ＧＰＳ與高程測(cè)量在建立礦區(qū)控制網(wǎng)中的應(yīng)用

張黨孝

[摘要]主要論述GPS及高程測(cè)量在提高控制網(wǎng)精度及其可靠性問題的探討，分析影響測(cè)量精度的主要因素，以及提高GPS測(cè)量的方法與措施。

[關(guān)鍵詞]GPS高程測(cè)量礦區(qū)控制網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN96文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7597(2009)0610089-01

為了滿足地質(zhì)勘查、煤礦安全生產(chǎn)、礦井建設(shè)的需要，充分發(fā)揮GPS測(cè)量?jī)?yōu)勢(shì)，建立GPSD級(jí)網(wǎng)，極大的提高點(diǎn)位精度和作業(yè)效率，為礦區(qū)發(fā)展規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工等生產(chǎn)建設(shè)提供準(zhǔn)確科學(xué)的測(cè)繪依據(jù)。測(cè)繪項(xiàng)目方案設(shè)計(jì)原則，符合國(guó)家現(xiàn)行的技術(shù)政策、規(guī)程、規(guī)范、圖式標(biāo)準(zhǔn)，能滿足礦區(qū)開發(fā)、建設(shè)及今后安全生產(chǎn)的需要，提高了經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

一、GPS高程測(cè)量原理

(一)高程系統(tǒng)

1．大地高程系統(tǒng)。大地高是由地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球面法線到橢球面的距離，以H84表示。利用GPS定位技術(shù)，可以直接測(cè)定測(cè)點(diǎn)在WGS-84中的大地高程。大地高是一個(gè)幾何量，不具有物理上的意義。它通過與水準(zhǔn)測(cè)量資料、重力測(cè)量資料等相結(jié)合，來確定測(cè)點(diǎn)的正常高，具有重要的意義。

2．正高系統(tǒng)。由地面點(diǎn)并沿該點(diǎn)的鉛垂線至大地水準(zhǔn)面的距離稱為正高，以Hg表示。正高具有重要的物理意義，但不能精確測(cè)定。

3．正常高系統(tǒng)。正常高系統(tǒng)是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)面的高程系統(tǒng)，通常以HY表示。具有重要的物理意義，并廣泛應(yīng)用于工程建設(shè)中，而且可以精密地確定。

(二)GPS水準(zhǔn)高程

所謂GPS水準(zhǔn)就是在小區(qū)域的GPS網(wǎng)中，用水準(zhǔn)測(cè)量的方法聯(lián)測(cè)網(wǎng)中若干GPS點(diǎn)的正常高(這些聯(lián)測(cè)點(diǎn)稱為公共點(diǎn))，那么根據(jù)各GPS點(diǎn)的大地高就可求得各公共點(diǎn)上的高程異常。然后由公共點(diǎn)的平面坐標(biāo)和高程異常采用數(shù)值擬合計(jì)算方法，擬合出區(qū)域的似大地水準(zhǔn)面，即可求出各點(diǎn)高程異常值，并由此求出各GPS點(diǎn)的正常高。

(三)確定正常高的GPS高程法多項(xiàng)式曲面擬合法

在實(shí)際運(yùn)用中，主要采用多項(xiàng)式曲面擬合法來確定似大地水準(zhǔn)面。GPS觀測(cè)后通過平差處理，可精確的得到地面點(diǎn)的平面坐標(biāo)和大地高。大地高是以橢球面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)的成果，高程系統(tǒng)的定義為由地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球面法線到橢球面的距離。但是，目前常用的水準(zhǔn)測(cè)量成果是以似大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)中的成果，所以，在實(shí)際工程中一般不采用大地高系統(tǒng)，而是采用正常高系統(tǒng)，其關(guān)系為HY=1184-ζ。

二、GPS技術(shù)在礦區(qū)控制網(wǎng)中的應(yīng)用

(一)選點(diǎn)

本測(cè)區(qū)共選GPSD級(jí)控制點(diǎn)共30個(gè)，其中觀測(cè)點(diǎn)3個(gè)，埋石點(diǎn)27個(gè)。點(diǎn)與點(diǎn)間不通視，2～5km埋設(shè)一對(duì)點(diǎn)。GPS網(wǎng)觀測(cè)采用邊連式。點(diǎn)選在點(diǎn)位基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于保存、有利于擴(kuò)展利用的地方，便于控制點(diǎn)的長(zhǎng)期保存。

1．點(diǎn)位選擇考慮通視方向：

2．點(diǎn)位的基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)定，易于長(zhǎng)期保存，便于安全作業(yè)：

3．點(diǎn)位符合GPS觀測(cè)條件，視野應(yīng)開闊，遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源(如電視臺(tái)、微波站等)，其距離不小于200m，距離高壓線距離不小于50m。

