單基站CORS-RTK在礦山沉降觀測(cè)中的應(yīng)用

徐蔣林,黃暉，趙勇，劉可勝，余學(xué)祥

(1.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001; 2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 準(zhǔn)南 232001； 3.華東有色測(cè)繪院,江蘇 南京 210000)

0 前 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)的快速發(fā)展,促進(jìn)了CORS系統(tǒng)的快速發(fā)展。CORS系統(tǒng)具有多基站、全天候連續(xù)運(yùn)行以及能夠擴(kuò)大基準(zhǔn)站工作范圍等特點(diǎn),因此得到推廣并廣泛應(yīng)用。單基站CORS系統(tǒng)和多基站CORS系統(tǒng)均屬于CORS系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)RTK已逐漸成為實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位發(fā)展的主流[1]。但受經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等方面的制約，多基站CORS系統(tǒng)的建造比較困難,因此單基站CORS系統(tǒng)在一些小城市的應(yīng)用比較多[2]。單基站CORS系統(tǒng)相對(duì)多基站CORS系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用低,數(shù)據(jù)采集速度快,并且管理和維護(hù)也很方便[3-5]。根據(jù)《煤炭測(cè)量規(guī)程》要求,對(duì)于首采面和重要的建筑物必須得布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站,便于數(shù)據(jù)分析來掌握地表移動(dòng)變形的規(guī)律[6]。對(duì)于地表移動(dòng)變形的數(shù)據(jù)采集比較頻繁,而且監(jiān)測(cè)站比較多。考慮到時(shí)間和成本的因素[7],文中在淮南某礦建立了單基站CORS系統(tǒng),進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面信息的采集以及點(diǎn)位的放樣。

1 單基站CORS系統(tǒng)與原理

1.1 CORS系統(tǒng)原理介紹

CORS系統(tǒng)由5個(gè)部分構(gòu)成,分別是基準(zhǔn)站、用戶、數(shù)據(jù)處理中心、傳輸系統(tǒng)和播發(fā)系統(tǒng)。對(duì)于單基站CORS系統(tǒng)來說,單個(gè)基站既要進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,又要接收衛(wèi)星信號(hào)和發(fā)射差分信號(hào)。通過基站的服務(wù)器可以查看所接收衛(wèi)星的狀態(tài)、數(shù)據(jù)發(fā)送情況、存儲(chǔ)和差分?jǐn)?shù)據(jù)。多基站CORS系統(tǒng)則是將多個(gè)基站結(jié)合起來,每個(gè)基站把接收的衛(wèi)星信號(hào)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心,再由數(shù)據(jù)處理中心軟件自動(dòng)計(jì)算流動(dòng)站和基站的距離,選擇最優(yōu)CORS基站作為參考站進(jìn)行流動(dòng)站的差分[8]。單基站CORS系統(tǒng)與多基站CORS系統(tǒng)比較如表1所示。

表1 單基站CORS與多基站CORS比較

1.2 單基站CORS系統(tǒng)組成及工作方式

單基站CORS系統(tǒng)由GPS參考站(基準(zhǔn)站)、數(shù)據(jù)處理中心、通信模塊和流動(dòng)站四個(gè)部分組成?；鶞?zhǔn)站又包括GPS接收機(jī)、天線、避雷針、電源;數(shù)據(jù)中心進(jìn)行系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理,通信采用GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端模塊。流動(dòng)站則是通過無線通訊網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送服務(wù)請(qǐng)求,并將流動(dòng)站的概略位置回傳給數(shù)據(jù)中心。

單基站CORS系統(tǒng)工作方式只需要基準(zhǔn)站、流動(dòng)站接收機(jī)以及用于傳輸數(shù)據(jù)的網(wǎng)線。基準(zhǔn)站通過接收載波信號(hào)將其觀測(cè)值和測(cè)站信息一起傳送到數(shù)據(jù)控制中心,流動(dòng)站在接收載波信號(hào)的同時(shí)自身也采集GPS數(shù)據(jù),流動(dòng)站通過接收的載波信號(hào)在系統(tǒng)內(nèi)部形成差分觀測(cè)值然后進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,進(jìn)一步得到厘米級(jí)的定位結(jié)果[9]。單基站CORS系統(tǒng)工作方式如圖1所示。

