GPS—RTK技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

翟志鵬

【摘 要】闡述了GPS-RTK系統(tǒng)構(gòu)成及基本工作原理，根據(jù)筆者工作經(jīng)驗介紹了GPS-RTK技術(shù)在礦山測量中的實際應(yīng)用及作業(yè)流程，分析了GPS—RTK技術(shù)的優(yōu)點和缺點，最后對整篇文章進(jìn)行了總結(jié)，并提出了相關(guān)建議。

【關(guān)鍵詞】GPS-RTK技術(shù) 礦山測量 定位精度 作業(yè)效率

【中圖分類號】 TN948.61【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0018-02

前言

GPS全球定位系統(tǒng)經(jīng)過近20年的實踐應(yīng)用，以全天候、高精度、自動化、效率高等顯著的優(yōu)點，贏得了廣大用戶的信賴，并成功應(yīng)用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運動監(jiān)測、工程變形監(jiān)測、資源勘察、地球動力學(xué)等多種學(xué)科。

近年來，GPS（Global Positioning System）在礦山測量中得到了迅速的推廣應(yīng)用，例如礦區(qū)控制網(wǎng)的建立、基建工程的放樣、地籍測量、地面原礦及精礦收方等。常規(guī)的GPS測量方法，如靜態(tài)、快速靜態(tài)、動態(tài)測量都需要測后利用隨機(jī)軟件進(jìn)行解算才能獲得成果，而RTK（Realtime Kinematic）實時動態(tài)差分法采用了載波相位動態(tài)實時差分方法，能夠在野外實時得到厘米級定位精度，是GPS應(yīng)用的重大里程碑，該項技術(shù)具有作業(yè)效率高、定位精度高、作業(yè)條件要求低、操作簡便等優(yōu)點，具有很強的應(yīng)用性。

1 GPS—RTK系統(tǒng)基本原理及構(gòu)成

1.1 GPS—RTK系統(tǒng)基本原理

GPS全球定位系統(tǒng)是以24顆衛(wèi)星（21顆工作衛(wèi)星+3顆備用衛(wèi)星）為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)。GPS系統(tǒng)有三大部分組成，即空間部分、地面監(jiān)控部分、用戶設(shè)備部分（接收機(jī)）。GPS的定位原理：衛(wèi)星連續(xù)發(fā)送衛(wèi)星星歷參數(shù)和時間信息，用戶設(shè)備（接收機(jī)）接收到信息后，經(jīng)過計算求出接收機(jī)的三維位置（X，Y，Z）、三維方向以及運動速度等數(shù)據(jù)。

GPS—RTK系統(tǒng)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，是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分測量技術(shù)，它能夠?qū)崟r地提供測站點在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級精度。

基本工作原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機(jī)，對所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，實時地發(fā)送給用戶觀測站?；鶞?zhǔn)站通過數(shù)據(jù)鏈將其觀測值和測站坐標(biāo)信息一起傳送給流動站。流動站（用戶站）不僅通過數(shù)據(jù)鏈接收來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，還要采集GPS觀測數(shù)據(jù)，并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實時處理，同時給出厘米級定位結(jié)果，歷時不足一秒鐘。流動站用戶站可處于靜止?fàn)顟B(tài)，也可處于運動狀態(tài)；可在固定點上先進(jìn)行初始化后再進(jìn)入動態(tài)作業(yè)，也可在動態(tài)條件下直接開機(jī)，并在動態(tài)環(huán)境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數(shù)解固定后，即可進(jìn)行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛(wèi)星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結(jié)果。根據(jù)基準(zhǔn)站和流動站的工作原理，測量人員攜帶流動站在測區(qū)可以既快又準(zhǔn)確地進(jìn)行定位測量、放樣、地形測量等測量工作。

RTK技術(shù)的關(guān)鍵在于數(shù)據(jù)處理技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，RTK定位時要求基準(zhǔn)站接收機(jī)實時地把觀測數(shù)據(jù)及已知數(shù)據(jù)傳輸給流動站接收機(jī)，數(shù)據(jù)量比較大，一般要求9600以上的波特率，這在無線電條件下容易實現(xiàn)。

1.2 GPS—RTK系統(tǒng)的構(gòu)成

RTK測量系統(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

在基準(zhǔn)站和用戶站上，分別設(shè)置雙頻GPS接收機(jī)。由于雙頻觀測值不僅精度高，而且有利于快速準(zhǔn)確地解算整周未知數(shù)。當(dāng)基準(zhǔn)站為多用戶服務(wù)時，其接收機(jī)的采樣率應(yīng)與用戶接收機(jī)采用率最高的相一致。

