測(cè)點(diǎn)還是放線，RTK的作業(yè)速度都較快，勞動(dòng)強(qiáng)度低，節(jié)省了時(shí)間和人力，提高了勞動(dòng)效率。

3)操作簡(jiǎn)便且數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)

只要在設(shè)站時(shí)進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置，就可邊走邊獲得測(cè)量結(jié)果。數(shù)據(jù)輸入、存儲(chǔ)、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強(qiáng)，能方便快捷地與計(jì)算機(jī)、其它測(cè)量?jī)x器通信。

4)點(diǎn)位精度均勻穩(wěn)定和整體精度連續(xù)性強(qiáng)

全站儀等儀器在多次搬站后，都存在誤差累積，搬站越多，累積越大，影響測(cè)量點(diǎn)或放樣點(diǎn)的精度，而采用GPS-RTK技術(shù)采集的每1個(gè)點(diǎn)都為獨(dú)立觀測(cè)點(diǎn)，不存在誤差積累。

3 存在的問(wèn)題及其解決辦法

3.1 存在的問(wèn)題

在應(yīng)用EPOCH25接收機(jī)測(cè)量過(guò)程中存在一些問(wèn)題。

1)衛(wèi)星信號(hào)局限性

RTK初始化時(shí)，需要5顆以上衛(wèi)星。隨礦區(qū)露天開(kāi)采進(jìn)行，采場(chǎng)不斷向下延伸，地勢(shì)較周圍越來(lái)越低，進(jìn)行RTK測(cè)量時(shí)，衛(wèi)星接收信號(hào)受到限制，無(wú)法初始化或得不出固定解。同樣，地形起伏高差較大的山區(qū)和密林區(qū)，衛(wèi)星接收信號(hào)也受到限制。這些信號(hào)隱蔽地區(qū)，需配合常規(guī)測(cè)量方法測(cè)量。

2)天空環(huán)境影響

中午受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，常接收不到5顆衛(wèi)星，因而初始化時(shí)間長(zhǎng)甚至不能初始化，就無(wú)法進(jìn)行測(cè)量。在大新錳礦礦區(qū)，同樣條件和同樣地點(diǎn)，中午時(shí)分通常很難進(jìn)行RTK測(cè)量，而上午11點(diǎn)前和下午3點(diǎn)30后，接收衛(wèi)星可達(dá)到8顆以上，RTK測(cè)量結(jié)果快而準(zhǔn)，因此選擇作業(yè)時(shí)段很重要。

3)數(shù)據(jù)傳送問(wèn)題

能否連續(xù)地、可靠地接收基準(zhǔn)站發(fā)射的信號(hào)，是RTK測(cè)量的關(guān)鍵，但是RTK的數(shù)據(jù)鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、各種高頻信號(hào)源的干擾，傳輸過(guò)程中衰減嚴(yán)重，因此，除了布設(shè)好的基準(zhǔn)站位置(如選取較高點(diǎn)、遠(yuǎn)離干擾源)，還必須進(jìn)行質(zhì)量控制。

3.2 質(zhì)量控制方法

1)已知點(diǎn)檢核比較法

在布測(cè)控制網(wǎng)時(shí)用靜態(tài) GPS或全站儀多測(cè)出一些控制點(diǎn)，然后用RTK測(cè)出這些控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題即采取措施改正[4]。

2)重測(cè)比較法

每次初始化成功后，先重測(cè)1～2個(gè)已測(cè)RTK點(diǎn)或高精度控制點(diǎn)，確認(rèn)無(wú)誤后才進(jìn)行RTK測(cè)量。

以上方法中，可靠的是已知點(diǎn)檢核比較法，但控制點(diǎn)的數(shù)量總是有限的，所以沒(méi)有控制點(diǎn)的地方需要用重測(cè)比較法來(lái)檢驗(yàn)測(cè)量成果；在使用重測(cè)比較法時(shí)發(fā)現(xiàn)，RTK成功初始化后馬上進(jìn)行測(cè)量，高程誤差較大，為3～4 dm，因此需要 RTK穩(wěn)定 1～2 min后再進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)語(yǔ)

GPS-RTK測(cè)量技術(shù)給現(xiàn)代礦山測(cè)量帶來(lái)重大的技術(shù)變革，極大方便了礦山測(cè)量工作者。其作業(yè)方式依賴于接收足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈等外界條件，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)法正常作業(yè)的情況，但具有測(cè)量人員少、速度快、觀測(cè)點(diǎn)間不需通視、精度高等特點(diǎn)，在作業(yè)面積范圍大、通視條件差的區(qū)域，仍然具有常規(guī)測(cè)量無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。隨著科技的不斷進(jìn)步，RTK技術(shù)必將不斷成熟，更好地服務(wù)于礦山測(cè)量。

[1]蔣輝，潘慶林，劉三枝.數(shù)字化測(cè)圖技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2006：45-48.

[2]Spectra Precision.Epoch 25雙頻 GPS系統(tǒng)用戶指南[Z].[S.l.]：Spectra Precision，2006.

[3]徐紹栓，張華海，楊志強(qiáng)，等.GPS測(cè)量原理及應(yīng)用[M].武漢：武漢大學(xué)出版社，2003：112.

[4]余兵.RTK在工程測(cè)量中的應(yīng)用初討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(20)：101.