新安江村煤田GPS控制測(cè)量的實(shí)踐

李 明

（河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)，河南 洛陽(yáng) 471023）

0 引 言

由于GPS導(dǎo)航定位具有定位精度高、操作簡(jiǎn)便、性能穩(wěn)定、觀測(cè)時(shí)間短速度快、測(cè)站間無(wú)需通視、可提供三維坐標(biāo)、全天候作業(yè)、功能多、應(yīng)用廣的特點(diǎn)，被廣泛用于各種工程的控制測(cè)量。早期，路伯祥等[1]1995年針對(duì)隧道控制測(cè)量的特點(diǎn)，闡述了應(yīng)用GPS技術(shù)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題，提出了布點(diǎn)原則和應(yīng)用方案，通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證，得出了一些有益的結(jié)論；雒應(yīng)[2]結(jié)合在國(guó)道210線(xiàn)建立GPS控制網(wǎng)的實(shí)例，論述GPS技術(shù)在公路控制測(cè)量中的應(yīng)用；岑敏儀等[3]則提出利用江河每邊岸上相鄰水準(zhǔn)點(diǎn)間的高程異常差進(jìn)行GPS高程擬合的方法，經(jīng)虎門(mén)大橋?qū)嶒?yàn)驗(yàn)證，在海面寬＞3km的兩岸上獲得的高程系統(tǒng)差的精度滿(mǎn)足特大型公路橋梁的高程控制要求，這對(duì)沿海平坦地區(qū)的鐵路橋梁跨河水準(zhǔn)測(cè)量都有參考作用；近年來(lái)，居向明等[4]提出了GPS在工程控制測(cè)量中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題，所得結(jié)論對(duì)GPS在工程控制測(cè)量中的實(shí)踐具有較好的參考價(jià)值；尚亮等[5]在礦區(qū)地形控制測(cè)量中應(yīng)用GPS定位技術(shù)建立礦區(qū)地形監(jiān)測(cè)網(wǎng)、監(jiān)測(cè)方法、數(shù)據(jù)處理等問(wèn)題；趙慶志等[6]則重點(diǎn)討論了靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)在城市區(qū)域控制測(cè)量中的應(yīng)用；劉紹堂等[7－9]也先后研究了GPS定位技術(shù)在建設(shè)用地勘測(cè)定界、跨海大橋樁基定位和煤田地質(zhì)勘探區(qū)測(cè)圖中的應(yīng)用。一系列的研究表明，GPS測(cè)量的技術(shù)特點(diǎn)是測(cè)站之間無(wú)需通視，定位精度高，一般雙頻GPS接收機(jī)基線(xiàn)解精度為5mm＋1ppm；同時(shí)GPS測(cè)量觀測(cè)時(shí)間短，每個(gè)測(cè)站上的觀測(cè)時(shí)間一般在30～40min，采用快速靜態(tài)定位方法，觀測(cè)時(shí)間更短；GPS測(cè)量在精確測(cè)定觀測(cè)站平面位置的同時(shí)，可以精確測(cè)定觀測(cè)站的大地高程。為此本文針對(duì)河南省煤田地質(zhì)局二隊(duì)測(cè)量分隊(duì)在河南新安縣江村煤炭預(yù)查區(qū)進(jìn)行的測(cè)量實(shí)踐，探索GPS控制測(cè)量在煤炭預(yù)查區(qū)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。

1 GPS網(wǎng)布設(shè)

江村勘查區(qū)為低山丘陵地，總體地勢(shì)南高北低，海拔最高點(diǎn)461.2m，位于測(cè)區(qū)南邊界附近，最低點(diǎn)約為280m，位于北部邊界的溝谷中，相對(duì)高差181.2m，地面一般標(biāo)高350m左右，植被較多、溝壑縱橫交錯(cuò)、無(wú)水系，面積30km2。根據(jù)工程特點(diǎn)和布點(diǎn)原則，決定采用GPS E級(jí)控制網(wǎng)作為勘查區(qū)的首級(jí)控制。以滿(mǎn)足地形測(cè)繪和煤田地質(zhì)勘探工程測(cè)量的需要。GPS網(wǎng)精度要求見(jiàn)表1。

