GPS技術(shù)在礦山測(cè)量應(yīng)用的分析研究

閆志強(qiáng)

（西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 古交 030200）

GPS技術(shù)具有測(cè)量精度高、受氣候環(huán)境影響小、測(cè)點(diǎn)布置方便以及實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)測(cè)量工藝的局限性，保證了礦山測(cè)量高效開(kāi)展。為進(jìn)一步提高GPS測(cè)量技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果，必須掌握GPS測(cè)量原理，對(duì)GPS技術(shù)在礦山測(cè)量中存在的問(wèn)題進(jìn)行分析并采取有效應(yīng)對(duì)措施。

1 GPS技術(shù)原理及優(yōu)點(diǎn)

1.1 技術(shù)原理

GPS系統(tǒng)在測(cè)量應(yīng)用中主要包括以下三部分：基準(zhǔn)站、流動(dòng)站以及數(shù)據(jù)鏈?；鶞?zhǔn)站接收裝置安裝在三維地心地坐標(biāo)系的參考點(diǎn)上，然后接收每個(gè)測(cè)點(diǎn)的GPS信號(hào)源，并通過(guò)第三部分站點(diǎn)將測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)、載波相位的觀測(cè)值、偽距觀測(cè)值等數(shù)據(jù)傳輸至流動(dòng)站，再經(jīng)過(guò)流動(dòng)站精密計(jì)算得出測(cè)量結(jié)果。

1.2 優(yōu)點(diǎn)

（1）儀器操作簡(jiǎn)單。與傳統(tǒng)礦山測(cè)量技術(shù)相比，GPS測(cè)量技術(shù)中設(shè)備操作簡(jiǎn)單，測(cè)量人員具有基本的測(cè)量技術(shù)即可完成GPS設(shè)備相關(guān)操作。

（2）測(cè)點(diǎn)不受障礙物影響。GPS測(cè)量中測(cè)點(diǎn)位置選擇不需要考慮地面障礙物影響，在無(wú)需通視的情況下即可完成各項(xiàng)測(cè)量工作。

（3）提高了礦山測(cè)量工作效率。GPS測(cè)量時(shí)一般只需三人即可完成，通過(guò)信號(hào)接收、傳輸、計(jì)算即可得出準(zhǔn)確的測(cè)量數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比，縮短了測(cè)點(diǎn)布置、人工測(cè)量及計(jì)算時(shí)間。

（4）測(cè)量精度高。礦山測(cè)量中采用的雙頻GPS接收機(jī)精度通常為5mm +1ppm，在長(zhǎng)度為500km左右基線上測(cè)量精度可達(dá)到12×10-7m。

（5）實(shí)時(shí)測(cè)量。GPS技術(shù)可實(shí)時(shí)測(cè)量，不受氣候、環(huán)境以及空間位置的限制。

2 GPS技術(shù)在礦山測(cè)量中應(yīng)用

2.1 在礦山控制測(cè)量中應(yīng)用

（1）控制測(cè)量是礦山測(cè)量中一項(xiàng)重要分支，傳統(tǒng)的礦山控制測(cè)量技術(shù)主要通過(guò)布置若干個(gè)控制點(diǎn)建立控制網(wǎng)，從而限制測(cè)量誤差累計(jì)的作用，為其他各項(xiàng)測(cè)量工作精準(zhǔn)、高效開(kāi)展提供必需的坐標(biāo)參照。但是傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)在進(jìn)行控制點(diǎn)布置時(shí)受氣候條件、施工環(huán)境、測(cè)區(qū)障礙物等影響較大，加大了測(cè)量工作中內(nèi)業(yè)工作量，而且測(cè)量精度低，誤差大。

（2）GPS技術(shù)在礦山控制測(cè)量中應(yīng)用時(shí)，主要采用的是靜態(tài)差分定位技術(shù)，利用GPS接收機(jī)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)多個(gè)控制點(diǎn)進(jìn)行差分精準(zhǔn)定位，并可對(duì)不同測(cè)量精度進(jìn)行差分調(diào)整。該技術(shù)可有效提高礦山控制測(cè)量精度，降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短內(nèi)外業(yè)測(cè)量時(shí)間，同時(shí)在測(cè)量過(guò)程中無(wú)需考慮地形變化、氣候條件以及障礙物阻擋等，測(cè)量時(shí)更加靈活、簡(jiǎn)便。

