單基站CORS在礦山測量中的精度分析及應用

石長偉 ，何晴晴 ，陳長坤 ，肖明 ，蘇迪

(1.安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001;2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院,河南 焦作 454100)

0 引 言

隨著GNSS技術的快速發(fā)展,連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(CORS)在我國也得到了迅速的推廣與應用。CORS是由一個或若干固定、連續(xù)運行的GPS參考站,利用計算機技術、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術組成的網(wǎng)絡,實時地向用戶提供GPS觀測值、改正數(shù)、狀態(tài)信息及其他有關服務項目的系統(tǒng)[1-3]。現(xiàn)代化的CORS技術已經(jīng)在城市規(guī)劃、工程測量、市政建設、資源普查等方面得到了廣泛應用,為采集基礎空間地理信息數(shù)據(jù)提供了極大的便利。在某些區(qū)域,由于受到經(jīng)濟和自然因素的影響,建造多基站CORS系統(tǒng)比較困難,于是單基站CORS系統(tǒng)應運而生。單基站CORS系統(tǒng)除了具備CORS系統(tǒng)的功能外,主要特點是建造成本低、建造速度快、系統(tǒng)結構簡單、便于維護和管理。在礦山測量中,為了保障工作面的安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境治理及研究開采的地表移動變形規(guī)律,《煤炭測量規(guī)程》要求,對于首采面和重要的建筑物應該布設地表移動觀測站,通過采集其數(shù)據(jù)來掌握地表移動變形規(guī)律[4]。由于布設的監(jiān)測站多,數(shù)據(jù)采集階段測量頻繁,耗費時間長,勞動強度大,成本高,針對上述問題我們在淮南朱集東礦建立了單基站CORS系統(tǒng),并將其應用在點位的放樣及監(jiān)測點平面信息的采集。

1 單基準站CORS的建立

1.1 系統(tǒng)組成

單基站CORS系統(tǒng)由GPS基準站、數(shù)據(jù)中心、通信模塊和流動站四個部分組成。基準站又包括GPS接收機、避雷針、天線、電源;數(shù)據(jù)中心既進行系統(tǒng)控制又進行數(shù)據(jù)處理,通信采用GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端模塊。

1.2 基站位置的選取

在選取基準站時,要考慮到流動站固定解的解算與基準站的公共衛(wèi)星數(shù)的關系,因此要把基準站架設在視野開闊的地方,在高度角15°以上的視場周圍沒有障礙物;不應有強磁場的存在;為了避免多路徑效應對信號的影響,不能選擇有大面積水域的地區(qū);要選擇穩(wěn)定、交通便利且易于保存的地帶,避免人為的破壞[5-8]。綜上所述,本礦區(qū)的單基準站CORS系統(tǒng)的基準站選擇在礦區(qū)辦公樓的樓頂,觀測墩建成永久性觀測墩,如圖1所示。

聯(lián)系人: 石長偉E-mail:864827159@qq.com

圖1 CORS基準站示意圖

1.3 基準站的施測及精度分析

根據(jù)朱集東礦的實際情況和已知控制點信息建立單基準站CORS系統(tǒng)的控制網(wǎng),如圖2所示。平面坐標系統(tǒng)采用BJ-54坐標系,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準。控制網(wǎng)按D級GPS網(wǎng)的要求、使用5臺中海達V9三系統(tǒng)接收機,采用靜態(tài)相對定位的模式進行觀測。該控制網(wǎng)中包括四個C級GPS點,四個具有BJ-54坐標系下的C級點作為坐標轉(zhuǎn)換的基礎,一個單基準站CORS系統(tǒng)的基準站(CZHJDM)和十個內(nèi)插檢核點。對靜態(tài)數(shù)據(jù)進行解算,其中重復觀測邊、同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差檢核數(shù)據(jù)如表1所示;點位中誤差、基線向量中誤差和基線向量相對中誤差統(tǒng)計情況如表2、表3、表4所示。得出控制網(wǎng)的外業(yè)觀測質(zhì)量符合精度要求。

圖2 基準站控制網(wǎng)圖

精度1～2ppm2～3ppm3～5ppm>5ppm重復邊127310比率/%96.952.290.760同步環(huán)數(shù)266795337461比率/%65.7723.519.221.50異步環(huán)數(shù)123345477273540比率/%59.9226.6013.290.19

表2 點位中誤差統(tǒng)計表

表3 基線向量中誤差統(tǒng)計表

表4 基線向量相對中誤差統(tǒng)計表

1.4 精度檢核

在單基站CORS系統(tǒng)建成后,還要對其準確性進行測試,在測區(qū)內(nèi)選擇10個E級GPS已知點使用實時動態(tài)(RTK)方法對其進行測量,將得到WGS-84坐標系下的坐標轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標和大地高,然后利用四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和曲面擬合模型將其轉(zhuǎn)換為BJ-54坐標系下的平面坐標和正常高,并與已知點進行比較,檢核結果如表5所示。

