GPS在小煤礦驗收測量中的應用

吳順中

（云南省一九八煤田地質勘探隊，云南 昆明 650208）

1 GPS系統簡介及應用概況

全球定位系統（GloblePositioningSystem簡稱GPS）是美國從上世紀70年代開始研究，歷時20年，耗資200億美元，于1994年全面建成，具有海、陸、空進行全方位實時三維導航與定位能力的新一代衛星導航與定位系統。當初，設計GPS系統的主要目的是用于導航、收集情報等軍事目的。但是后來的應用開發表明，GPS系統不僅能夠達到上述目的而且可利用GPS衛星發來的導航定位信號能夠進行米、亞米、厘米甚至毫米等不同精度的定位，還可以進行速度測量、時間測量。這一系統包括3大部分：空間部分-GPS衛星星座；地面控制部分-地面監控系統；用戶設備部分-GPS信號接收機。

與傳統的測量系統比較，GPS系統具有以下顯著特點：（1）定位精度高。實踐表明，在300～1500m精密工程定位中，與電磁波測距儀測定的邊長比較，其邊長較差為0.5mm。（2）觀測時間短。在動態相對定位中，流動站在距基準站15km內，每站觀測僅需1～2s。（3）可提供三維坐標。經典的大地測量將平面與高程采用不同的方法分別施測，而GPS系統可同時測定待測點的三維坐標，并達到四等水準的測量精度。（4）操作簡單。隨著GPS接收機的不斷改進，自動化程度越來越高，有的已經達到“傻瓜化”的程度。（5）全天候作業。GPS系統可以在24h內的任何時間進行作業，也不受陰天黑夜、起霧刮風、下雨下雪等氣候的影響，特別適合露天測量作業。

1994年以來，經過近10年的研究開發與實踐表明，GPS系統以其全天候、高精度、自動化、高效益等顯著特點，贏得了廣大測繪工作者的青睞，并成功地應用于大地控制測量、精密工程測量、變形監測等眾多測繪領域里。GPS實時動態定位技術（簡稱RTK技術），在各種比例尺地形圖測繪中得到廣泛的應用。隨著內業處理軟件的日趨完善，GPS的應用領域在不斷擴大，并開始進入人們的日常生活。

2 RTK技術原理

實時動態（RealTimeKinematic簡稱RTK）測量技術，是以載波相位觀測量為根據的實時差分GPS測量技術，它是GPS測量技術發展中的一個新突破。眾所周知，GPS測量技術的模式已有多種，如靜態、快速靜態、準動態和動態相對定位等。但是，利用這些測量模式，如果不與數據傳輸系統相結合，其定位結果均需通過觀測數據的測后處理而獲得。所以，它無法實時地給出觀測站的定位結果，也無法對基準站和用戶站觀測數據的質量，進行實時的檢核，致使返工重測。

以往解決這一問題的措施，主要是延長觀測時間，以獲得大量的多余觀測，來保障測量結果的可靠性。但是，這樣，便顯著地降低了GPS測量工作的效率。

實時動態測量的基本思想是，在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續觀測，并將其觀測數據，通過無線電傳輸設備，實時地發送給用戶觀測站。在用戶觀測站上，GPS接收機在接收GPS衛星信號的同時，通過無線電接收設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及其精度。

RTK測量系統的開發成功，為GPS測量工作的可靠性和高效率提供了保障，對測量技術的發展和普及，具有重要的現實意義。

目前，實時動態測量模式主要有3種：（1）快速靜態測量。采用這種測量模式，要求GPS在每一用戶站上靜止地進行觀測。它可以不必保持對GPS衛星的連續跟蹤，其定位精度達1～2cm。這種方法可應用于城市、礦山等區域性的控制測量，工程測量和地籍測量。（2）準動態測量。這種測量模式，要求流動的接收機在觀測工作開始之前，首先在某一起始點上靜止地進行觀測，也就是進行初始化。初始化后，在其他觀測站上只需測量1～2s，即可獲得該點的三維坐標，目前，其定位精度可達厘米級。它要求在觀測過程中，要保持對觀測衛星的連續跟蹤。這種方法主要應用于地籍測量、碎部測量、線路測量和工程放樣等。（3）動態測量。動態測量模式和準動態一樣，一般需要在起始點上進行初始化，之后，運動的接收機按預定的時間間隔進行自動觀測，并連同基準站的同步觀測數據，實時地確定采樣點的空間位置。其定位精度也可達到厘米級。這種測量模式，也要求對所測衛星進行連續跟蹤。適用于航空攝影測量、航道測量以及運動目標的精密導航。目前，實時動態測量系統，已在約20km的范圍內，得到了成功的應用。

