GPS在矿山测量中的应用Word下载.docx
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摘要
GPS技术以其定位精度高、观测时间短、操作简便、点间无须通视和能够提供三维坐标等优点被广泛应用于公路、铁路、城区规划和军事测绘中，而煤矿则应用较少。
矿山测量是矿业开发过程中一项重要的基础性技术工作，而传统的平面控制测量方法普遍受地形条件、季节变化和障碍物的影响，存在内外业工作量大、战线时间长、点间需要通视等缺点。
在矿区采用GPS技术建立平面控制网，与传统的平面控制测量相比，不仅降低了外业观测强度和内业计算工作量，而且还提高了平面测量控制精度，为其他煤矿应用该项技术提供了很好的例证。
本文介绍了GPS系统的组成、工作原理，以及其测量的特点。
还介绍了矿区控制测量的特点，探讨了GPS数据的处理。
关键词：
GPS,矿区控制测量，应用
Abstract
GPStechnologywithhighprecision,shortobservationtime,simpleoperation,pointdidnotneedtheintervisibilityandcanprovidethree-dimensionalcoordinatemethodhasbeenwidelyusedinhighway,railway,cityplanningandmilitarysurveyingandmapping,andthemineislessapplication.Minesurveyingisanimportantbasicworkinminingprocess,andthecontrolplaneoftraditionalmeasurementmethodsgenerallyaffectedbytopography,seasonalchangesandobstaclesexistinsideandoutsidetheindustry,heavyworkload,longtime,frontbetweenneedtheintervisibility.IntheminingareausingGPStechnologytoestablishplanecontrolnetwork,comparedwiththetraditionalplanecontrolsurvey,notonlyreducesthefieldstrengthandtheinnercalculationworkload,butalsoimprovethelevelmeasurementandcontrolprecision,forothercoalprovidesagoodexampleoftheapplicationofthetechnology.
Thispaperintroducesthecomposition,workingprincipleofGPSsystem,anditsmeasurement.Thecontrolsurveyofminingareaareintroduced,discussedtheprocessingofGPSdata.
Keywords:
GPS,controlsurveyofminingarea,application
目录
引言
第一代测量型GPS接收机自1982年投入市场以来，GPS定位技术的定位速度快、费用省、操作简便、全天候、精度高等特点，就引起了广大测量工作者的极大兴趣。
GPS在研究基础应用、开拓应用领域、计算机软件和硬件开发等方面，都得到迅猛的发展，特别是在控制测量中的应用更为广泛。
相对于经典的测量技术GPS测量技术主要有如下优势：
1、首先，GPS定位精度高。
目前，在大于800km距离的基线上，静态相对定位精度可达到或优于10-8在小于50km的基线上，静态相对定位精度可达1~2×
10-6在100km~500km的基线上,静态相对定位精度可达10-6~10-7，而在大于800km距离的基线上，静态相对定位精度可达到或优于10-8。
2、GPS作业时观测站之间不需要通视。
既要保障测量控制网的良好几何结构，又要保持良好的通视条件，这是一直困扰经典测量技术的主要问题之一。
由于GPS测量中观测站之间不需要相互通视的条件，因而免去了建造觇标的麻烦。
这一优点可减少测量工作的经费和时间（一般造标费用约占总经费的30%~50%），又可以十分灵活地选择点位。
3、GPS数据处理结果能够提供三维坐标。
把平面坐标和高程分开观测与计算是GPS数据处理区别于经典测量技术的一个重要方面，GPS测量能精确测定测站平面位置的同时也能够测得其大地高程，即观测计算得到点位的三维坐标。
4、观测时间短,对于测区面积比较大的情况尤为显著。
目前，根据要求的精度和接收到的卫星数量多少不同，一般只需要40分钟到3小时的观测时间，可利用静态定位方法完成一条基线的相对定位。
