基于BDS-3衛(wèi)星導航技術的礦山動態(tài)監(jiān)測應用

尹智慧 鐘東升 林 樺

(安徽理工大學空間信息與測繪工程學院,安徽 淮南232001)

1 概述

我國礦產(chǎn)資源豐富,現(xiàn)有礦產(chǎn)儲藏種類多達數(shù)百種。近年來,隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,對于礦產(chǎn)資源的需求急劇增加,礦山開采愈加頻繁。礦山的開采一方面為國民的經(jīng)濟發(fā)展提供了保障,但另一方面對周圍的生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。所以對開采后的礦山進行動態(tài)變形監(jiān)測是非常必要的,礦山變形監(jiān)測主要表現(xiàn)為:地表移動變形監(jiān)測、尾礦庫變形監(jiān)測等[1]。傳統(tǒng)變形監(jiān)測主要有水準儀、全站儀等,其缺點主要為:出錯率高；不能對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行實時處理；不能對礦區(qū)的變形進行實時監(jiān)測與預警；需要大量的人力財力。為解決上述傳統(tǒng)變形監(jiān)測的缺點,將BDS-3衛(wèi)星導航、數(shù)據(jù)分析與通信等技術相結(jié)合,為礦山提供高精度、實時、連續(xù)、可靠的變形監(jiān)測服務,為保障礦區(qū)生產(chǎn)安全,提高生產(chǎn)效益發(fā)揮重要作用,從而進一步推動我國衛(wèi)星導航產(chǎn)業(yè)和服務創(chuàng)新發(fā)展。

2 研究現(xiàn)狀

過度開采礦產(chǎn)資源造成的地質(zhì)災害大多具有隱蔽性的特點,采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測方法已經(jīng)難以發(fā)現(xiàn)此災害。隨著現(xiàn)代測繪技術的快速發(fā)展,各種各樣的監(jiān)測技術層出不窮,如雷達遙感、無人機遙感、遠距離三維激光掃描、無人機傾斜攝影、激光雷達、全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)等,均已應用于礦山變形監(jiān)測。但是對于不同的監(jiān)測方法,既有各自的優(yōu)點,也有其局限性。如:雷達遙感技術具有面積大、精度高、成本低、可全天候進行監(jiān)測等優(yōu)點,但受噪聲、數(shù)據(jù)獲取的時間間隔、地表植被的覆蓋程度以及最大形變的梯度等因素影響,從而在獲取由于過度采礦導致的塌陷區(qū)的信息存在一定的局限性；無人機遙感技術具有實時獲取遙感影像、影像空間分辨率高[2]、對不良天氣可以有效進行避開等優(yōu)點,但容易受到氣流以及航高、航時的限制,監(jiān)測范圍有限；遠距離三維激光掃描具有數(shù)據(jù)處理的精度高、速度快等優(yōu)點,但存在監(jiān)測死角,只能監(jiān)測到大部分礦區(qū)；無人機傾斜攝影測量技術具有速度快、精度高、監(jiān)測的范圍大等優(yōu)點,但不論是對于多旋翼無人機還是復合翼無人機[3],都對高位細小地區(qū)的三維重新建模效果不好以及對礦區(qū)地面變形較小地區(qū),無人機無法監(jiān)測到；激光雷達具有掃描速度快、精度高、穿透性強、實時性等特點[4],但其對設備的要求高以及不能獲取污染土壤的污染元素的局限性；全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)(GNSS)具有高精度、速度快、可以進行連續(xù)實時的動態(tài)監(jiān)測,但對于深坑的環(huán)境容易出現(xiàn)信號中斷以及多路徑效益嚴重[5]。由于對礦區(qū)的動態(tài)監(jiān)測的影響因素眾多,針對以上的研究與不足,提出將BDS-3衛(wèi)星導航技術應用于礦山變形動態(tài)監(jiān)測。

3 BDS-3 衛(wèi)星導航技術定位原理

3.1 BDS-3偽距單點定位原理

BDS-3偽距單點定位的觀測方程為:

3.2 BDS-3精密單點定位原理

BDS-3精密單點定位的觀測方程為:

其中,N0為整周模糊度,λ 為波長。

4 BDS-3 衛(wèi)星導航技術在礦山動態(tài)監(jiān)測中的應用研究

4.1 BDS-3衛(wèi)星導航技術在礦山動態(tài)監(jiān)測應用中的可行性分析

對礦山變形監(jiān)測系統(tǒng)的實際要求主要為:監(jiān)測結(jié)果具有較高的精度,變形監(jiān)測的各項指標基本都需要達到毫米級甚至亞毫米級的精度;能實時獲取動態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù),可以反映礦山地表連續(xù)的形變特征；受監(jiān)測環(huán)境的影響小,能進行全天候變形監(jiān)測,減少外部環(huán)境對監(jiān)測結(jié)果的影響；能獲取豐富的監(jiān)測數(shù)據(jù),所獲的數(shù)據(jù)能涵蓋礦山地表形變的全部信息。

針對以上礦區(qū)監(jiān)測的要求,對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在礦山變形監(jiān)測應用的可行性進行分析。

