GPS 在礦山測量中的工作原理及應用分析

張應學

（貴州格目底礦業有限公司玉舍中井煤礦，貴州 水城 553000）

1 前言

傳統的大地測量、工程控制測量采用三角網、導線網方法來施測，費工費時，要求兩點間通視，且精度分布不均勻，外業測量時不知精度如何。而采取GPS RTK 進行控制測量，能夠實時知道定位精度，當點位精度滿足要求了，很快便可以采集所需要點的坐標值。在測量工程中第一步是確定現有已知點和定出起始點。GPS測量容易比較3個點之間的坐標差而不是角度和距離，用坐標差值來檢核起始點。以前的測量中選定至少3個控制點作為已知點來確定這些點的可靠性。當用GPS測量時，確定起始點就能夠檢驗現有已知點間的關系和可靠性；它能在GPS參考框架WGS 一84 坐標系和當地的國家坐標系之間建立重要的聯系 (GPS設備具有現場坐標系的轉換功能)。

利用以往傳統礦山測量工作需要多次的搬站，操作過程復雜、相互制約，適應性差，致使誤差累計，降低精度。利用GPS能在快速動態初始化下實時計算出系統坐標并將坐標直接記錄保存，無需通視、相互聯系各自獨立，快速、準確的得到測量結果。GPS作業有著極高的精度與工作效率及質量，更不受人為因素的影響。

GPS設備的缺點：采集測點時GPS依賴于可見到的衛星，在開闊地區，信號失鎖問題不會出現。隨著GPS測量的進行，接收機可能被迫放棄對衛星的自動跟蹤，這就會迫使接收機重新初始化，需要重新觀測每一個新的坐標點，作為野外檢核。在露天采場底部遮蔽地帶使用會受到一些限制，它不能精確的進行角度和懸空測量。為此，還需要全站儀等測量工具配合。輔助相應的軟件，充分發揮GPS與全站儀各自的優勢。在GPS測量應用領域應進一步完善其測量規程和國家GPS鑒定標準。

2 GPS技術的發展現狀及工作原理

全球定位系統GPS(Global Positioning System)是美國陸?？杖娐摵涎兄频男l星導航系統，具有全球性、全天候、連續性、實時性導航定位和定時功能，為各類用戶提供精密的三維坐標、速度和時間。

隨著俄羅斯的全球導航衛星系統(GLONASS)的不斷完善，利用GLONASS 來改善GPS性能的雙星座系統 (GLONASS+GPS)已由美國研制成功，這種高精度的系統為用戶提供了更完善的接收設備。

(1)根據算法模型，設計了靜態、快速靜態以及RTK 等作業模式。靜態作業模式主要用于地殼變形觀測、國家大地測量、大壩變形觀測等高精度測量；快速靜態測量以其高效的作業效率與厘米級精度廣泛應用于一般的工程測量；而RTK 測量以其快速實時，厘米級精度等特點廣泛應用于數據采集 (如碎部測量)與工程放樣中。對常規測量而言相對測地定位是主要的應用方式。

(2)GPS RTK的工作原理。利用差分技術來完善GPS定位功能。差分GPS定位技術是用2臺或2臺以上的GPS接收機同時接收衛星信號，其中一臺安置在已知坐標點上作為基準站(基準站可安置在任意位置)，其他的用來測定未知的坐標-移動站。工作原理是基準站根據改正點的準確坐標求出到衛星的距離的改正數并將這一改正數發給移動站，移動站接收到這一改正數來改正其定位結果。

(3)RTK 利用載波相位差分技術，實時處理測站載波相位觀測量的差分方法。RTK 在定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據(如偽距或相位觀測)以及已知數據(如基準站坐標)實時傳給移動站，移動站快速求解周模糊度，在觀測到衛星后，可以實時地求解出厘米級的動態位置。與傳統測量相比，RTK 技術受通視條件、能見度、季節等因素的限制較小。RTK 只需要滿足電磁波通視，便可以快速的、高精度的定位作業。