3 GPS在我公司的應用

幾年前，我隊購進一套GPS系統。今年上半年，在某工程改線現場，我們為了驗證GPS系統在本地區的應用情況，分別使用捷創利全戰儀和GPS系統測量了同一條附和導線。通過嚴密平差計算，兩種測量方法所測得的導線，均滿足規范要求，導線點的點位中誤差和邊長相對中誤差相差無幾。但是，用全站儀測量所用外業時間是使用GPS系統所用時間的2倍。結果表明，GPS系統在本地區完全能夠替代傳統的測量方法，同時能夠節省勞動力，提高工效。

4 小煤礦測量驗收工作流程及耗時統計

小煤礦生產技術部測量組現有測量人員十幾名，其中2人負責內業，其余十幾人負責全部外業和部分內業工作。按照公司和礦里的要求，每月要進行一次采剝量驗收測量工作，計算各采剝臺階、采剝設備當月的工程量；土、巖、煤的運距和采剝量的綜合運距；繪制采場及排土場工程位置平面圖。驗收測量的外業工作每月從20日開始，大月26日上午截止，小月25日上午截止，累計每月外業時間4.5～5d（考慮天氣因素和其他測量工作，預留1～1.5d時間）。

以2003年小煤礦計劃生產商品煤1200萬t的產量規模為例，剝離量5300萬m3，月平均采剝總量為560萬m3。驗收測量外業總點數平均1500點左右。根據我們平時對驗收測量每一點時間標定，每測量一個碎部點的時間分配是：①測量時間15s。包括瞄準目標、按動測量鍵開始測量、輸入每個碎部點屬性注記、通知鏡站測量結束4個環節。②走路時間30s。驗收測量時，各個碎部點之間的距離約為30m，走路時間是指從上一個點測完以后，走到下一個待測的碎部點所用的時間。③等待時間30s。由于1臺全站儀要跟5個棱鏡，而測每個碎部點要耗時大約15s的時間，所以，每個鏡站的周期就是75s。

5 與GPS系統的比較

通過上述對每一個碎部點的測量用時分析，顯而易見，測量每個碎部點所必需的時間應該是45s。但是由于使用1臺全戰儀跟5個棱鏡，決定了這5個鏡站之間形成了一種串行的作業方式，無形之中白白浪費30s的等待時間。使得每個鏡站的周期變成75s。

據有關統計資料表明，應用GPS系統的RTK技術，流動站每測量一個碎部點耗時1～2s，加上輸入注記時間1～2s，走路時間30s，累計用時34s，并且每個流動站就是1臺GPS接收機，互相之間不干擾，是一種典型的并行作業方式。與全站儀測量相比，具有以下優點：（1）測量用時短。單純從上述用時分析，可提高測量速度1倍。（2）節省勞動力。由于基準站并不用設專人操作，這樣可以減少1名司儀，加入到流動站。在不增加測量人員的情況下，由5個鏡站增加到6個。（3）減少礦區內控制點的密度。由于GPS測量系統各站之間不需要通視，所以，可以大大減少設置礦區控制點的數量。（4）傳統的全站儀測量方式，只要出外業，至少需要2人：1個司儀，1個鏡站。如果不通視，還要臨時支點、搬站。而GPS系統，只需1人就能完成同樣的工作。同時，依靠一個基準站，可以并行完成不同的測量工作而互不干擾。這一系統唯一的缺點是，初期的一次性投資比較大。

6 結論

筆者根據以上的分析比較，使用GPS系統，在測量精度上，完全能夠滿足我礦驗收測量的要求，并且該系統全天候、速度快、效率高、節省勞動力的特點，非常適合小煤礦各項測量工作的需要，尤其是驗收測量工作，更為明顯。按我礦現有生產規模，如果使用GPS系統，測量驗收工作外業僅需要2～2.5d就能完成，提高工效1倍。如果還采用傳統的全站儀測量方法，而不增加測量人員，已經很難完成測量驗收任務和其他日常測量工作。因此，采用GPS系統為主、全站儀測量為輔的礦山測量模式，是完全可行和必要的。這樣有利于更好地完成我礦的測量驗收工作，為按時完成生產任務，提供可靠的保障。

[1]郭清,張文升,張文亮.大型建設工程施工控制網測量方法[J].山西建筑,2007,(14).