北斗RTK測量系統(tǒng)在礦山測量中的應(yīng)用探討

李玉立 程 鋼

(1.礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

北斗RTK測量系統(tǒng)在礦山測量中的應(yīng)用探討

李玉立1，2程 鋼1，2

(1.礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室，河南 焦作 454000;2.河南理工大學(xué)測繪與國土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展為礦山測量提供了新的技術(shù)手段。利用理論分析和實測比較的方法，對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用于礦山測量進行了可行性分析和精度探討。介紹了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展及定位原理，通過實測數(shù)據(jù)分析得出了北斗RTK與GPS RTK的精度關(guān)系。得到結(jié)論:北斗RTK的精度已達到GPS RTK同等水平，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在礦山測量中的應(yīng)用不僅提高了礦區(qū)測量的效率、準確性，而且也有利于促進礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。最后分析了北斗RTK在礦山測量實際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng) RTK 礦山測量 精度分析

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Beidou Navigation Satellite System，BDS)是我國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國全球定位系統(tǒng)(GPS)、俄羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GLONASS)之后第三個比較成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建成，不但使我國獲得獨立自主和快速有效的定位手段，而且也標志著我國在衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域取得了重大突破。與其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)既具備其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所具有的連續(xù)的導(dǎo)航定位和授時功能，而且它還具有其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)所不具備的位置報告和短報文通信功能。目前北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用主要是軍事方面，以及政策扶持的航空、漁業(yè)、陸上運輸?shù)刃袠I(yè)。本研究對北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在礦山測量進行應(yīng)用的可行性進行探討，從北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的定位原理出發(fā)，分析了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS的異同點，結(jié)合在某礦山的實測數(shù)據(jù)分析了北斗RTK測量系統(tǒng)在礦山測量中的應(yīng)用前景以及應(yīng)注意的問題。

1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

1.1 覆蓋范圍及定位方式

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的建設(shè)采取試驗系統(tǒng)、區(qū)域系統(tǒng)、全球系統(tǒng)“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略[1]。

至2020年，中國將建成35顆衛(wèi)星組網(wǎng)的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，系統(tǒng)星座由5顆同步靜止軌道衛(wèi)星，30顆中軌衛(wèi)星以及傾斜軌道衛(wèi)星組成，屆時北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可以為全球任何國家和地區(qū)提供衛(wèi)星導(dǎo)航服務(wù)。截止到2012年底，其在軌工作衛(wèi)星有5顆 GEO (Geosta-tionary Earth Orbit) 衛(wèi)星，5顆IGSO (Inclined Geo synchronous Satellite Orbit)衛(wèi)星，4顆MEO(Medium Earth Orbit)衛(wèi)星，覆蓋范圍是東經(jīng)約70°～140°，北緯5°～55°[2-3]。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建立的衛(wèi)星星座(GEO+IGSO+MEO)可以提供無線電導(dǎo)航服務(wù) (Radio Navigation Satellite System，RNSS)和無線電測定服務(wù)(Radio Determination Satellite Service，RDSS)。RNSS屬于被動式定位系統(tǒng)，與GPS系統(tǒng)定位方法一樣，用戶只需要接收來自北斗衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號，不需要用戶機發(fā)射無線電波，就能夠精確自主地解算出用戶的7維狀態(tài)參數(shù)和3維姿態(tài)參數(shù)[4]；RDSS 導(dǎo)航定位技術(shù)，屬于主動定位系統(tǒng)，通過用戶應(yīng)答，在完成定位的同時完成向外部系統(tǒng)的用戶位置報告，還可實現(xiàn)定位與通信的集成，該定位系統(tǒng)擴展了衛(wèi)星導(dǎo)航定位體制。

1.2 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)接收機在某點處同時跟蹤并接收 4顆或 4 顆以上衛(wèi)星的信號，根據(jù)所接收的導(dǎo)航電文及其他信息，解算出接收機到各觀測衛(wèi)星的偽距。在t時刻，接收機觀測到i顆衛(wèi)星，可得到偽距方程組為

2 北斗RTK在礦山測量中應(yīng)用的可行性分析

2.1 技術(shù)可行性分析

(1)北斗RTK的作業(yè)效率高。礦山測量在礦山的建設(shè)和生產(chǎn)時期都是必不可少的，而傳統(tǒng)的測量受到礦山的地形，天氣等環(huán)境的影響，對于施測環(huán)境惡劣地區(qū)以及一些精度要求較高的局部地區(qū)，傳統(tǒng)的測量已經(jīng)難以滿足連續(xù)精準作業(yè)的需求。北斗RTK采用了實時動態(tài)載波相位差分定位(Real-Time Kinematic)技術(shù)，只要一次設(shè)站，即可對半徑數(shù)千米的測區(qū)進行測量，并且受氣候、能見度影響較小，這樣不僅極大地提高了在礦區(qū)復(fù)雜環(huán)境里的施測速度，而且也減少了礦山測量工作者的勞動強度。