对于短基线（小于20km），若采用快速相对定位方法，观测时间可缩短到几分钟。
更令人吃惊的是GPS测量的RTK测量技术己将观测时间缩短到几秒钟。
5、GPS能够全天候作业。
GPS观测工作一般不受天气状况的影响，即使下雨也能作业，并且可以在全球任意点位（要求GPS接收机天线上空开阔，以使GPS卫星的信号不受干扰）任何时间连续地进行测量。
6、GPS接收机轻巧、操作简便。
在GPS观测中测量员的主要任务只是安置GPS接收机天线、开关仪器、量取仪器高、监视仪器的工作状态（对高等级的控制测量还需采集气象数据），而其他的观测工作，如卫星的捕获、跟踪观测和记录等均由仪器自动完成，因此GPS测量的自动化程度很高。
GPS接收机体积小、重量轻，新出的GPS接收机主机，通常不到1.0kg，携带和搬运都非常方便。
1GPS静态测量
1.1GPS定位
GPS定位技术是以用户接收天线和GPS卫星之间的距离为基本观测量，根据导航电文中已知的卫星瞬时坐标，确定用户天线所在坐标系统中对应的位置，在一个测站上只需3个独立距离观测量，就可以确定该测站的位置，因此GPS定位技术的实质是采用了空间距离后方交会的方法。
通过测量GPS信号从卫星传播到用户接收机的时间差计算距离，采用时差测距是GPS测量的基本原理。
由于GPS信号在传播过程中的介质是大气，电离层和对流层对信号均有干扰存在大气延迟误差，加上卫星钟与用户接收机钟不同步，存在钟差，因此，通常观测得到测站至卫星间的距离称为伪距"
通过卫星导航电文提供的钟差参数可以修正卫星钟差，而接收机的钟差却难以预先准确确定,处理办法是可将其作为未知参数与观测站坐标在数据处理中一并解出。
故在一个测站上，除了三个待定位置参数外，还需要增加一个接收机钟差参数，因而至少需要4个同步伪距观测量才能够定位，即至少必须同步观测得到4颗GPS卫星信号。
1.2静态相对定位原理
静态相对定位是目前在GPS测量中定位精度最高的定位方法。
相对定位是用两台接收机分别安置在基线的两个测站上，并保持其位置静止不动，在相同时间段内同步观测相同的4颗或者以上的GPS卫星信号，通过相应的GPS数据处理软件来确定基线两端点在地心地固坐标系，即通常所说的WGS-84坐标系统中的相对位置。
这一过程采用基本观测量为载波相位观测量，由于载波波长较短，其测量精度远高于伪距测量精度，并且采用不同载波相位观测量的线性组合可以有效地削弱信号传播误差、卫星星历误差以及接收机钟不同步误差对定位的影响，但其数据处理过程相对于伪距观测量比较复杂，属于精密后处理方式。
GPS天线在一定时间内始终固定在基线两端点的测站上，可以保证有足够的载波相位观测数据准确确定整周未知数N。
用两台接收机或多台接收机分别安置在基线的两端的测站上，并同步观测至少4颗相同的GPS卫星信号，以确定（多条）基线端点在协议坐标系中的相对位置或基线向量。
在一个端点测站坐标已知的情况下可用基线向量来推求其他测站点的坐标。
其理论依据是在两个或者多个测站同步观测相同卫星的情况下，接收机钟差、卫星轨道误差、电离层和对流层的折射误差、以及卫星钟差，对载波相位观测量的影响具有一定的相关性。
利用这些观测量的不同组合（求差）进行相对定位，可有效的消除或减弱相关误差的影响，从而提高相对定位的精度。
GPS载波相位观测值可以在卫星之间求差，接收机之间求差，还可以在不同
历元间求差，各种求差法都是观测值的线性组合。
将观测值直接相减的过程叫做一次差，称作载波相位观测值的一次差或单差，所获得的结果被当作虚拟观测值。
常用的单差是载波相位观测值在接收机间求一次差。
如图1-1所示，假设测站1和测站2分别在ti和ti+1时刻对卫星p和卫星q进行了载波相位观测，ti时刻在测站1和测站2对p卫星的载波相位观测
值为
（ti）和
（ti），并对
和
（ti）求差，
得到接收机间（站间）对卫星p的一次差分观测值为：
式1-1
同样地,对于q卫星,其ti时刻站间一次差分观测值为
式1-2
对于另一时刻ti+1同样地可以列出类似的差分观测值。
站间一次差分可削弱电离层、对流层折射带来的大气延迟、消除卫星钟差，卫星星历误差等对观测值的影响。
对于载波相位观测值的一次差分观测值结果继续求差，所得结果仍然可以当作虚拟观测值叫做载波相位观测值二次差或双差。
一般在接收机间求一次差的结果基础上进行卫星间二次求差，叫做星间二次差分。
如：
在ti时刻对卫星p和q观测值的站间单差观测值
求差，得到卫星间二次差分的虚拟观测方程，如1-3式：
式1-3
同样地，在ti+1时刻，对p，q卫星的站间单差观测值求差也可以得到双差观测值。
由公式可看出，两颗卫星观测值方程在ti时刻均含有相同的接收机钟差
，卫星间求差后不存在钟差也就是说双差观测值可以消除与接收机有关的载波相位及其中误差项。
对二次差继续求差就得到历元间差分，也叫三次差"
历元间差分的到的观测值中可以消除与卫星和接收机有关的初始整周模糊度项N。
对于常用GPS静态数据解算软件,一般采用二次差分得到的虚拟观测方程为基础，结合最小二乘法解算平差的。