（2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備

數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備也稱數(shù)據(jù)鏈，由基準(zhǔn)站的無線電發(fā)射臺與用戶站的接收機(jī)組成，其頻率和功率的選擇主要取決于用戶站與基準(zhǔn)站的距離、環(huán)境質(zhì)量、數(shù)據(jù)的傳輸速度。

（3）軟件系統(tǒng)

支持實時動態(tài)測量的軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和功能，對于保障實時動態(tài)測量的可行性、測量結(jié)果的可靠性和精確性，具有決定性作用。這種軟件系統(tǒng)突出的功能是能夠快速解算整周未知數(shù)，能選擇快速靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)、和實時動態(tài)等作業(yè)模式，實時完成對解算結(jié)果的質(zhì)量分析和評價。

2 GPS—RTK技術(shù)在礦山測量中的作業(yè)流程

2.1 內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備

在實施GPS-RTK測量作業(yè)前，應(yīng)事先對測區(qū)進(jìn)行踏勘，根據(jù)礦山測量的特點完成內(nèi)業(yè)的準(zhǔn)備工作，主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：

（1）設(shè)定工程名稱；

（2）參數(shù)設(shè)置：基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)采樣率一般為4～5S，流動站的數(shù)據(jù)采樣率一般為1～2S，高度截止角通常設(shè)定為10度。

（3）若已知坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，則輸入手簿。

（4）實施工程或征地界址點放樣前，內(nèi)業(yè)輸入每個放樣點的設(shè)計坐標(biāo)，以便野外實時、準(zhǔn)確放樣。對于觀測條件不好的地段，可配合全站儀使用。

2.2 求定測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)

礦山測量是在北京坐標(biāo)系或獨立坐標(biāo)系上進(jìn)行的，存在著WGS-84坐標(biāo)與北京坐標(biāo)系或獨立坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。由于RTK作業(yè)要求實時給出碎步點坐標(biāo)，這使得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作非常重要。主要有以下兩種方式：

（1）對于較大型的測區(qū)事先測定轉(zhuǎn)換參數(shù)，在RTK作業(yè)時，直接輸入?yún)?shù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)。

（2）在RTK作業(yè)時臨時求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。首先在對空視野開闊的地方設(shè)立基準(zhǔn)站并采集單點定位WGS—84坐標(biāo)，然后流動站聯(lián)測3個以上的高等級的控制點，求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

2.3 基準(zhǔn)站的安置

為保證觀測的精度和提高工作效率，基準(zhǔn)站的安置應(yīng)滿足下列條件。

（1）基準(zhǔn)站可設(shè)立在高等級已知點上，也可設(shè)立在條件較好的未知點上。

（2）基準(zhǔn)站安置應(yīng)選擇在地勢較高、通視無遮擋、電臺有良好覆蓋區(qū)域的地方，首選是測區(qū)的中間地帶。

（3）為防止多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)鏈的丟失，基準(zhǔn)站200米范圍內(nèi)應(yīng)無高壓電線、電視差轉(zhuǎn)臺、無線電發(fā)射臺等干擾源，周圍應(yīng)無GPS信號反射源。

（4）基準(zhǔn)站電臺的天線應(yīng)架設(shè)在GPS接收機(jī)主機(jī)的北方。

2.4 點位施測及放樣

在測區(qū)首級控制的基礎(chǔ)上，利用點校正方法，求解坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù)；選擇對天通視較好，四周無各種強電磁干擾源的地方設(shè)置基準(zhǔn)站。設(shè)置好流動站后，當(dāng)測區(qū)可見GPS衛(wèi)星數(shù)在5顆以上、PDOP值小于6時，一般只需5～15秒就可完成初始化而得到固定解。每臺移動站只需一人即可進(jìn)行測量作業(yè)，每次開始作業(yè)應(yīng)對已知控制點進(jìn)行檢查，確保系統(tǒng)無誤后，應(yīng)用GPS電子手簿即可進(jìn)行地形地物點、勘探工程點、征地界址點、工程施工的放樣作業(yè)，每點采集記錄時間約1～10秒。實時動態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理相對簡單，外業(yè)測量采集的實測坐標(biāo)通過手簿的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，直接下載到計算機(jī)內(nèi)?？蛇M(jìn)行圖形編輯，也可經(jīng)整理、分類、判斷形成文件后直接打印出來。利用GPS-RTK放樣，無需對講機(jī)傳遞測量數(shù)據(jù)和方向，GPS電子手簿導(dǎo)航畫面可以讓測繪人員快速上點、上線，極大提高了工作效率，減輕了測量人員的工作強度。