(2)北斗RTK的作業(yè)精度高。由于全站儀受其他測量控制點的精度影響，而礦區(qū)控制點容易遭到破壞，若是控制點精度不高，使用全站儀易造成誤差累積。在礦山測量中應(yīng)用北斗RTK測量系統(tǒng)，不僅在野外作業(yè)時流動性好，單點作業(yè)不受其他控制點影響，而且能夠?qū)崟r得到厘米級定位精度的點位數(shù)據(jù)。此外與GPS RTK相比，北斗系統(tǒng)所獨有的三頻實時精密定位技術(shù)比GPS雙頻更具優(yōu)勢。

(3)數(shù)據(jù)處理效率高。北斗RTK測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的能力強，其所具備的軟件自動化程度高，不用現(xiàn)場記錄所測數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完畢，在室內(nèi)利用計算機軟件即可對所測數(shù)據(jù)進行優(yōu)劣評價，也減少了人為計算失誤的可能性，提高了數(shù)據(jù)處理效率和準確性。

(4)安全性好。北斗系統(tǒng)是我國自行研制的，可靠性好。在礦山測量中使用北斗產(chǎn)品，也有利于礦產(chǎn)資源數(shù)據(jù)保密和國土安全。

2.2 北斗RTK精度分析

為了測定北斗RTK在礦山測量中的實際定位精度，實驗分別使用北斗RTK和GPS RTK測定某礦區(qū)4個基準點(表1)的坐標數(shù)據(jù)，并進行對比分析。數(shù)據(jù)采集使用中海達GNSS接收機——海星達智能iRTK。實驗過程中，北斗RTK與GPS RTK的天線高均為2.076 5 m，平滑次數(shù)均為1次，偏距均為0，衛(wèi)星高度截止角均為12°。實驗所得的北斗RTK點坐標數(shù)據(jù)與GPS RTK點坐標數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

表1 基準點坐標

表2 北斗點坐標

表3 GPS點坐標

分析上述所得數(shù)據(jù)，可以得出如下結(jié)論：

(1)分別通過比較北斗點坐標、GPS點坐標與基準點坐標的平面坐標x、y與高程坐標h，容易計算出相應(yīng)各坐標分量與基準點坐標分量差值絕對值，比較可知，北斗RTK平面定位精度為1.6 cm，高程定位精度為4 cm；北斗RTK與GPS RTK定位精度差別不大。

(2)北斗RTK的平面定位精度優(yōu)于高程定位精度，但都在厘米誤差內(nèi)，定位精度處于優(yōu)秀水平(PDOP值小于3表明定位精度優(yōu)秀)；北斗RTK測量精度滿足礦區(qū)基本精度需求，可以替代GPS RTK用于礦區(qū)控制網(wǎng)的測設(shè)。

(3)北斗衛(wèi)星星座性能良好，所測礦區(qū)內(nèi)北斗衛(wèi)星的可見數(shù)高于GPS衛(wèi)星的可見數(shù)，這也會使得北斗系統(tǒng)相對于GPS將會更加有效地提高在多路徑環(huán)境下的定位精度，改善在惡劣環(huán)境下礦區(qū)測量作業(yè)水平。

3 北斗RTK在礦山測量中的應(yīng)用前景

近年來，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獲得了長足的發(fā)展，隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)可用衛(wèi)星數(shù)量的增加，多個北斗地基增強系統(tǒng)的建立，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)首次定位所用時間減少并且北斗RTK和PPP性能得以大幅度改善。同GPS相比較，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)獨有的三頻實時精密定位技術(shù)比GPS雙頻定位技術(shù)更具優(yōu)勢。正因為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)擁有這些獨特優(yōu)勢，高精度GNSS的用戶體驗和定位性能也必將顯著提升。

礦山測量技術(shù)的發(fā)展不僅關(guān)系到礦山開采、生產(chǎn)的科學(xué)有序進行，也關(guān)系到礦山生產(chǎn)的安全。北斗RTK在點位放樣，分界線放樣，礦區(qū)地形圖的測繪中具有很大優(yōu)勢；尤其在露天礦測量，比如測區(qū)控制網(wǎng)測量、爆破測量、礦區(qū)采剝工程量驗收測量、測區(qū)道路測量、排土場測量和邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測等具有廣闊應(yīng)用前景。