4.1.1 BDS-3的MEO衛(wèi)星新增加了B1C、B2a兩個新頻點,BDS-3衛(wèi)星仍繼續(xù)播發(fā)B1I、B3I信號,此外BDS-3新增加兩個頻點(B1C、B2a),如表1所示,新頻點的增加使得地面上的接收機可以接受到更多BDS-3衛(wèi)星的信號,增強衛(wèi)星在空間中的幾何分布(即空間幾何構(gòu)型)和提高衛(wèi)星定位的精度和可靠性,進而提高礦山變形監(jiān)測的精度。文獻[7]分析了基于新頻點B1C、B2a的雙頻單點定位精度,表明BDS-3新信號在東、北、天三個方向的精度都可以達到分米級；文獻[8]研究發(fā)現(xiàn)BDS-3的12顆MEO衛(wèi)星的工作性能相當；文獻[9]研究發(fā)現(xiàn)BDS-3數(shù)據(jù)的飽和度以及連續(xù)性方面優(yōu)于GPS。

表1 BDS-3全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)信號信息

4.1.2 BDS-3可以采用多頻相位模糊度解算(MCAR),整周模糊度的解算是進行精密定位的重要前提條件,在實時精密定位中,整周模糊度的快速可靠固定非常重要。目前對模糊度的快速可靠固定的方法有三頻相位模糊度固定(TCAR)法、四頻相位模糊度固定(FCAR)法等,而對于MCAR的研究較少。文獻[10]通過對五頻BDS-3數(shù)據(jù)進行試驗,得出MCAR可以有效的進行單歷元的模糊度固定,并且隨著頻率數(shù)量的增加可以顯著的提高模糊度固定的成功率,進而提高精密單點定位的精度。

4.1.3 BDS-3接收機可采用分段Hermite插值方法,來減少衛(wèi)星位置和速度的運算時間。文獻[11]研究了牛頓插值多項式算法與三階的Hermite之間的復雜度對比；文獻[12]對幾種常見的插值算法進行比較。以上研究皆是基于GPS或者BDS-2系統(tǒng)進行的,而對于BDS-3的多項式插值研究較少；文獻[13]研究了將Hermite插值應用于BDS-3,并提出了一種基于衛(wèi)星的位置和速度分別進行插值的分段三次Hermite方法,通過試驗證明基于衛(wèi)星位置和速度分別進行插值的分段三次Hermite方法耗時相對減少。

4.2 BDS-3衛(wèi)星導航技術在礦山動態(tài)監(jiān)測中的局限性

北斗三號衛(wèi)星導航系統(tǒng)作為一種前沿的全球定位技術,具有許多優(yōu)點,但同時在礦山動態(tài)監(jiān)測中也具有一定的局限性:BDS-3平均可見衛(wèi)星數(shù)隨高度角的變化呈逐漸減少的趨勢,BDS-3的4個頻率定位精度大致呈現(xiàn)降低趨勢。文獻[14]研究結(jié)果表示高度角每增加10°,BDS-3平均可見衛(wèi)星數(shù)減少1顆,當高度角為40°時,平均可見衛(wèi)星數(shù)為6顆,BDS-3的4個頻率的定位精度較差,當高度角為20°時,4個頻率的定位精度最高；BDS-3的MEO衛(wèi)星新增的B1C頻點多路徑誤差較大,周跳現(xiàn)象嚴重,從而在進行B1C/B2a雙頻組合進行定位時,定位的精度較差。文獻[15]通過對BDS-3的B1I/B3I舊頻點和B1C/B2a新頻點是雙頻精密定位和雙頻偽距定位進行研究,得出BDS-3新頻點B1C的多路徑誤差較大,且周跳現(xiàn)象嚴重。

5 結(jié)論

5.1 本文針對目前礦山動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)中存在的問題,如雷達遙感、無人機遙感、遠距離三維激光掃描、無人機傾斜攝影、激光雷達等現(xiàn)代測繪技術所存在的局限性,以及礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測對測量技術的要求,分析了北斗系統(tǒng)應用于礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測的可行性,最后討論了北斗系統(tǒng)存在的局限性。

5.2 對BDS-3技術應用于礦區(qū)動態(tài)監(jiān)測的可行性進行分析,得出應用BDS-3具有的優(yōu)勢主要有:BDS-3的MEO衛(wèi)星新增加了B1C、B2a兩個新頻點；BDS-3可以采用多頻相位模糊度解算(MCAR)；BDS-3接收機可采用分段Hermite插值方法。從而可以提高礦區(qū)變形監(jiān)測的精度和礦山監(jiān)測的自動化程度等,為推進綠色礦山建設、礦山標準化管理提供保障。

5.3 基于BDS-3技術的礦山動態(tài)監(jiān)測給礦山測量帶來了重要的技術革新,方便了監(jiān)測工作者的日常工作,隨著BDS-3衛(wèi)星導航系統(tǒng)的不斷完善,必將給礦山動態(tài)監(jiān)測帶來更大的便利,其在礦山變形監(jiān)測中的應用領域?qū)⒏鼮閺V泛。