表5 精度檢核表

由此可以得出,平面點位中誤差最大值為1.6 cm,最小為0.9 cm;高程中誤差最大值為3.5 cm,最小為0 cm;平面測量的精度比高程測量精度高。

2 單基準站CORS系統(tǒng)在礦區(qū)的應用

2.1 應用背景

朱集東礦1222(1)工作面有一條走向觀測線、半條傾向觀測線,設計布設9個控制點和129個監(jiān)測點,由于工作面的切眼東北側(cè)和設計停采線東北側(cè)各有一個村莊會受到地下開采的影響,對其村莊準備布設了6個控制點和23個監(jiān)測點,為了及時準確地掌握工作面開采對村莊的影響并研究地表移動變形規(guī)律,采用傳統(tǒng)全站儀和常規(guī)RTK測量難以在規(guī)定時間內(nèi)完成點位布設任務和獲取地表移動監(jiān)測數(shù)據(jù)采集任務,決定采用單基站 CORS系統(tǒng)對監(jiān)測點位進行放樣和平面信息的采集。

2.2 監(jiān)測點位放樣

為了保障工作面的安全生產(chǎn)、礦區(qū)建筑物的安全及研究地表移動變形規(guī)律,在開采工作面上方的地表要埋設大量的監(jiān)測點,為了使監(jiān)測點能夠滿足設計要求、達到預定目標,采用單基站CORS系統(tǒng)能夠準確、快速地將監(jiān)測點放樣到設計的位置,提高放樣的工作效率和準確度。

2.3 監(jiān)測點位的數(shù)據(jù)采集及精度分析

為了獲取地表移動監(jiān)測數(shù)據(jù),采用單基站CORS系統(tǒng)使用CORS-RTK移動終端進行測量,對每個監(jiān)測點測量30次以上,當觀測條件不好時(如樹下,屋角),適當延長觀測時間。計算后的點位中誤差如表6所示。

表6 點位中誤差

由此可以看出，點位中誤差中小于1.5 cm的比率占總點數(shù)的94.61%，大于1.5 cm小于3 cm的占5.39%；高程中誤差中小于1.5 cm的占27.55%，大于1.5 cm小于3 cm的占總點數(shù)的65.87%，大于3 cm小于5 cm的占5.99%，大于5 cm的占0.59%.由實測數(shù)據(jù)還可以得出：最大點位中誤差為2.72 cm，最小中誤差為0.6 cm，平均為1.08 cm；高程的最大中誤差為5.25 cm，最小為1.13 cm，平均為1.89 cm.

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時,會受到周圍樹林、建筑物的影響,導致有些觀測點的點位中誤差較大,但對于采用單基準站CORS系統(tǒng)測得的94.6%的監(jiān)測點符合礦山開采沉陷監(jiān)測要求的精度,所以在實踐中我們用單基準站CORS系統(tǒng)采集平面坐標信息,由于高程的中誤差較大,不滿足礦山開采沉陷監(jiān)測最弱點高程中誤差的要求,所以在實際礦山開采沉陷監(jiān)測中使用Lecia Sprinter-150水準儀配合單基站CORS-RTK進行外業(yè)的數(shù)據(jù)采集。

3 單基準站CORS系統(tǒng)在礦山測量中的優(yōu)勢

本系統(tǒng)建設完成后,經(jīng)檢驗可以在礦山開采沉陷監(jiān)測中用于采集監(jiān)測點位的平面坐標,與常規(guī)的RTK相比,單基準站CORS系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢:

1) 建造成本低?？梢岳矛F(xiàn)有的資源加少量資金在礦區(qū)建立單基準站CORS系統(tǒng),滿足礦山開采沉陷監(jiān)測中平面坐標采集的需求。

2) 重復使用率高。對于礦區(qū)布設的單基準站CORS系統(tǒng)來說,可以在本區(qū)域內(nèi)進行高精度的點位放樣、地形測繪和其他工作面的變形監(jiān)測中應用。

3) 數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。實踐表明,單基準站CORS系統(tǒng)在礦山測量的工作中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠,尤其是隨著我國北斗導航定位系統(tǒng)的投入運行,其數(shù)據(jù)的質(zhì)量將會更高。

4) 作業(yè)速度快、精度高、范圍大。當單基準站CORS系統(tǒng)投入使用后,流動站初始化速度更快,固定后可以快速、準確地對監(jiān)測點進行測量,由于采用GPRS/CDMA等信號取代了電臺傳輸模式,數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x可以達到30 km[9].

4 結束語

礦山測量中采用單基準站CORS系統(tǒng)提高測量的速度和精度,具有明顯的實用價值。但是在高程方面的精度還不足以達到地表移動變形監(jiān)測的精度要求,在以后的工作中,將針對這一問題繼續(xù)完善單基準站CORS系統(tǒng)。

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