GPS在礦山工程控制測量中的應用

彭東方

湖北非金屬地質公司，湖北武漢 430030

1 GPS系統組成和應用原理

1.1 GPS系統組成

GPS全球定位系統主要由空間衛星群和地面監控系統兩部分組成，另外也包括測量用戶的衛星接收設備。GPS的用戶部分由GPS接收機、數據處理軟件和計算機、氣象儀器等構成，作用是接收GPS衛星發出的信號，并利用信號進行導航定位。隨著科學技術的發展，目前GPS相關裝置朝著體積小、重量輕以及精確度高的方向上發展，為礦山工程測量控制帶來了很大的便利。

1.2 GPS技術應用原理

GPS技術在正式定位測量過程中主要使用的定位方法是靜態相對定位，該定位方法精確度最高，所以本文只針對該定位測量方法的應用原理進行簡要分析。

靜態相對定位在測量應用中，主要是通過在基線兩側測站上安裝接收機，然后保持位置不動，同步觀測GPS衛星信號，并通過數據處理軟件確定基線兩端點在地心地固坐標系中的相對位置。在這一過程中采用的是載波相位觀測量，因為載波波長短，所以測量的精確度要高于偽距測量精度，然后通過不同載波相位觀測量線性組合，減少信號傳播誤差和接收機鐘不同步誤差對于定位的影響。此外，在該測量方式中一個端點測站的坐標已知，可以利用基線向量測算另一個測站點的坐標。該理論依據是因為兩個或以上測站是在同一時間范圍內同步觀測相同衛星信號的，所以接收機鐘差、衛星軌道誤差以及電離層和對流層的折射誤差等對于載波相位觀測量影響是有一定關聯性的。通過不同觀測量組合求差進行相對定位，可相應降低誤差影響，并提高相對定位的精確度。

2 GPS技術應用特點和優勢

2.1 GPS定位精確度高

相比于傳統的平面測量控制方式，GPS測量具有定位精確度高的優點。目前在大于800km的基線上設置觀測點進行靜態相對定位，其精度可以達到10-8，而在小于50km的基線上進行靜態相對定位，其精度可以達到1-2*10-6，在100-500km的基線上，靜態相對定位的精確能達到10-6-10-7。

2.2 GPS作業時觀測站之間不需要通視

在傳統平面測量控制中，一方面要求保證測量控制網的幾何結構，另一方面需要有良好的通視條件，一般很難同時滿足這兩項要求。而在控制測量中應用了GPS測量技術以后，所設立的觀測站點之間不需要進行相互通視，這就大大降低了建造麻煩，省卻了測量成本，而且還能靈活選擇測量點。不過在選擇測點上必須保證接收機天線上空比較開闊，以免使接收機GPS衛星信號受到干擾。

2.3 GPS數據處理結果能夠提供三維坐標

利用GPS技術進行數據處理，其處理結構可以提供三維坐標，這就將平面坐標和高程分開來觀測和計算。這樣在利用GPS進行測量控制的過程中一方面可以獲得精確測定的測站點平面位置，另一方面也可以測得高程點位的三維坐標。

2.4 GPS能夠全天候作業

利用GPS進行控制測量一般不會受到外界氣候環境的影響，也就是說可以全天候開展測量控制作業，即使是在惡劣氣候條件下也可以進行。同時可以在全球任意點位和任意的時間進行連續性測量。

2.5 GPS接收機輕巧，操作方便

GPS接收機體積小，重量輕，不管是攜帶還是運輸都很方便。此外，在GPS測量控制作業中，測量人員的重點工作是在基線兩側的測站點安裝GPS接收機天線、開關儀器和監視儀器，對于其他衛星捕獲、跟蹤觀測和記錄和數據分析都是通過相應儀器設備自動化完成，自動化程度高，操作方便。

2.6 觀測時間短

利用GPS進行觀測，不僅可以滿足精度上的要求，而且觀測的時間也很短。一般根據觀測衛星數量的不同以及精度標準的不同，觀測的時間在0.5～3h不等。采用靜態定位測量方法可以完成一條基線的測量工作。目前對于短基線的測量控制只需要幾分鐘就能完成相對定位。

3 GPS在礦山工程控制測量中的應用

3.1 工程概況

某礦區面積大約為90km2，主要以礦區和山區為主，有公路和鐵路均勻分布在各個測區之間，交通比較便利，有利于施測。對該工程進行控制測量，可用于后續1∶2000地形圖的測量。但是考慮到在工期前期施工中，測量控制網有所破壞，地形又比較復雜，工期較緊，測區通視困難，所以應采用GPS技術進行測量控制。

