GPS在礦山工程控制測量中的應(yīng)用

彭東方

湖北非金屬地質(zhì)公司，湖北武漢 430030

1 GPS系統(tǒng)組成和應(yīng)用原理

1.1 GPS系統(tǒng)組成

GPS全球定位系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，另外也包括測量用戶的衛(wèi)星接收設(shè)備。GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件和計算機(jī)、氣象儀器等構(gòu)成，作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號，并利用信號進(jìn)行導(dǎo)航定位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前GPS相關(guān)裝置朝著體積小、重量輕以及精確度高的方向上發(fā)展，為礦山工程測量控制帶來了很大的便利。

1.2 GPS技術(shù)應(yīng)用原理

GPS技術(shù)在正式定位測量過程中主要使用的定位方法是靜態(tài)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(yīng)用原理進(jìn)行簡要分析。

靜態(tài)相對定位在測量應(yīng)用中，主要是通過在基線兩側(cè)測站上安裝接收機(jī)，然后保持位置不動，同步觀測GPS衛(wèi)星信號，并通過數(shù)據(jù)處理軟件確定基線兩端點(diǎn)在地心地固坐標(biāo)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(jī)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(diǎn)測站的坐標(biāo)已知，可以利用基線向量測算另一個測站點(diǎn)的坐標(biāo)。該理論依據(jù)是因為兩個或以上測站是在同一時間范圍內(nèi)同步觀測相同衛(wèi)星信號的，所以接收機(jī)鐘差、衛(wèi)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(guān)聯(lián)性的。通過不同觀測量組合求差進(jìn)行相對定位，可相應(yīng)降低誤差影響，并提高相對定位的精確度。

2 GPS技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢

2.1 GPS定位精確度高

相比于傳統(tǒng)的平面測量控制方式，GPS測量具有定位精確度高的優(yōu)點(diǎn)。目前在大于800km的基線上設(shè)置觀測點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)相對定位，其精度可以達(dá)到10-8，而在小于50km的基線上進(jìn)行靜態(tài)相對定位，其精度可以達(dá)到1-2*10-6，在100-500km的基線上，靜態(tài)相對定位的精確能達(dá)到10-6-10-7。

2.2 GPS作業(yè)時觀測站之間不需要通視

在傳統(tǒng)平面測量控制中，一方面要求保證測量控制網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)，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(yīng)用了GPS測量技術(shù)以后，所設(shè)立的觀測站點(diǎn)之間不需要進(jìn)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(diǎn)。不過在選擇測點(diǎn)上必須保證接收機(jī)天線上空比較開闊，以免使接收機(jī)GPS衛(wèi)星信號受到干擾。

2.3 GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠提供三維坐標(biāo)

利用GPS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其處理結(jié)構(gòu)可以提供三維坐標(biāo)，這就將平面坐標(biāo)和高程分開來觀測和計算。這樣在利用GPS進(jìn)行測量控制的過程中一方面可以獲得精確測定的測站點(diǎn)平面位置，另一方面也可以測得高程點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

2.4 GPS能夠全天候作業(yè)

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

2.5 GPS接收機(jī)輕巧，操作方便

GPS接收機(jī)體積小，重量輕，不管是攜帶還是運(yùn)輸都很方便。此外，在GPS測量控制作業(yè)中，測量人員的重點(diǎn)工作是在基線兩側(cè)的測站點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)天線、開關(guān)儀器和監(jiān)視儀器，對于其他衛(wèi)星捕獲、跟蹤觀測和記錄和數(shù)據(jù)分析都是通過相應(yīng)儀器設(shè)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(jìn)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(jù)觀測衛(wèi)星數(shù)量的不同以及精度標(biāo)準(zhǔn)的不同，觀測的時間在0.5～3h不等。采用靜態(tài)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(yīng)用

3.1 工程概況

某礦區(qū)面積大約為90km2，主要以礦區(qū)和山區(qū)為主，有公路和鐵路均勻分布在各個測區(qū)之間，交通比較便利，有利于施測。對該工程進(jìn)行控制測量，可用于后續(xù)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(wǎng)有所破壞，地形又比較復(fù)雜，工期較緊，測區(qū)通視困難，所以應(yīng)采用GPS技術(shù)進(jìn)行測量控制。

