電子職稱論文GPS技術(shù)在近井點(diǎn)的應(yīng)用

　　摘要：近井點(diǎn)作為礦井聯(lián)系測(cè)量的基準(zhǔn)，一般對(duì)點(diǎn)位的精度要求較高，GPS技術(shù)有著全天候、自動(dòng)化、選點(diǎn)靈活、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位置與速率等優(yōu)點(diǎn)，主要介紹了采用GPS技術(shù)建立近井點(diǎn)的方法，并結(jié)合某礦區(qū)工程實(shí)踐，詳細(xì)介紹了近井點(diǎn)的建立、外業(yè)觀測(cè)以及內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的理論與方法等內(nèi)容，并結(jié)合單參考站CORS系統(tǒng)進(jìn)行了RTK測(cè)量試驗(yàn)。結(jié)果表明，外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量合格，平差處理與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換模型可靠，采用E級(jí)GPS網(wǎng)建立近井點(diǎn)，精度可靠，而RTK方法僅適用于建立平面近井點(diǎn)，高程基點(diǎn)的精度有待于進(jìn)一步提高。

　　關(guān)鍵詞：GPS,近井點(diǎn),坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,高程擬合,CORS

　　1 前 言

　　在礦山工程中，為了使井下坐標(biāo)系統(tǒng)與地面相統(tǒng)一，通常在井口附近建立近井點(diǎn)，然后采用井上下聯(lián)系測(cè)量的方法，以地面近井點(diǎn)為基礎(chǔ)，將地面坐標(biāo)和高程傳遞至井下[1]。而作為起算數(shù)據(jù)的近井點(diǎn)精度要求相對(duì)較高，根據(jù)《煤礦測(cè)量規(guī)程》，近井點(diǎn)的精度，對(duì)于測(cè)設(shè)它的起算點(diǎn)來(lái)說(shuō)，其點(diǎn)位中誤差不得超過(guò)±7 cm，后視邊方位角中誤差不得超過(guò)±10″;高程精度一般不低于四等水準(zhǔn)的精度[2]。

　　近井點(diǎn)的測(cè)量，平面測(cè)量一般可采用三角網(wǎng)或者導(dǎo)線測(cè)量的方法，高程測(cè)量一般采用水準(zhǔn)方法;三角網(wǎng)對(duì)通視條件要求較高，導(dǎo)線測(cè)量則需多個(gè)測(cè)站才能將坐標(biāo)傳遞到井口。GPS技術(shù)具有全天候、自動(dòng)化、選點(diǎn)靈活、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三維位置與速率等優(yōu)點(diǎn)，伴隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，GPS已在高精度大地測(cè)量、變形監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[3]，這就為近井點(diǎn)測(cè)量提供了一種全新的技術(shù)手段，而基于RTK技術(shù)的單參考站CORS系統(tǒng)是GPS技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)里程碑。

　　本文主要介紹了采用靜態(tài)GPS技術(shù)建立近井點(diǎn)的技術(shù)要求、外業(yè)數(shù)據(jù)采集與質(zhì)量檢核、內(nèi)業(yè)平差與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換原理，并通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了其精度，并采用礦區(qū)單參考站CORS系統(tǒng)進(jìn)行了RTK近井點(diǎn)測(cè)量的試驗(yàn)研究。

　　2 采用GPS技術(shù)建立近井點(diǎn)的技術(shù)要求

　　2.1點(diǎn)位的要求

　　近井點(diǎn)是礦山測(cè)量的基準(zhǔn)點(diǎn)，因此，在建立近井點(diǎn)時(shí)，應(yīng)盡可能埋設(shè)在便于觀測(cè)、保存和不受開(kāi)采影響的地點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)系測(cè)量，而GPS測(cè)量一般要求地面有一點(diǎn)的高度角且不受電磁干擾。采用GPS技術(shù)建立近井點(diǎn)，一般應(yīng)滿足以下條件[4]：