2GPS控制网的布设与施测
2.1测区介绍
本次GNSS控制测量测区位于迁安市西部首钢矿区大约90平方公里，主要以矿区和山区为主，分为：
杏山采区，大石河采区，菜园采区，二马采区，羊崖山采区，裴庄采区，柳河峪采区，水场采区等八个首钢矿区。
有公路和铁路均匀分布在各测区之间，交通便利，有利于施测。
本次GNSS控制测量主要用于后续1:
2000地形图测量。
2.2控制网的布设原则
GPS控制网布网设计，必须依甲方要求按GPS测量规范实施。
其设计的一般原则为：
（1）图形闭合。
即GPS控制网网一般应有足够的独立观测边构成闭合图形，以增强图形自身强度和增加平差检核条件，以提高观测质量，即必须有足够的闭合环。
（2）有必要的一定数量的点位重合，以方便由已知点推算待测点。
GPS网站点应与原有地面已知控制网点有足够的重合，并力求重合点在整个控制网中均匀分布，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。
网点还应与一定的水准点重合，或在网中布设一定密度的水准点，以便为大地水准面的计算和研究提供资料和参考。
（3）视野开阔。
GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方，一般确保测站点仰角150以上区域周围无明显的遮挡物。
若需用此点按常规方法联测或扩展控制网时，应注意满足网点之间间通视的通视条件。
2.3GPS网的基本精度要求
本工程的GPS控制测量是用做山区矿山测图之用，甲方要求精度达到D级别，考虑到本工程项目的精度需要及所采用仪器设备、技术条件等影响实际精度的多种因素，GPS平面网的精度指标按《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）中GPSD级网相邻点间距离的标准差指标要求确定。
因此依照GPS测量规范将本次GPS测量作业的基本技术要求如下（表2-1）：
控制网级别
卫星截止高度角
同时观测有效卫星数
观测时段
时段长度
（双频）
采样间隔
（静态）
固定误差
a（mm）
比例误差
b（ppm*D）
D
13-20
≥15度
≥1.6
≥45
分钟
10-60s
≤10
≤10-20
表2-1GPS测量基本技术表
GPS网相邻点间弦长精度用下式计算
式2-1
σ-------GPS基线向量的弦长中误差（也称作等效距离误差，单位为毫米）；
a--------固定误差（接收机标称精度，单位是毫米）；
b--------比例误差系数（接收机标称精度，单位是毫米）；
d--------网中相邻站点间的距离（单位为公里）；
2.4选点
由于GPS测量观测点之间不要求相互通视，而且网形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。
但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着至关重要的意义，因此在选点之前，除了收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点的分布及保存情况外，我们还遵守和顾及以下原则：
（1）点位都设在易于安装架设接收机，视野开阔的较高点上；
（2）点位目标显著，其周围15度以上没有大面积的障碍物，以减少GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；
（3）测区有许多通向矿区的高压线路和市电线路，由于高压线路等产生的电磁场会干扰GPS信号，所以我们选点都在离其约50到100m以外的地方；
（4）沿着测区（矿区周围）的公路，或采矿专线，交通比较方便，在这矿区里面有利于GPS测量的布点和实施；
（5）已知点是由迁安国土资源局提供的导线点，踏勘过后，其稳定性，完好性都较好，符合要求可用；
（6）由于测区为矩形，布设出的网形有利于同步观测边，同步观测点的联结。
2.5施测
由上面可知，尽管各个待测点布设在交通较方便的公路周围，且均匀覆盖测区，但测区范围较大，到达点位仍需在路上要花费许多时间。
为了提高作业效率，
本次采用五台GPS接收机，测量人员五个，一辆面包车沿着公路依次架站，每一时段结束后，保持其中两台或一台接收机不动,其他台站接收机装车，到接下来的待测点上观测，依次类推，从最北边的S104到最南边的NYM点结束。
本项目具体的方案如下：
（1）本次工程采用中海达HD8200E一体化蓝牙静态GPS接收机，其主要指标如下表
平面精度
垂直精度
作用距离
历元间隔
卫星高度角
首次捕获时间
主机功耗
兼容性
（5mm+1ppm）
（10mm+2ppm）
≤50km
1秒-999秒可调
0o-60o可调
≤60s
700mW
单、双频基线混合解算
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