1.3 單基站CORS選址

基準(zhǔn)站的選址需要考慮流動(dòng)站固定解的解算與基準(zhǔn)站的公共衛(wèi)星數(shù)的關(guān)系,視野必須開闊,在高度角15°以上的可視范圍內(nèi)沒有障礙物;要求不能有強(qiáng)磁場(chǎng);遠(yuǎn)離大面積水域,以防信號(hào)受到干擾;還要選擇交通便利且易于保存的地方。根據(jù)實(shí)際情況在礦區(qū)的辦公樓樓頂建立單基站CORS系統(tǒng)的基準(zhǔn)站,建成永久性觀測(cè)墩,如圖2所示。

2 單基站CORS-RTK在礦山測(cè)量的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

在淮南某礦區(qū)工作面有走向觀測(cè)線、傾向觀測(cè)線,同時(shí)布設(shè)控制點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)。由于地下煤礦開采會(huì)導(dǎo)致開采工作面上方村莊的下沉,故對(duì)其上方村莊同樣布設(shè)了6個(gè)控制點(diǎn)和23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。為了及時(shí)準(zhǔn)確地掌握煤礦的開采對(duì)村莊的影響并研究地表移動(dòng)變形規(guī)律以保護(hù)村民的安全,采用傳統(tǒng)全站儀和常規(guī)RTK測(cè)量已經(jīng)很難在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成點(diǎn)位布設(shè)任務(wù)和獲取地表沉降變化的規(guī)律,故需要在單基站CORS系統(tǒng)下進(jìn)行RTK點(diǎn)位放樣和采集信息,并結(jié)合Lecia水準(zhǔn)儀進(jìn)行三等水準(zhǔn)測(cè)量。

2.2 數(shù)據(jù)采集與處理

根據(jù)已知的控制點(diǎn)和礦區(qū)的實(shí)際建立單基站CORS控制網(wǎng),如圖3所示。采用北京54坐標(biāo)系作為平面坐標(biāo)系統(tǒng),采用1985國(guó)家高程基準(zhǔn)作為高程系統(tǒng)。按D級(jí)GPS網(wǎng)的要求,控制網(wǎng)中有四個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn),以單基站CORS為基準(zhǔn)站。使用5臺(tái)中海達(dá)三系統(tǒng)接收機(jī),要求靜態(tài)觀測(cè)時(shí)間不能少于一個(gè)小時(shí)且連續(xù)有效。應(yīng)用GPS定位所得坐標(biāo)都是在WGS-84大地坐標(biāo)系下的,而我國(guó)通常采用北京54坐標(biāo)系或西安80坐標(biāo)系這兩種參心坐標(biāo)系。通過中海達(dá)HGO靜態(tài)數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,平差后得到站點(diǎn)當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)。將礦區(qū)已有的控制點(diǎn)作為已知數(shù)據(jù),所建的單基站作為基準(zhǔn)站加上幾個(gè)內(nèi)插檢核點(diǎn),進(jìn)行誤差分析,平差后站點(diǎn)中誤差如表2所示。

站點(diǎn)名中誤差N/mm中誤差E/mm中誤差U/mm ML1911.12 ML250.70.81.4 ML310.912 ML3311.12.3 ML360.70.81.4 ML412.32.64.5 ML451.11.12.2 ML5811.12 ML600.91.11.9 ML620.91.11.9

對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)解算得到基線的點(diǎn)位精度均在4 mm及以下,相對(duì)誤差在0.3 ppm以下。平差后的站點(diǎn)中誤差也均在5 mm以下。通過網(wǎng)平差可得,基線最弱邊平差為1.61 mm,相對(duì)誤差為1/35 262,平面最弱點(diǎn)ML33中誤差為2.05 mm.χ2=62.2檢驗(yàn)通過?！禛PS測(cè)量規(guī)范》要求D級(jí)GPS網(wǎng)中誤差不小于20 mm,由表2可以看出平差后站點(diǎn)中誤差均符合要求?？刂凭W(wǎng)滿足設(shè)計(jì)要求。

控制網(wǎng)符合要求后進(jìn)行CORS-RTK的精度檢核,對(duì)礦區(qū)10個(gè)靜態(tài)觀測(cè)的GPS點(diǎn)進(jìn)行CORS-RTK測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過手簿求取,然后將手簿中10個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入EXCEL表格,對(duì)CORS-RTK測(cè)量的坐標(biāo)與靜態(tài)解算坐標(biāo)進(jìn)行比較。選取的10個(gè)靜態(tài)解算點(diǎn)坐標(biāo)、CORS-RTK測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)以及坐標(biāo)差值如表3所示。