　　1)點(diǎn)位應(yīng)埋設(shè)于井口附近便于保存和不受開(kāi)采影響的穩(wěn)定區(qū)域;

　　2)點(diǎn)位周圍便于安置天線和GPS接收機(jī)，視野開(kāi)闊，視場(chǎng)周圍障礙物的高度角一般應(yīng)小于15°;

　　3)應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無(wú)電線發(fā)射源及有電磁波反射強(qiáng)烈的物體，以減弱多路徑效應(yīng)的影響;

　　4)點(diǎn)位應(yīng)考慮便于用其他測(cè)量手段的聯(lián)測(cè)和擴(kuò)展;

　　5)多井口礦井的近井點(diǎn)應(yīng)統(tǒng)一合理布置;

　　6)尤其要注意大功率礦井設(shè)備對(duì)GPS信號(hào)的影響。

　　2.2 技術(shù)指標(biāo)

　　GPS測(cè)量可分為靜態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)測(cè)量、動(dòng)態(tài)測(cè)量等幾種方法，鑒于近井點(diǎn)的精度要求，一般采用靜態(tài)GPS觀測(cè)的方法進(jìn)行。

　　根據(jù)《全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范(GB/T 18314-2009)》以及《煤礦測(cè)量規(guī)程》的要求，建議采用E級(jí)以上精度進(jìn)行， E級(jí)網(wǎng)觀測(cè)的技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

　　3 采用靜態(tài)GPS網(wǎng)建立近井點(diǎn)

　　3.1 工程概況

　　河北省某礦區(qū)為實(shí)現(xiàn)資源整合，欲在地面兩獨(dú)立礦井的副井(分別記為井A、井B)井口建立統(tǒng)一的近井點(diǎn)，以便實(shí)現(xiàn)井上下聯(lián)測(cè)測(cè)量，為下一步兩井貫通服務(wù)。兩井均為立井開(kāi)拓，礦井之間距離3.4km。礦區(qū)范圍內(nèi)有大地測(cè)量控制網(wǎng)，經(jīng)實(shí)地勘測(cè)，選取兩礦井附近的三個(gè)三等三角點(diǎn)(C1、C2、C3)作為起算數(shù)據(jù)，分別在井A和井B的井口附近布設(shè)了A1、A2、B1、B2、B35個(gè)近井點(diǎn)，如圖1所示。

　　3.2 外業(yè)觀測(cè)

　　本次外業(yè)觀測(cè)采用上海華測(cè)X90型GPS接收機(jī)4臺(tái)，觀測(cè)3個(gè)時(shí)段。結(jié)合測(cè)區(qū)的交通條件、GPS網(wǎng)的設(shè)計(jì)網(wǎng)形及測(cè)站位置，制定觀測(cè)計(jì)劃，接收機(jī)調(diào)度方案見(jiàn)表2。其中，為避免同一礦井的近井點(diǎn)之間的短基線對(duì)整個(gè)控制網(wǎng)的影響，兩者之間未進(jìn)行同步觀測(cè)。

　　在外業(yè)觀測(cè)過(guò)程中應(yīng)注意的問(wèn)題有：

　　1)觀測(cè)組按照調(diào)度表規(guī)定時(shí)間作業(yè)，保證同步觀測(cè);

　　2)開(kāi)機(jī)前后各量取天線高一測(cè)回，每測(cè)回從不同部位量取三次，兩測(cè)回天線高之差不大于3mm;天線高的量取部位，在作業(yè)前統(tǒng)一規(guī)定，并在記錄薄中詳細(xì)記錄;

　　3)在作業(yè)過(guò)程中，要認(rèn)真輸入測(cè)站名，觀測(cè)日期，時(shí)段號(hào)，開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間以及天線高等信息;