3 GPS—RTK應(yīng)用及定位精度分析

3.1 可用于礦山控制測量。

常規(guī)控制測量要求點間通視，費時費工，而且精度不均勻，外業(yè)不知道測量成果的精度。使用RTK技術(shù)進(jìn)行控制測量既能實時知道定位結(jié)果，又能實時知道定位精度。這樣可以大大提高工作效率。筆者曾就職的金山店鐵礦的地形圖測繪由武漢勘察研究院有限公司測繪公司承擔(dān)。四等GPS控制測量和一級GPS測量，采用了美國Trimble5500接收機(jī)和Leica GPS GX1230接收機(jī)進(jìn)行了測量，儀器標(biāo)稱精度為5mm+1ppm。通過幾年的實踐證明，點位精度完全滿足礦山測量的要求。

3.2 可應(yīng)用于地籍圈定范圍測量和界址點放樣。

在地籍和圈定范圍測量中，應(yīng)用RTK技術(shù)測定每一宗土地的權(quán)屬界址點以及測繪地籍與圈定范圍圖，能實時測定有關(guān)界址點及一些地物點的位置并能達(dá)到要求的厘米級精度。將GPS獲得的數(shù)據(jù)處理后直接錄入電腦，可及時準(zhǔn)確地獲得地籍和圈定范圍圖。但在影響GPS衛(wèi)星信號接受的遮蔽地帶，應(yīng)采用全站儀等測繪儀器，進(jìn)行碎步測量或放樣。2008年筆者參與了金山店鐵礦鐵靈線的界址點放樣工作，鐵靈線周邊的地形地貌非常復(fù)雜，初始采用全站儀放樣，每天只能完成數(shù)十個界址點，而采用了RTK測量系統(tǒng)后，每天可完成上百個界址點的放樣工作。從而看出使用RTK放樣速度快，降低了人力物力成本，大大提高了工作效率，并且精度也滿足了要求。

3.3 可用于地面原礦收方作業(yè)。

礦山采用的原礦及精礦收方大多是全站儀觀測，需要觀測員、記錄員各一名，跑尺人員兩名，共4人。而在同樣條件下采用RTK技術(shù)，在基準(zhǔn)站架設(shè)完成后，只需一人即可完成作業(yè)，且大大縮短了觀測時間，從而保證了工作效率的提高。

3.4 可用于礦區(qū)露天回填區(qū)及尾礦壩變形測量等。

3.5 可用于放樣土地權(quán)屬界線、礦區(qū)工程測量、縱橫斷面圖的測量、鉆孔放樣等。

3.6 定位精度分析。

參考兩種RTK測量系統(tǒng)提供的參數(shù)，如表1：

由表1可以看出，滿足礦山測量要求。

4 GPS—RTK技術(shù)的優(yōu)缺點

4.1 GPS—RTK技術(shù)優(yōu)點：

（1）測站之間無需通視，觀測距離遠(yuǎn)，這一特點使得選點更加靈活方便。

（2）測量精度高，誤差之間互相獨立、不積累、不傳遞。只要能滿足RTK測量的基本要求，在規(guī)定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)，RTK的測量精度都能達(dá)到厘米級。

（3）集成化、自動化程度高、數(shù)據(jù)處理能力強。

（4）操作簡便，對作業(yè)條件要求不高，數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲能力強，與計算機(jī)、全站儀等測量儀器通信方便。

（5）作業(yè)人員少，定位速度快，綜合效益高。接收機(jī)僅需一個人操作，在待測點等待l～2秒即可獲得該點的坐標(biāo)；內(nèi)業(yè)便于計算機(jī)處理。GPSRTK測量作業(yè)效率是傳統(tǒng)測量的2到4倍，傳統(tǒng)測量人力設(shè)備的投入是GPS-RTK測繪手段的3倍左右。

（6）全天候作業(yè)。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續(xù)地進(jìn)行，一般不受天氣狀況的影響。

4.2 GPS—RTK技術(shù)缺點：

（1）在山谷深處、原始森林等區(qū)域，RTK技術(shù)使用將受到限制。筆者這幾年在武鋼集團(tuán)公司主導(dǎo)投資的利比里亞邦礦項目中使用RTK測量就遇到此類問題，因樹木高大茂盛，高度截止角達(dá)不到要求，只能采用全站儀測量。

（2）受衛(wèi)星狀況限制。GPS系統(tǒng)的總體設(shè)計方案是在 1973年完成的，受當(dāng)時的技術(shù)限制，總體設(shè)計方案自身存在很多不足。隨著時間的推移和用戶要求的日益提高，GPS衛(wèi)星的空間組成和衛(wèi)星信號強度都不能滿足當(dāng)前的需要。例如在中、低緯度地區(qū)每天總有兩次盲區(qū)，每次20～30 min，盲區(qū)時衛(wèi)星幾何圖形結(jié)構(gòu)強度低，RTK測量很難得到固定解。同時由于信號強度較弱，在對空遮擋比較嚴(yán)重的地方 GPS無法正常應(yīng)用。