3.2 控制網的布設原則

在布設測量控制網時要根據甲方要求按照GPS測量規范來實施。其設計原則如下：首先，控制網必須要有足夠的閉合環，也就是控制網要有足夠的獨立觀測邊構成閉合圖形，這樣可以增強圖形的強度和平差檢驗條件；其次，要有一定數量的點位重合，這是為了便于由已知測站點坐標來推算待測點的坐標。也就是說GPS控制網點要和原有地面上已知控制網點進行足夠重合，并使重合點在控制網中均勻分布。網站點還應和一定水準點重合，這是為了給地面水準計算研究提供參考依據。另外，在設置控制網時，要確保GPS網點在視野開闊的地方，尤其是要保證測站點高度150°角以上沒有障礙物。在采用聯測方法或者擴展控制網時最好還要注意各個測點之間的通視條件。

3.3 GPS網的基本精度要求

GPS網基本精度要求要根據實際工程需要來確定，因為本工程進行GPS測量控制的作用是為了之后礦山測圖所用，所以根據甲方要求基本精度要達到D級別。GPS平面網的精度指標確定還要根據本項工程精度的需要、所采用的儀器設備以及技術條件的影響等，然后根據 《全球定位系統（GPS） 測量規范》 中關于GPS D級網相鄰點間距離標準差指標要求來確定。

3.4 GPS測量的外業實施

在GPS測量外業實施中，由于各個測站點之間不需要進行通視，圖形結構靈活，所以點位的選擇也比較方便。不過考慮到GPS測量的特殊性以及為了后期測量方便，選點時應該注意：首先，每一個點最好要和某一點進行通視，這樣是為了便于后續測量使用；其次，選點周圍高度角150°以上不能有障礙物，也就是要保證測站點接收機天線上空開闊，避免影響GPS信號接收；此外，點位要遠離大功率無線電發射源和高壓電線等，這是為了避免電磁場對信號的干擾，還要選擇在交通便利、視野開闊和易于保存的地方。最后，在選點結束后要根據相應規定現場澆筑混凝土樁作為標記并做好相關記錄。

在施測結束后，需要利用相關數據處理軟件完成基線解算和網平差等數據處理，然后獲得GPS控制點的三維坐標，并保證同步觀測精度、異步環觀測精度和復測基線觀測精度等精度指標要符合設計要求。

4 GPS在礦山工程測量控制中的應用前景

4.1 優化工程測量控制模式

GPS技術在礦山工程測量控制中的應用，使得工程測量控制模式得到了優化，通過GPS技術可以獲得三維坐標。而所獲得的三維坐標可以便于后期測量工作的開展，以及應用到其他煤礦工程中。隨著GPS在礦山測量控制中應用越來越廣泛，在未來可以為其他煤礦應用提供參考依據，成為煤礦開采工程中一項重要的技術。

4.2 進一步提升測量困難區域的測量精度

在應用GPS測量技術進行礦山工程測量控制之后，其測量的結果精確度提升，只要按照要求選點就不會受到障礙物、磁場等對信號的干擾。在未來發展中，該技術應被應用于更加復雜和困難的測量區域中。因為GPS全球定位系統在測量作業中受到距離和其他外界因素影響較小，所以能夠適應復雜區域的測量，并且使得復雜的、測量困難區域的測量結果精確大大提升。

4.3 保證后期測量作業成果質量

GPS技術在礦山測量控制作業，一般是利用儀器計算機程序來計算結果并反映數據，隨著需要控制過程的衛星數量的增多，GPS技術在為未來工程測量控制過程中將會使得后期測量作業成果的質量大大提升，對于丈量天線高度、點中誤差以及后期平差計算具有重要作用。

4.4 可解決高程測量的難度

由于礦山地形復雜，周邊大多是山嶺山區，所以在高程測量上往往存在較大難度。而GPS技術在礦上工程控制測量上對于平面測量和高程測量的精度是基本一致的，所以在未來發展前景中，能夠更好地降低高程測量難度。

5 結語

綜上所述，GPS技術在礦山工程測量控制中的應用得到了很好的發展，技術也越來越成熟和完善。隨著衛星軌道和鐘差精確度不斷提升，GPS技術在礦山工程測量控制中的精度和成熟度也會越來越高，受到地形限制越來越小，有利于促進礦山工程測量和控制質量的提高。

[1] 余玲玲.GPS在礦山工程控制測量中的應用[J].城市建設理論研究，2012（30）.

[2] 季享.淺談GPS測量技術在礦山工程中的應用[J].城市建設理論研究，2014（12）.

[3] 孟敏.GPS技術在礦山控制測量中的應用研究[J].科技與企業，2013（20）.