　　4)一個(gè)時(shí)段觀測(cè)中，不得關(guān)機(jī)又重新啟動(dòng)、自測(cè)試、改變衛(wèi)星高度角及數(shù)據(jù)采樣間隔、改變天線位置，關(guān)閉或刪除文件等;

　　5)原始觀測(cè)值和記錄項(xiàng)目，按規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)記錄，字跡清楚，不得涂改、轉(zhuǎn)抄。

　　3.3 基線向量解算

　　本控制網(wǎng)采用隨機(jī)軟件Compass 7.2進(jìn)行解算，在解算過(guò)程中，應(yīng)注意以下事項(xiàng)：

　　1)基線向量的解算是一個(gè)復(fù)雜的計(jì)算過(guò)程。實(shí)際處理時(shí)要顧及時(shí)段中信號(hào)中斷引起的數(shù)據(jù)剔除、劣質(zhì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)現(xiàn)和剔除、星座變化引起的整周未知參數(shù)的增加，進(jìn)一步消除傳播延遲改正以及接收機(jī)鐘差重新評(píng)估等問(wèn)題。

　　2)對(duì)于20km以內(nèi)的短基線，單頻數(shù)據(jù)通過(guò)差分處理可有效地消除電離層影響，從而確保相對(duì)定位結(jié)果的精度。當(dāng)基線長(zhǎng)度增長(zhǎng)時(shí)，雙頻接收機(jī)消除電離層的影響將明顯優(yōu)于單頻接收機(jī)數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

　　3)基線向量的解算是否合格，應(yīng)從兩個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。第一，合格的數(shù)據(jù)是否執(zhí)行了合理的估計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)能否滿足的主要標(biāo)志是基線分量誤差的大小，若該值大于對(duì)測(cè)站坐標(biāo)進(jìn)行的先驗(yàn)約束值，則會(huì)發(fā)現(xiàn)大量的觀測(cè)值被剔除掉。第二，數(shù)據(jù)模型與噪聲水平是否適應(yīng)。該標(biāo)準(zhǔn)能否滿足的主要標(biāo)志是解的正態(tài)中誤差nrms。如果數(shù)據(jù)是隨機(jī)分布且定權(quán)正確，則nrms應(yīng)接近于單位權(quán)中誤差。實(shí)際上，一個(gè)好解的nrms通常約為0.25。當(dāng)nrms大于0.5時(shí)，則意味著周跳未完全剔除，或者還有其它參數(shù)要估計(jì)，或者存在嚴(yán)重的模型問(wèn)題(如固定站坐標(biāo)較差，或衛(wèi)星未模型化等)。若最終結(jié)果滿足這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，則說(shuō)明結(jié)算結(jié)果是合格的。

　　本控制網(wǎng)經(jīng)過(guò)基線解算，總共解算出有效基線18條，能夠滿足下一步平差處理的需要。

　　3.4 外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量檢核與平差處理

　　觀測(cè)成果的外業(yè)檢核，是確保外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)預(yù)期定位精度的重要環(huán)節(jié)。外業(yè)觀測(cè)成果的質(zhì)量檢核項(xiàng)目，主要有同步邊觀測(cè)數(shù)據(jù)的檢核、重復(fù)觀測(cè)邊的檢核、同步環(huán)閉合差的檢核和異步環(huán)閉合差的檢核四項(xiàng)。表3給出了各項(xiàng)檢核的精度統(tǒng)計(jì)情況。

　　外業(yè)觀測(cè)成果的檢核，只能檢核觀測(cè)值中是否含有大量的粗差，而觀測(cè)值中小的粗差以及GPS網(wǎng)本身的精度和可靠性如何，還需要通過(guò)GPS網(wǎng)的空間無(wú)約束平差來(lái)實(shí)現(xiàn)。所謂GPS網(wǎng)的空間無(wú)約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標(biāo)系下進(jìn)行，平差時(shí)不引入可能使GPS網(wǎng)產(chǎn)生由非觀測(cè)量所引起的變形的外部約束條件。