2.2 在礦山地形測(cè)量與施工中應(yīng)用

（1）對(duì)于面積大且地形相對(duì)復(fù)雜的礦區(qū)（如大同礦區(qū)、淮南礦區(qū)等），在煤礦建設(shè)施工時(shí)必須對(duì)整個(gè)礦區(qū)地形、地貌進(jìn)行全面測(cè)定，傳統(tǒng)測(cè)量方法是利用航空攝影技術(shù)獲得航拍照片后進(jìn)行解讀，然后采用測(cè)量?jī)x器再進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，采用該方法受環(huán)境影響大，且測(cè)量任務(wù)繁重，需多次返工補(bǔ)測(cè)，測(cè)量工作效率低。

（2）GPS技術(shù)在礦山地形測(cè)量與施工中主要是利用實(shí)時(shí)差分技術(shù)手段，建立便捷的測(cè)量體系，然后通過(guò)靜態(tài)基站以及若干個(gè)控制點(diǎn)，對(duì)覆蓋整個(gè)礦區(qū)的空間坐標(biāo)系進(jìn)行建立，然后通過(guò)衛(wèi)星、基站設(shè)備、流動(dòng)站接收設(shè)備進(jìn)行測(cè)量數(shù)據(jù)接收處理，從而實(shí)現(xiàn)高效、低誤差測(cè)量作業(yè)。

2.3 在礦山測(cè)量數(shù)據(jù)采集中的應(yīng)用

（1）在礦山測(cè)量中GPS技術(shù)主要利用系統(tǒng)內(nèi)部傳感器對(duì)各種電量信號(hào)、非電量信號(hào)進(jìn)行采集，并及時(shí)將采集信息存儲(chǔ)在信息存儲(chǔ)器中，從而為后期數(shù)據(jù)分析、計(jì)算提供準(zhǔn)確信息。

（2）利用GPS技術(shù)對(duì)礦山測(cè)量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，在監(jiān)控設(shè)備區(qū)域安裝數(shù)據(jù)采集器，同時(shí)利用A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)采集的電流信號(hào)源進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。待所有信號(hào)轉(zhuǎn)換完成后再將數(shù)字信號(hào)發(fā)送至ARM7芯片內(nèi)，最終通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)，從而完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)。

2.4 在其他測(cè)量工作中應(yīng)用

（1）作業(yè)面野外調(diào)查中應(yīng)用。利用GPS定位儀可在野外對(duì)作業(yè)面位置精準(zhǔn)定位，對(duì)作業(yè)面上覆巖層形態(tài)及變化情況進(jìn)行測(cè)定，并能根據(jù)作業(yè)面生產(chǎn)情況提供實(shí)時(shí)作業(yè)信息。與傳統(tǒng)拉尺測(cè)量相比，具有工作量小、測(cè)量時(shí)間短、勞動(dòng)作業(yè)強(qiáng)度低等優(yōu)點(diǎn)。

（2）礦山生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)。受礦井開(kāi)采影響地表出現(xiàn)沉陷區(qū)，為了保證地表建設(shè)及井下生產(chǎn)安全，必須對(duì)沉陷區(qū)采用測(cè)量技術(shù)手段進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，傳統(tǒng)測(cè)量方法主要利用全站儀進(jìn)行駐點(diǎn)測(cè)定，但是采用該方法進(jìn)行沉陷區(qū)測(cè)量時(shí)很容易受地形地貌、測(cè)點(diǎn)數(shù)量、測(cè)點(diǎn)分布等限制，測(cè)量難度大，精度低。而利用GPS技術(shù)可降低控制點(diǎn)布置難度，提高測(cè)量效率且縮短監(jiān)測(cè)作業(yè)的工作強(qiáng)度。

3 GPS技術(shù)在礦山測(cè)量中存在的問(wèn)題

（1）控制點(diǎn)位置選擇問(wèn)題。GPS技術(shù)主要是利用衛(wèi)星及地面接收機(jī)進(jìn)行信號(hào)傳遞、接收、計(jì)算處理等，從而得出精確的測(cè)量結(jié)果，所以接收機(jī)能夠穩(wěn)定快速接收相應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)是保證測(cè)量高效開(kāi)展的前提。但是在實(shí)際礦山測(cè)量中受建筑物、礦山以及地表大型物體等阻擋，很容易削弱衛(wèi)星信號(hào)，造成測(cè)量結(jié)果失真。所以在控制點(diǎn)位置選擇時(shí)，盡量避開(kāi)遮擋物及電磁干擾物，對(duì)控制點(diǎn)信號(hào)接收角度及接收時(shí)間進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，確保衛(wèi)星信號(hào)接收連續(xù)、穩(wěn)定。