表1 GPS網(wǎng)測(cè)量精度要求Table1 GPS measurement accuracy requirements

GPS點(diǎn)位選擇在交通方便、安全可靠的地方，盡量遠(yuǎn)離障礙物，按要求埋設(shè)標(biāo)石。E級(jí)GPS控制網(wǎng)由分布于勘查區(qū)的3個(gè)國(guó)家等級(jí)三角點(diǎn)切坡QP（Ⅰ）、大山寨DSZ（Ⅲ）、蝎子山XZS（Ⅳ）作為起算點(diǎn)，標(biāo)石保存完好，平面和高程分別為1954年北京坐標(biāo)系統(tǒng)，1985國(guó)家高程基準(zhǔn)，中央子午線(xiàn)111°，高斯正形投影3°帶第37帶，以邊連接方式組成。為保證后續(xù)地質(zhì)勘查測(cè)量工作的順利進(jìn)行，布設(shè)的GPS點(diǎn)應(yīng)盡可能做到相互間通視。點(diǎn)位分布見(jiàn)圖1。

圖1 江村煤田GPS控制網(wǎng)圖Fig.1 GPS control network of Jiangcun coal field

2 GPS觀測(cè)

為了獲得高質(zhì)量的外業(yè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)時(shí)應(yīng)該注意以下幾個(gè)方面：天線(xiàn)高度一般應(yīng)距地面＞1m；儀器高的丈量按規(guī)定始、末各量測(cè)一次，并及時(shí)記錄在測(cè)量手簿上。一個(gè)時(shí)段觀測(cè)過(guò)程中，不允許的操作：關(guān)閉又重新啟動(dòng)接收機(jī)；改變衛(wèi)星高度角；改變數(shù)據(jù)采樣間隔等。

GPS施測(cè)的依據(jù)為 《全球定位系統(tǒng)（GPS）測(cè)量規(guī)范》GB／T 18314-2001和 《地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測(cè)量規(guī)范》GB／T 18341-2001。數(shù)據(jù)采集使用5臺(tái)套南方S86型靜態(tài)雙頻接收機(jī)，外業(yè)觀測(cè)滿(mǎn)足表2要求。

表2 GPS測(cè)量基本技術(shù)要求Table2 Basic technical requirements for GPS measurement

在勘查區(qū)內(nèi)較為均勻的布設(shè)40個(gè)E級(jí)GPS點(diǎn)，聯(lián)測(cè)了3個(gè)起算點(diǎn)，使用5臺(tái)GPS接收機(jī)，按計(jì)劃時(shí)間以邊連接方式進(jìn)行同步觀測(cè)，采集同一組衛(wèi)星數(shù)據(jù)，由西向東順序向前推進(jìn)。布設(shè)的E級(jí)控制網(wǎng)閉合環(huán)總數(shù)為251個(gè)，同步環(huán)總數(shù)為164個(gè)，異步環(huán)總數(shù)為87個(gè)，重復(fù)基線(xiàn)11條，觀測(cè)基線(xiàn)166條，平均邊長(zhǎng)為1393.6m（限差0.2～5km），最小邊長(zhǎng)295.8m（限差0.1km），最大邊長(zhǎng)9671.3m（限差10.0km）。

GPS控制網(wǎng)需要觀測(cè)最少觀測(cè)期數(shù)、網(wǎng)的等級(jí)、點(diǎn)的數(shù)量和用于觀測(cè)的接收機(jī)的數(shù)量必須滿(mǎn)足下式：

式中Smin為最少觀測(cè)期數(shù)；R為最少重復(fù)設(shè)站次數(shù)；n為網(wǎng)的點(diǎn)數(shù)；m為參與觀測(cè)的接收機(jī)數(shù)。

3 數(shù)據(jù)處理

基線(xiàn)解算的過(guò)程主要是一個(gè)平差的過(guò)程，平差所采用的觀測(cè)值主要是雙差觀測(cè)值。在基線(xiàn)解算時(shí)，平差要分3個(gè)階段：

1）進(jìn)行初始平差，解算出整周未知數(shù)參數(shù)（實(shí)數(shù)）和基線(xiàn)向量的實(shí)數(shù)解（浮動(dòng)解）；

2）將整周未知數(shù)固定成整數(shù)；

3）將確定了的整周未知數(shù)作為已知值，僅將待定的測(cè)站坐標(biāo)作為未知參數(shù)，再次進(jìn)行平差解算，解求出基線(xiàn)向量的最終解——整數(shù)解（固定解）。