3 GPS的實施與應用分析

國家或區域性的高精度三維國家大地測量GPS控制網，相鄰點的距離從數百千米至數千千米，以確定國家大地坐標系與世界大地坐標系的轉換參數，為地學和空間科學等方面的科學研究工作服務，或研究地區性板塊運動或地殼形變規律等問題。另一類是局部性的GPS控制網，包括礦區GPS網或其他工程GPS網。網中相鄰點間距為幾千米至幾十千米，主要是為礦山生產或專項工程建設服務。

3.1 礦區控制網布設

自70年代以來，許多測繪部門先后在該地區布設不同等級控制網，高程系統及坐標系不在同一起算源與同一期網。礦山坐標系(3°帶北京54 坐標系)與當地公路鐵路及城市規劃局坐標系各自獨立，在各種管網給排水管道施工、征地放樣工作中因坐標及高程系統不統一，難以滿足精度測量施工放樣要求。為此，我們采用在高等級的基礎上全面布GPS網，選取原有地面國家控制點4個且在網中分布均勻，確定GPS網與地面網兩者轉換參數。通過獨立觀測邊構成閉合圖形，以增加檢核條件提高網的可靠性

3.2 GPS RTK 在礦山工程測量的應用

在礦山坐標系GPS網的控制下測量計算出與公路高程系統差值、及與市規劃局獨立坐標系的轉換參數。

(1)采剝現狀與地形測量。過去測地形圖時先要在測區范圍建立控制點及圖根點，然后在圖根控制點上架全站儀或經緯儀配合小平板測圖。后來發展到外業用全站儀和電子手薄配合地物編碼，用大比例測圖軟件來進行測圖，都要求在測站上測四周的地物地貌等碎部點，這些碎部點都必須與測站通視，而且至少要求2～3 人操作，在拼圖時一旦發現出錯還得到野外去重測?，F在采用RTK，在一般的地形地勢下，設站一次即可測完以10 多公里為半徑的測區，大大減少傳統測量所需的控制點數量和測量儀器的搬站次數，僅需一個操作，在地形地貌碎部點上待12s，可以得到該點的三維坐標值。同時輸入地物編碼，在測量過程中實時知道點位精度，這樣使作業速度加快，節省了外業費用，也提高了勞動效率。RTK的平面精度和高程精度都能達到厘米級，并且誤差沒有累加，數據安全可靠。當一個測區測完后回到室內，由成圖軟件通過接口，就可以繪制輸出所需求的地形圖。

(2)鉆孔、征地邊界、境界線等工程放樣。把設計好的點位在實地標定出來，用常規的放樣如經緯儀交會放樣，全站儀的邊角等，一般要放出一個設計好的點時，往往需要來回移動目標，而且要2～3 人操作，同時在放樣過程中還要求點間通視情況良好，有時放樣過程遇到困難的情況要借助于很多方法才能放樣，如距離較遠時還必須支測點，從而使誤差累加影響放樣點的精度。

(3)土方工程量驗收測量。徠卡GPS配合南方成圖軟件形成管理一體化數據鏈，減少數據轉抄、輸入等中間環節并實現CAD化。測量 2～4s/點 (精度 2～3cm)，4～5 人在 4d 時間內可完成8.8km月采剝工程平面圖的數據采集、填繪更新工作。月底采集碎部點位超過5000 測點，現有人員用以往測量儀器無法實現大型露天礦月工程量驗收的需要。目前正在考慮建立單基站CORS 系統實現無人值守，用VRS 技術提供GPS實時測量數據服務，滿足非蔭蔽區工程測量等項要求且連續可靠。隨著周圍相鄰地級市單位單基站系統的建立，可共同組網，提高系統覆蓋范圍和精度，輕松升級成多基站CORS 系統。

4 結束語

隨著國家經濟發展，空間大地測量技術越來越受到重視，與此同時測量的方法與測量的儀器也有了質的變化。世界所有需要導航、定位的用戶，都被GPS的高精度、全天候、全球覆蓋、方便靈活所吸引。GPS在我國的應用從少數科研單位和軍事部門迅速擴展到各個領域。GPS的廣泛應用改變了測量行業的傳統工作方式，突破了經典測量中的種種限制，達到全天候采集和不受空間通視條件等限制，尤其是在大型露天測量工作中更體現其獨特優越性。

[1]楊德麟,等.大比例尺數字測圖的原理、方法與應用[M].

[2]付水旺.淺談GPS測量與誤差分析[J].采礦技術.