（3）受電離層影響。白天中午，受電離層干擾大，共用衛(wèi)星數(shù)少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進(jìn)行測量。經(jīng)驗表明，每天中午l2～l3點RTK測量很難得到固定解。

（4）受數(shù)據(jù)鏈電臺傳輸距離影響。數(shù)據(jù)鏈電臺信號在傳輸過程中易受外界環(huán)境影響，如高大山體、建筑物和各種高頻信號源的干擾在傳輸過程中衰減嚴(yán)重，嚴(yán)重影響外業(yè)精度和作業(yè)半徑。另外，當(dāng) RTK作業(yè)半徑超過一定距離時，測量結(jié)果誤差超限。

（5）受高程異常問題影響。RTK作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確，但我國現(xiàn)有的高程異常分布圖在有些地區(qū)，尤其是山區(qū)存在較大誤差，在有些地區(qū)還是空白，這就使得將GPS大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得比較困難，精度也不均勻，影響 RTK的高程測量精度。

（6）不能達(dá)到 100%的可靠度。RTK確定整周模糊度的可靠性為95%～99%，在穩(wěn)定性方面不及全站儀，這是由于 RTK較容易受衛(wèi)星狀況、天氣狀況、數(shù)據(jù)鏈傳輸狀況影響的緣故。

5 提高RTK作業(yè)效率的方法

如上所述，雖然RTK技術(shù)應(yīng)用有一定缺陷，但經(jīng)大量的工程實踐證明，其優(yōu)點遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于缺點，況且有些優(yōu)點是常規(guī)測量方法所不能比擬的，因此RTK測量技術(shù)才風(fēng)靡全國，在測量界引發(fā)了一場技術(shù)革命。針對RTK技術(shù)的缺點，通過幾年的工程項目實踐，我們摸索出下面幾條優(yōu)化施測方法，以彌補RTK技術(shù)的不足，提高作業(yè)效率。

（1）摸清儀器特性

通過在各種條件下反復(fù)試驗，摸清儀器各種特性，如能否達(dá)到標(biāo)稱精度，在各種條件下的測量誤差和作業(yè)半徑，摸清儀器的穩(wěn)定性和各種條件下的初始化能力及所耗時間等等，以便應(yīng)用時得心應(yīng)手。

（2）注重基準(zhǔn)位置的選擇

基準(zhǔn)站盡量設(shè)置在點位較高的控制點上，以利于接收衛(wèi)星信號和數(shù)據(jù)鏈信號，控制點問距離應(yīng)小于RTK有效作業(yè)半徑的2/3倍。為方便對RTK測量成果進(jìn)行控制檢核和避免出現(xiàn)作業(yè)盲點，應(yīng)在測區(qū)內(nèi)環(huán)境不良地區(qū)增設(shè)一些控制點，選點還應(yīng)避免無線電干擾和多路徑效應(yīng)。

（3）合理選擇作業(yè)時問

通過下載星歷文件了解測區(qū)的衛(wèi)星分布情況，編制可行的作業(yè)計劃，盡量避開衛(wèi)星信號盲區(qū)和中午電離層干擾大的時段，提高作業(yè)效率。

（4）選擇合理的作業(yè)流程

在植被茂密等對空通視受限的測區(qū)，通過采用常規(guī)方法和GPS技術(shù)相結(jié)合的生產(chǎn)流程可以極大地提高生產(chǎn)效率。如輔助相應(yīng)的軟件，RTK可與全站儀聯(lián)合作業(yè)，充分發(fā)揮RTK與全站儀各自的優(yōu)勢。

6 總結(jié)和建議

在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，GPS—RTK技術(shù)給礦山測繪工作者帶來了革命性的變化，它改變了傳統(tǒng)的測量模式，它能夠?qū)崟r達(dá)到厘米級定位精度和在不通視的情況下遠(yuǎn)距離測量坐標(biāo)，它具有需要的測量人員少、速度快、不需要同時觀測、精度高等特點，能夠極大地提高工作效率。但是它的作業(yè)方式是依賴于有足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈等外界條件，在礦山測量中顯得很突出，有時會出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況，這就需要不斷完善GPS—RTK技術(shù)，并且與其它測繪設(shè)備、手段相結(jié)合，尋求更加先進(jìn)的作業(yè)方式，高效能地完成礦山測量的各項工作任務(wù)。

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