以初始平差為例，根據(jù)雙差觀測(cè)值的觀測(cè)方程，組成誤差方程，然后組成法方程，求解待定的未知參數(shù)的精度信息，其結(jié)果為：

待定參數(shù)：

通過(guò)初始平差，所解算出的整周未知數(shù)參數(shù)XN本應(yīng)為整數(shù)，但由于觀測(cè)值誤差、隨機(jī)模型和函數(shù)模型不完善等原因，使得其結(jié)果為實(shí)數(shù)，因此，此時(shí)與實(shí)數(shù)的整周未知數(shù)參數(shù)對(duì)應(yīng)的基線(xiàn)解被稱(chēng)作基線(xiàn)向量的實(shí)數(shù)解或浮動(dòng)解。

為了獲得較好的基線(xiàn)解算結(jié)果，必須準(zhǔn)確地確定出整周未知數(shù)的整數(shù)值。實(shí)際操作中基線(xiàn)解算采用隨機(jī)配備的 《南方測(cè)繪GPS數(shù)據(jù)處理4.0》軟件，GPS網(wǎng)進(jìn)行三維無(wú)約束平差及約束平差之前，要先進(jìn)行基線(xiàn)向量解算，目的是剔除含有粗差的基線(xiàn)向量。影響基線(xiàn)解算的因素很多，主要有觀測(cè)衛(wèi)星的數(shù)量以及衛(wèi)星幾何位置分布，衛(wèi)星星歷誤差，大氣折光等因素。解算基線(xiàn)向量往往不能一次成功，可能會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，需要認(rèn)真分析和解算才能獲得滿(mǎn)意的基線(xiàn)解算成果。若某顆衛(wèi)星的觀測(cè)時(shí)間太短，可剔除此衛(wèi)星的觀測(cè)數(shù)據(jù)，不讓它參加基線(xiàn)解算；若衛(wèi)星觀測(cè)值中有周跳情況，剔除周跳情況嚴(yán)重的時(shí)間段或經(jīng)常發(fā)生周跳衛(wèi)星的觀測(cè)值，以改善基線(xiàn)解算結(jié)果的質(zhì)量。計(jì)算出符合規(guī)范要求的同步環(huán)、異步環(huán)閉合差，重復(fù)基線(xiàn)邊較差；若基線(xiàn)向量改正數(shù)小、點(diǎn)位誤差小、相對(duì)精度高時(shí)，可進(jìn)行約束平差計(jì)算，否則，應(yīng)該刪除改正數(shù)大、點(diǎn)位誤差大、相對(duì)精度低的基線(xiàn)后再進(jìn)行平差計(jì)算。

GPS網(wǎng)中已知點(diǎn)的精度直接影響到定位結(jié)果的精度，選擇在測(cè)區(qū)范圍內(nèi)的已知點(diǎn)作為約束平差的數(shù)據(jù)，通過(guò)使用不同的起算點(diǎn)進(jìn)行約束平差計(jì)算，可以排除質(zhì)量較差的點(diǎn)，而最終使用坐標(biāo)準(zhǔn)確度高的起算點(diǎn)作為基線(xiàn)解算的起點(diǎn)。

以網(wǎng)形中部的 “切坡”的坐標(biāo)值代入進(jìn)行平差，求得其它各已知點(diǎn)的計(jì)算坐標(biāo)及其和原成果坐標(biāo)的偏離值 ，以各點(diǎn)的偏離值除以相關(guān)邊長(zhǎng)計(jì)算出相應(yīng)的邊長(zhǎng)相對(duì)誤差，確定各控制點(diǎn)是否滿(mǎn)足起算要求的邊長(zhǎng)相對(duì)誤差。見(jiàn)表3、表4。

表3 坐標(biāo)比較表Table3 Coordinate comparison

表4 邊長(zhǎng)對(duì)照表Table4 Distance comparison

從上表可知，此3點(diǎn)滿(mǎn)足規(guī)程要求起始邊長(zhǎng)相對(duì)中誤差≤1／40000，滿(mǎn)足本項(xiàng)工程對(duì)起算點(diǎn)的要求。