（2）坐標(biāo)系統(tǒng)一問(wèn)題。我國(guó)礦山測(cè)量中控制點(diǎn)主要采用的是BJ-54坐標(biāo)系統(tǒng)和國(guó)家80坐標(biāo)系統(tǒng)，而采用GPS技術(shù)時(shí)采用的是WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)，兩種坐標(biāo)系統(tǒng)存在差異，很容易造成測(cè)量結(jié)果存在誤差。所以在礦山測(cè)量中為了保證測(cè)量結(jié)果精準(zhǔn)、有效，在利用GPS技術(shù)時(shí)必須對(duì)坐標(biāo)參數(shù)進(jìn)行合理轉(zhuǎn)換。

（3）測(cè)量誤差問(wèn)題。采用GPS技術(shù)進(jìn)行礦山測(cè)量時(shí)，主要通過(guò)接收的信號(hào)所用時(shí)間以及波速，從而計(jì)算出接收機(jī)與衛(wèi)星之間距離，然后采用空間距離后方交會(huì)的方法確定接收機(jī)位置。但是在實(shí)際礦山測(cè)量時(shí)衛(wèi)星信號(hào)在接收過(guò)程中存在多種誤差源，主要體現(xiàn)在衛(wèi)星誤差、信號(hào)傳播誤差以及接收設(shè)備誤差等，從而影響著測(cè)量精度。所以為了減少誤差源對(duì)測(cè)量精度的影響，應(yīng)采取相應(yīng)措施削弱誤差源，同時(shí)應(yīng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行誤差分析、建立數(shù)據(jù)模型、測(cè)量數(shù)據(jù)時(shí)段控制以及處理結(jié)果精準(zhǔn)度評(píng)估等。

4 實(shí)際應(yīng)用分析

西山煤電股份有限公司西曲礦位于古交市汾河北岸，由于該礦區(qū)附近山體陡峭，地面大型建筑物較多，為了滿足測(cè)量需要，決定采用GPS技術(shù)進(jìn)行礦山控制測(cè)量，控制網(wǎng)采用邊相連接的形式。本次測(cè)量中聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)共計(jì)3個(gè)（A、B、D點(diǎn)），GPS點(diǎn)9個(gè)（1#～9#點(diǎn)），基線平均長(zhǎng)度為420m。測(cè)量時(shí)采用三臺(tái)型號(hào)為天寶5700GPS接收器以及天線各3臺(tái)，測(cè)量時(shí)間選擇在上午7:30～10:30之間，觀測(cè)的每一個(gè)時(shí)段時(shí)間為70min，觀測(cè)數(shù)據(jù)采樣時(shí)間間隔為15s。

通過(guò)本次GPS礦山控制測(cè)量控制網(wǎng)平差及成果評(píng)價(jià)分析可得，采用GPS V5.2隨機(jī)軟件進(jìn)行網(wǎng)平差后，3#最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差±6 mm，最弱勢(shì)相對(duì)精度為1:297000，由此可見(jiàn)與傳統(tǒng)測(cè)量方法相比GPS測(cè)量成果精度高，實(shí)現(xiàn)全天候作業(yè)，測(cè)點(diǎn)布置少，測(cè)量基線長(zhǎng)，而且不受地面遮擋物影響，但是在本次測(cè)量中發(fā)現(xiàn)，GPS測(cè)量時(shí)必須確保有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量不低于4個(gè)，且不可重復(fù)建站，觀測(cè)點(diǎn)上方不可有成片障礙物。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)應(yīng)用高效的GPS測(cè)量技術(shù)，可有效提高礦山測(cè)量精度，縮短測(cè)量時(shí)間，減少了因測(cè)量誤差造成的煤礦安全事故，解決了傳統(tǒng)礦山測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)布置困難、測(cè)量精度低、受環(huán)境影響大等難題，打破了傳統(tǒng)礦山測(cè)量方法對(duì)礦山建設(shè)的約束。