表3 靜態(tài)解算點(diǎn)坐標(biāo)與CORS-RTK測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)對(duì)比

由表3可以看出，靜態(tài)解算的坐標(biāo)與CORS-RTK所測(cè)量的坐標(biāo)差值都在13 mm以下,精度滿足礦山測(cè)量的要求。

同時(shí)對(duì)CORS-RTK測(cè)量點(diǎn)的中誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì),分析結(jié)果如表4所示。

表4 單基站CORS-RTK測(cè)量點(diǎn)精度檢核表

由表4可見,各檢測(cè)點(diǎn)在X方向中誤差最大的為15 mm,最小的為5 mm,平均中誤差為9.3 mm;Y方向中誤差最大為11 mm,最小為6 mm,平均中誤差為7.9 mm;高程誤差最大的為30 mm,最小為16 mm,平均中誤差為22.5 mm.平面測(cè)量精度比較高。

為了獲取沉降變形規(guī)律,在單基站CORS系統(tǒng)下使用CORS-RTK進(jìn)行點(diǎn)位的放樣并對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)次測(cè)量,從測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)中選取兩個(gè)點(diǎn),平面點(diǎn)相差在2 mm以內(nèi)求取平均值作為最終測(cè)量結(jié)果。在采集過程中必須在固定解下測(cè)量,并確保PDOP<6.從RTK中導(dǎo)出所測(cè)的169個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù),將測(cè)量點(diǎn)的X中誤差和Y中誤差數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析,為了繪圖方便按觀測(cè)點(diǎn)號(hào)順序編號(hào),中誤差數(shù)據(jù)分布如圖4所示。通過計(jì)算后的點(diǎn)位中誤差如表5所示。

精度<15 mm15～30 mm30～50 mm>50 mm 點(diǎn)位中誤差個(gè)數(shù)1551400 比率/%91.7168.28400 高程中誤差個(gè)數(shù)4312231 比率/%25.44472.1891.7750.592

2.3 精度分析

從圖4可以看出,通過RTK測(cè)量所得的169個(gè)點(diǎn)X中誤差在5～22 mm之內(nèi),Y中誤差在4～22 mm之內(nèi)且在10 mm左右比較集中穩(wěn)定。從表5可以看出點(diǎn)位中誤差小于15 mm的占91.716%,在15～30 mm占8.284%.國(guó)家最新版 《工程測(cè)量規(guī)范》要求點(diǎn)位中誤差小于70 mm,故X方向中誤差和Y方向中誤差均在允許范圍內(nèi)。規(guī)范要求高程中誤差要低于30 mm,由表5看出有四個(gè)點(diǎn)的高程中誤差大于30 mm,故不滿足要求。因此在礦山沉降觀測(cè)時(shí)需要通過CORS-RTK點(diǎn)位放樣再結(jié)合電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行礦山高程測(cè)量。

3 結(jié)束語

單基站CORS系統(tǒng)在礦區(qū)的沉降觀測(cè)中有著重大意義。不僅減輕了外業(yè)測(cè)量的勞動(dòng)量,而且提高了工作效率。建立單基站CORS系統(tǒng)作業(yè)范圍相比于常規(guī)的RTK測(cè)量范圍更大,覆蓋面積能達(dá)到600～700 km2而且更精準(zhǔn),同時(shí)也減少了不少工作時(shí)間。本文的實(shí)例分析說明單基站CORS系統(tǒng)能夠提供較高的礦山測(cè)量精度,CORS-RTK測(cè)量中誤差能夠達(dá)到測(cè)量規(guī)范要求,平面精度能夠符合等級(jí)測(cè)量規(guī)范,因此單基站CORS系統(tǒng)能夠逐步替代傳統(tǒng)測(cè)量方法。由于單基站CORS系統(tǒng)通訊方式上為GPRS、CDMA方式,信號(hào)的強(qiáng)弱會(huì)對(duì)測(cè)量精度有影響。對(duì)于在高程方向的測(cè)量精度還不能達(dá)到要求,在礦山沉降觀測(cè)過程中還需進(jìn)一步研究。