　　由表中可知，同步邊最大相對(duì)中誤差為0.74 ppm，同步環(huán)最大相對(duì)閉合差為0.33 ppm，異步環(huán)最大相對(duì)閉合差為0.76 ppm;經(jīng)三維空間無(wú)約束平差后，最大點(diǎn)位中誤差為0.0017 m(B2)，優(yōu)于《規(guī)范》中E級(jí)網(wǎng)的要求。

　　3.5 坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換與高程擬合

　　為將GPS測(cè)量成果轉(zhuǎn)換為地方參考系下的實(shí)用坐標(biāo)和高程，必須進(jìn)行坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換。以C1、C2、C3三個(gè)聯(lián)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，平面坐標(biāo)轉(zhuǎn)換采用四參數(shù)模型，由于礦區(qū)地表起伏較大，高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換采用二次曲面模型。

　　平面坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的四參數(shù)模型如下[6]：式中，為基準(zhǔn)點(diǎn)的WGS-84坐標(biāo)高斯投影后的坐標(biāo)，為基準(zhǔn)點(diǎn)在參考坐標(biāo)系中的平面坐標(biāo)為平移參數(shù);k為尺度比;ω為旋轉(zhuǎn)角，單位為弧度。

　　高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的二次曲面模型如下[7]：式中，a、b、c、d、e、g、m、n、l、s為未知參數(shù)，x、y為GPS點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到地方參考系中的平面坐標(biāo)。

　　4 單參考站CORS系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)研究

　　根據(jù)《全球定位系統(tǒng)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)測(cè)量技術(shù)規(guī)范(試行)》， RTK測(cè)量可滿足平面一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)平面控制測(cè)量和五等高程控制測(cè)量。為了研究采用RTK技術(shù)進(jìn)行近井點(diǎn)測(cè)量的可行性，采用礦區(qū)獨(dú)立單參考站CORS系統(tǒng)對(duì)5個(gè)近井點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)試，該CORS系統(tǒng)參考站建立在B礦井的工業(yè)廣場(chǎng)，覆蓋范圍為半徑15 km的礦區(qū)范圍。為保證測(cè)量精度，外業(yè)觀測(cè)時(shí)，用戶流動(dòng)站采用簡(jiǎn)易三角支架將測(cè)桿強(qiáng)制對(duì)中，每點(diǎn)觀測(cè)1min。表6給出了各近井點(diǎn)與靜態(tài)測(cè)量結(jié)果的較差統(tǒng)計(jì)情況。

　　從表6可以看出，采用CORS系統(tǒng)進(jìn)行近井點(diǎn)的測(cè)量，與靜態(tài)方法相比，最大平面較差為0.036 m，仍能滿足《規(guī)程》規(guī)定的近井點(diǎn)的平面精度要求，而高程較差為0.061 m，高程精度超出了《規(guī)程》規(guī)定中對(duì)井口高程基點(diǎn)的要求。

　　5 結(jié)論與建議

　　1)GPS技術(shù)有著操作簡(jiǎn)便、高效率、高精度等技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，采用GPS技術(shù)進(jìn)行礦井近井點(diǎn)的測(cè)量，大大提高了作業(yè)效率，為礦山建立近井點(diǎn)提供了一種有效的技術(shù)手段;

　　2)采用RTK技術(shù)建立近井點(diǎn)，平面精度較好，可以滿足規(guī)范規(guī)定的技術(shù)要求;而高程精度有待于進(jìn)一步提高，若適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，或采用精密高程擬合模型，仍是可行的，有待于進(jìn)一步的研究;

　　3)結(jié)合GPS觀測(cè)的特點(diǎn)以及近井點(diǎn)的要求，在建立近井點(diǎn)時(shí)，必須考慮井筒周圍的觀測(cè)環(huán)境是否適合GPS觀測(cè)。

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