4 精度統(tǒng)計(jì)

GPS網(wǎng)的精度主要為點(diǎn)位精度和相對(duì)精度。本次E級(jí)GPS控制網(wǎng)觀測(cè)的最差同步環(huán)最大閉合差為6.8×10－6，環(huán)線(xiàn)長(zhǎng)3886.460m，為9.62 mm，限差為16.66mm；E級(jí)GPS控制網(wǎng)觀測(cè)的最差異步環(huán)最大閉合差為21.8×10－6，環(huán)線(xiàn)長(zhǎng)3728.937m，為88.07mm，限差為152.55mm。經(jīng)平差計(jì)算GPS E級(jí)網(wǎng)的精度統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。

表5 GPS網(wǎng)精度統(tǒng)計(jì)Table5 Accuracy statistics of GPS network

按照規(guī)范要求，E級(jí)GPS控制網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差允許±10cm；最弱點(diǎn)高程中誤差±200／20＝±10cm；從以上數(shù)據(jù)可知，E級(jí)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)位分布較為均勻，觀測(cè)時(shí)間＞45min，觀測(cè)數(shù)據(jù)處理較好，獲得的GPS網(wǎng)平差后精度較高，完全能夠滿(mǎn)足煤田地質(zhì)勘查測(cè)量工作的需要。

5 結(jié) 語(yǔ)

以上實(shí)踐表明，只有正確設(shè)計(jì)觀測(cè)方案和作業(yè)計(jì)劃、嚴(yán)格對(duì)基線(xiàn)解算的質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和對(duì)觀測(cè)粗差進(jìn)行探測(cè)分析，才能得到質(zhì)量可靠、精度優(yōu)良的GPS控制網(wǎng)和高精度的定位成果，滿(mǎn)足煤田地質(zhì)勘查測(cè)量工作的需要，為煤田地質(zhì)勘查工作提供可靠的技術(shù)保障。研究結(jié)果證明了GPS測(cè)量技術(shù)具有操作簡(jiǎn)單，自動(dòng)化程度高，精度高，效率高的優(yōu)點(diǎn)；只需要有足夠的觀測(cè)時(shí)間和必要的檢核，點(diǎn)和點(diǎn)間不通視也可以觀測(cè)，在范圍面積大，作業(yè)較為困難的地區(qū)測(cè)量也能運(yùn)用自如，其與常規(guī)測(cè)量方法相比，節(jié)約了大量的人力、物力和財(cái)力。

[1]路伯祥，許提多，黃丁發(fā)，等.GPS在鐵路隧道平面控制測(cè)量中的應(yīng)用 [J].鐵道學(xué)報(bào)，1995，（2）：60-66.

[2]雒 應(yīng).GPS技術(shù)在公路控制測(cè)量中的應(yīng)用 [J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，（3）：54-59.

[3]岑敏儀，瞿國(guó)萬(wàn)，劉成龍，等.GPS橋梁高程控制測(cè)量 [J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，1998，（3）：31-37.

[4]居向明，徐忠陽(yáng)，李俊玲.GPS在工程控制測(cè)量中應(yīng)注意的幾個(gè)問(wèn)題 [J].測(cè)繪學(xué)院學(xué)報(bào)，2003，（1）：18-21.

[5]尚 亮，趙春陽(yáng).GPS在礦區(qū)地形控制測(cè)量中的應(yīng)用[J].地理空間信息，2012，（2）：56-58，180.

[6]趙慶志，張書(shū)畢.GPS靜態(tài)相對(duì)定位技術(shù)在城市區(qū)域控制測(cè)量中的應(yīng)用 [J].全球定位系統(tǒng)，2012，（4）：64-66.

[7]劉紹堂.RTK在鄭州東新區(qū)建設(shè)用地勘測(cè)定界測(cè)量中的應(yīng)用 [J].北京測(cè)繪，2005，（3）：55-56.

[8]劉紹堂，肖海紅，趙站楊.GPS RTK在杭州灣跨海大橋樁基定位中的應(yīng)用 [J].西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，（4）：42-45.

[9]劉紹堂，趙讓乾，許成功.某煤田地質(zhì)勘探區(qū)大比例尺測(cè)圖GPS測(cè)量技術(shù) [J].地質(zhì)裝備.2008，（5）：29-31.