選點(diǎn)結(jié)束后，按要求埋設(shè)標(biāo)石并填寫點(diǎn)之記。

(二)觀測(cè)

野外數(shù)據(jù)采集，共安排GPS接收機(jī)7臺(tái)，其中Trimble4600LS5臺(tái)，Trimble58002臺(tái)，精度為：5mm+1ppm，聯(lián)測(cè)用靜態(tài)定位作業(yè)模式進(jìn)行，采用網(wǎng)連式布網(wǎng)進(jìn)行野外數(shù)據(jù)采集，每個(gè)時(shí)段銜接點(diǎn)位為3個(gè)，構(gòu)網(wǎng)強(qiáng)度較優(yōu)。

(三)GPS測(cè)量的數(shù)據(jù)處理

1．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理及質(zhì)量分析。基線處理軟件采用美國(guó)天寶公司所研制的隨機(jī)軟件Geomaticoffice1.62，上述軟件是目前比較成熟的GPS隨機(jī)解算軟件。

影響GPS基線解算質(zhì)量的因素較多也較為復(fù)雜，如衛(wèi)星的周跳、星歷誤差、對(duì)流層及電離層影響，其它觀測(cè)條件不好，如測(cè)站附近有微波、無線電等干擾源，或被建筑物、樹陰等遮擋，所觀測(cè)到的衛(wèi)星星座的圖形結(jié)構(gòu)較差，不明因素的影響使衛(wèi)星信號(hào)不正常，同步觀測(cè)時(shí)間太短等都會(huì)影響基線解算。只要方差比(Ratio)≥1.5，則認(rèn)為基線就有雙差固定解，否則為浮動(dòng)解(Float)，該值越大說明基線質(zhì)量越可靠，對(duì)于參考方差則數(shù)值越小越好。

2．平差計(jì)算及精度分析。GPS網(wǎng)平差計(jì)算使用軟件為美國(guó)天寶公司所研制的隨機(jī)軟件Geomaticofficel.61和武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制的PowerADJ4.0(該軟件已通過部級(jí)鑒定)。

三、保證GPS控制測(cè)量的精度的措施

(一)選擇合適的站址

雖然GPS觀測(cè)站之間可不必相互通視，但同樣應(yīng)注意正確選擇測(cè)站點(diǎn)的位置。在觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量較高的情況下，基線自動(dòng)處理一般能夠獲得令人滿意的結(jié)果。

出現(xiàn)結(jié)果不佳的原因主要是觀測(cè)時(shí)間較短，多路徑效應(yīng)和外界電磁波干擾嚴(yán)重引起衛(wèi)星信號(hào)失鎖、疊加，測(cè)站周圍視場(chǎng)內(nèi)障礙物的高度角較大，使得接收的衛(wèi)星數(shù)量較少，衛(wèi)星的幾何圖形強(qiáng)度不良等。對(duì)此，除應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定的要求外，在城區(qū)還需特別注意減除多路徑效應(yīng)的影響，例如測(cè)站應(yīng)遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)射源、遠(yuǎn)離大面積平靜的水面，盡量躲開高層建筑物，觀測(cè)時(shí)汽車停放應(yīng)離測(cè)站遠(yuǎn)些。當(dāng)精度要求較高時(shí)，應(yīng)避免短邊，無法避免時(shí)，要謹(jǐn)慎觀測(cè)。

(二)正確安置天線，嚴(yán)格對(duì)中，經(jīng)常檢查光學(xué)對(duì)中器

野外作業(yè)時(shí)一般是測(cè)前、測(cè)中、測(cè)后量取天線高，3次測(cè)量結(jié)果之差不應(yīng)超過3mm，并取3次結(jié)果的平均值。應(yīng)盡量避免天線附近有大功率電臺(tái)，高頻雷達(dá)和發(fā)射天線，干擾源有時(shí)會(huì)使接收機(jī)接收不到信號(hào)，并且影響觀測(cè)精度。野外作業(yè)時(shí)若使用不同類型的天線，應(yīng)注意其相位中心在高度上的變化量。

(三)優(yōu)化設(shè)計(jì)GPS網(wǎng)的圖形結(jié)構(gòu)

GPS控制網(wǎng)的測(cè)量精度與網(wǎng)的幾何圖形結(jié)構(gòu)有一定的關(guān)系，但影響精度的主要因素是控制網(wǎng)中各站點(diǎn)基線的數(shù)目及基線的權(quán)陣。總之，GPS技術(shù)能較好地解決礦區(qū)已有控制網(wǎng)的恢復(fù)與精度吻合問題，避免了常規(guī)測(cè)量的多種限制及精度損失，為礦井安全生產(chǎn)提供可靠的數(shù)據(jù)。