3.2 控制網(wǎng)的布設(shè)原則

在布設(shè)測量控制網(wǎng)時要根據(jù)甲方要求按照GPS測量規(guī)范來實(shí)施。其設(shè)計原則如下：首先，控制網(wǎng)必須要有足夠的閉合環(huán)，也就是控制網(wǎng)要有足夠的獨(dú)立觀測邊構(gòu)成閉合圖形，這樣可以增強(qiáng)圖形的強(qiáng)度和平差檢驗條件；其次，要有一定數(shù)量的點(diǎn)位重合，這是為了便于由已知測站點(diǎn)坐標(biāo)來推算待測點(diǎn)的坐標(biāo)。也就是說GPS控制網(wǎng)點(diǎn)要和原有地面上已知控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行足夠重合，并使重合點(diǎn)在控制網(wǎng)中均勻分布。網(wǎng)站點(diǎn)還應(yīng)和一定水準(zhǔn)點(diǎn)重合，這是為了給地面水準(zhǔn)計算研究提供參考依據(jù)。另外，在設(shè)置控制網(wǎng)時，要確保GPS網(wǎng)點(diǎn)在視野開闊的地方，尤其是要保證測站點(diǎn)高度150°角以上沒有障礙物。在采用聯(lián)測方法或者擴(kuò)展控制網(wǎng)時最好還要注意各個測點(diǎn)之間的通視條件。

3.3 GPS網(wǎng)的基本精度要求

GPS網(wǎng)基本精度要求要根據(jù)實(shí)際工程需要來確定，因為本工程進(jìn)行GPS測量控制的作用是為了之后礦山測圖所用，所以根據(jù)甲方要求基本精度要達(dá)到D級別。GPS平面網(wǎng)的精度指標(biāo)確定還要根據(jù)本項工程精度的需要、所采用的儀器設(shè)備以及技術(shù)條件的影響等，然后根據(jù) 《全球定位系統(tǒng)（GPS） 測量規(guī)范》 中關(guān)于GPS D級網(wǎng)相鄰點(diǎn)間距離標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)要求來確定。

3.4 GPS測量的外業(yè)實(shí)施

在GPS測量外業(yè)實(shí)施中，由于各個測站點(diǎn)之間不需要進(jìn)行通視，圖形結(jié)構(gòu)靈活，所以點(diǎn)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(diǎn)時應(yīng)該注意：首先，每一個點(diǎn)最好要和某一點(diǎn)進(jìn)行通視，這樣是為了便于后續(xù)測量使用；其次，選點(diǎn)周圍高度角150°以上不能有障礙物，也就是要保證測站點(diǎn)接收機(jī)天線上空開闊，避免影響GPS信號接收；此外，點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無線電發(fā)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(diǎn)結(jié)束后要根據(jù)相應(yīng)規(guī)定現(xiàn)場澆筑混凝土樁作為標(biāo)記并做好相關(guān)記錄。

在施測結(jié)束后，需要利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件完成基線解算和網(wǎng)平差等數(shù)據(jù)處理，然后獲得GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并保證同步觀測精度、異步環(huán)觀測精度和復(fù)測基線觀測精度等精度指標(biāo)要符合設(shè)計要求。

4 GPS在礦山工程測量控制中的應(yīng)用前景

4.1 優(yōu)化工程測量控制模式

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

4.2 進(jìn)一步提升測量困難區(qū)域的測量精度

在應(yīng)用GPS測量技術(shù)進(jìn)行礦山工程測量控制之后，其測量的結(jié)果精確度提升，只要按照要求選點(diǎn)就不會受到障礙物、磁場等對信號的干擾。在未來發(fā)展中，該技術(shù)應(yīng)被應(yīng)用于更加復(fù)雜和困難的測量區(qū)域中。因為GPS全球定位系統(tǒng)在測量作業(yè)中受到距離和其他外界因素影響較小，所以能夠適應(yīng)復(fù)雜區(qū)域的測量，并且使得復(fù)雜的、測量困難區(qū)域的測量結(jié)果精確大大提升。

4.3 保證后期測量作業(yè)成果質(zhì)量

GPS技術(shù)在礦山測量控制作業(yè)，一般是利用儀器計算機(jī)程序來計算結(jié)果并反映數(shù)據(jù)，隨著需要控制過程的衛(wèi)星數(shù)量的增多，GPS技術(shù)在為未來工程測量控制過程中將會使得后期測量作業(yè)成果的質(zhì)量大大提升，對于丈量天線高度、點(diǎn)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(fù)雜，周邊大多是山嶺山區(qū)，所以在高程測量上往往存在較大難度。而GPS技術(shù)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(fā)展前景中，能夠更好地降低高程測量難度。

5 結(jié)語

綜上所述，GPS技術(shù)在礦山工程測量控制中的應(yīng)用得到了很好的發(fā)展，技術(shù)也越來越成熟和完善。隨著衛(wèi)星軌道和鐘差精確度不斷提升，GPS技術(shù)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(jìn)礦山工程測量和控制質(zhì)量的提高。

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

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