4 北斗RTK在礦山測量應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

北斗RTK作為一種最前沿的GNSS技術(shù)，有諸多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用時也有一定的局限性。北斗RTK需要滿足一定的施測環(huán)境：在露天礦測量過程中使用較好，井下無法接收信號，這時候需要配合全站儀[6]；RTK接收機要盡量遠離強烈的反射面，比如湖面等，否則接收信號時容易受到多路徑效應(yīng)的影響，這時候可以采用適當延長觀測時間、取平均值等方法予以減弱；盡量選擇天氣晴朗，可觀測衛(wèi)星數(shù)量較多的時間段進行作業(yè)。另外，北斗采用國家2 000大地坐標系(CGCS2000)，采礦區(qū)可能采用的是地方坐標系或者其他坐標系，要精準地完成RTK實時測量，對坐標轉(zhuǎn)換的精度要求比較高[7]。

5 結(jié) 論

通過分析在某礦區(qū)的北斗RTK與GPS RTK的實測數(shù)據(jù)，說明了北斗RTK在礦山測量中應(yīng)用的可行性，具備與GPS RTK同等的測量精度。實踐證明，北斗RTK測量技術(shù)給礦山測量帶來了重大的技術(shù)變革，極大地方便了測量工作者的日常工作，隨著其技術(shù)的不斷進步，必將給礦山測量帶來更大的便利，其在礦山測量中的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V泛。北斗RTK在露天礦測量，礦區(qū)地形圖測繪等方面應(yīng)用廣泛，對于建設(shè)數(shù)字化礦山有重要意義，有利于促進礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。北斗RTK目前存在多路徑效應(yīng)影響，還有進一步提升的空間。

[1] 寧津生,姚宜斌,張小紅.全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展綜述[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2013,1(1):3-8. Ning Jinsheng，Yao Yibin，Zhang Xiaohong.Review of the development of global satellite navigation system[J].Journal of Navigation and Positioning，2013,1(1):3-8.

[2] 中國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)管理辦公室.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間信號接口控制文件(測試版)[EB/OL].[2015-01-30].http：∥www.beidou.gov.cn. Management Office of China's Satellite Navigation System.The Interface Control Document of Beidou Navigation Satellite System (Beta)[EB/OL].[2015-01-30].http：∥www.beidou.gov.cn.

[3] 劉基余.關(guān)于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)技術(shù)標準化的幾點建議[J].導(dǎo)航定位學(xué)報,2013,1(1):101-107. Liu Jiyu.Suggestions on the technical standardization proposal Beidou satellite navigation system[J].Journal of Navigation and Positioning，2013,1(1):101-107.

[4] 周 兵,陳向東,趙齊樂.北斗系統(tǒng)與GPS應(yīng)用比較分析[J].全球定位系統(tǒng),2012(8):78-82. Zhou Bing，Chen Xiangdong，Zhao Qiyue.Comparison and analysis of Beidou/compass system and GPS application[J].GNSS World of China,2012(8):78-82.

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[6] 王衛(wèi)星,崔 冰,趙 芳.金屬礦山數(shù)字化[J].金屬礦山,2005(11):1-3. Wang Weixing，Cui Bing，Zhao Fang.Digitization of metal mines[J].Metal Mine，2005(11):1-3.

[7] 王世進,秘金鐘,李得海,等.GPS/BDS的RTK定位算法研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報:信息科學(xué)版,2014(5)：621-625. Wang Shijin，Mi Jinzhong，Li Dehai，et al.Real-time kinematic positioning algorithm of GPS/BDS[J].Journal of Wuhan University：Geomatics and Information Science，2014(5)：621-625.

(責任編輯 石海林)

To Explore the Application of Beidou RTK System in Mine Surveying

Li Yuli1,2Cheng Gang1,2

(1.KeyLaboratoryofMineSpatialInformationTechnologies，NationalAdministrationofSurveying，MappingandGeoinformation，Jiaozuo454000，China; 2.SchoolofSurveyingandLandInformationEngineering，HenanPolytechnicUniversity，Jiaozuo454000China)

Beidou satellite navigation system provides a new technical means for mine surveying.The feasibility and accuracy of the Beidou satellite navigation system used in mining surveying is discussed by using theoretical analysis and experimental methods.And the development and positioning principles of Beidou satellite navigation system are introduced.The accuracy relations between Beidou satellite navigation system and GPS，RTK are figured out by analyzing the measured data.The conclusion is that the accuracy of Beidou RTK has reached the same level as that of GPS RTK.Beidou satellite navigation system applied into mine surveying can improve the efficiency and accuracy of mine surveying，and also is conductive for the promotion of sustainable development in the mining area.Finally，issues that should be paid attention to in application of Beidou RTK in mine surveying are analyzed.

Beidou satellite navigation system，RTK，Mine surveying，Accuracy analysis

2015-02-03

國家自然科學(xué)基金項目(編號：41001226)，河南省高?？萍紕?chuàng)新團隊支持計劃項目(編號：14IRTSTHN026)，礦山空間信息技術(shù)國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目(編號：KLM201408)，河南理工大學(xué)博士基金項目(編號：B2010-9)。

李玉立(1990—)，男，碩士研究生。

TD17

A

1001-1250(2015)-04-191-04