談提高靜態GPS礦山控制測量精度的做法與體會

張海港

0 引言

采用GPS靜態定位技術進行礦山測量具有精度高、靈活性強、工作效率高等特點。GPS靜態定位技術自1992年首次在山西陽泉礦區應用以來,我們應用GPS靜態定位技術完成了多項大型的礦山測量工作,其中包括五礦12 km特大型貫通近井點測量工程、晉南分公司45個資源整合小煤窯近井網控制測量、中小企業集團地籍測量等重點工程的控制測量等。通過多年應用GPS技術到礦山測量的生產實踐,積累了豐富的經驗。下面重點總結一下在如何提高靜態GPS測量的質量,提高其測量精度方面的一些做法和體會,以供同行參考。

1 提高GPS控制測量質量及精度的做法

1.1 布網方案的要求

GPS網應根據任務的要求、測區自然狀況、交通情況進行設計,既要考慮近期礦井建設的需要,又要考慮礦區長遠規劃的需要及礦區工業廣場數字化測圖圖根點加密的需要,本著確保測量精度、效率高、費用省的原則布設。

1)首先根據靜態GPS控制網的等級確定其規范要求的精度和基線的邊長。例如四等GPS平面控制網要求平均基線邊長為2 km,最弱邊相對誤差為1/45000,所以在布設四等GPS網時就要考慮基線在2 km左右。

2)布網設計中要考慮舊有控制點及其標石的利用。特別是作為GPS網平差的約束點、校核點的利用和在網內的位置是否有利于平差精度的控制,如起算點要均勻地分布在四周有利于精度的控制。

3)布網應從起算點開始,最好以邊連式連網方式組成整體網。連接后,應便于組成較長的同步環、異步環及復測基線,使GPS網具有較強的幾何強度和多余觀測及盡量做到重復設站,使GPS網具有一定的可靠性,為GPS網的整體精度提供保證,特別是進行大型貫通測量時不同井口之間的控制點最好組成同步觀測環。

4)根據測區大小和測區的地形情況,控制網要聯測足夠多數量的水準點,提高全網高程的精度。依據經驗,平原地區聯測水準高程點數不宜少于6個,山區參加高程聯測點數不少于10個,要求水準高程點在測區內均勻分布。

1.2 選點要求

1)點位要選在通視良好,易于擴展的制高點上,以便于低等點的加密。周圍應便于安置接收設備和操作,視野開闊,視場內障礙物的高度角不易超過15°。

2)地面基礎穩定,易于點的保存,要充分考慮下覆采空區的影響及近期規劃的需要。點的位置要盡量選在村莊、鐵路、公路留設保護煤柱范圍內,以保證所埋標石能長期保存。

3)點的位置要保證觀測工作的方便進行,應選在土質堅實且排水良好的高地上,離開公路、鐵路、高壓電線、水域和其他高大建筑有一定距離。遠離大功率無線電發射源(如電視臺、電臺、微波站等),其距離不小于200 m;遠離高壓輸電線和微波無線電信號傳送通道,其距離不小于50 m。

4)充分利用舊有控制點。利用舊點時,應檢查舊點的穩定性、可靠性和完好性,符合要求方可利用,盡量利用原來點名。

5)點位應考慮日后用常規加密的方便,點位之間最好通視,或至少有一個方向通視。布點還應兼顧到RTK作業模式以及連續運行參考站使用方面的便利,有無網絡信號等情況。

1.3 外業觀測

外業觀測的質量是保證GPS測量原始數據的質量的重要環節。為提高其觀測精度,在外業觀測前要對所有參加作業的儀器進行鑒定。并根據接收機的數目制定詳細的觀測計劃,便于作業組織調度,提高工作效率,具體還應滿足如下要求:

1)根據星歷預報每個同步觀測時間均應安排在每天的最佳觀測時段,每時段最少跟蹤4顆衛星,精度因子PDOP值均小于6。

2)在測站上,天線嚴格整平對中,天線固定標志大致朝北,天線高在測前、測后精確量取,誤差不得超過3 mm,采用平均值,讀數精確到1 mm。

3)每時段觀測時間根據規范要求,其時間長短,應根據基線的長短而定,基線長小于9 km時,觀測時間取60 min為宜,數據采集間隔一般采用15 s。

4)觀測過程中,觀測者應觀察數據接收情況,如衛星數、精度因子變化及點位周圍環境、觀測邊的長度等因素,靈活掌握觀測時間。

5)為確保數據安全,每天的觀測數據應及時傳輸至微機存盤保存并做好備份工作,每天測站的點名、點號、天線高的輸入應準確無誤。

1.4 GPS的數據處理及GPS網的平差

1)數據處理。

當天觀測數據最好當天進行基線處理,數據處理一般利用隨機軟件來進行解算,若需要使用其他軟件進行處理,需要對不兼容的數據格式進行轉換。基線解算主要通過改變衛星高度截止角、電離層模型改正方式、編輯周跳等,使基線解算方式為固定,當然如果基線長度超過20 km也可以采用浮點解。衡量基線解算質量的三個參數為比率(ratio)、參考變量(reference factor)、均方根(rms),比率大于3為好,越大越好。參考變量越小越好。均方根越小越好。基線處理完后通過查看基線報告中的同步環、異步環、重復基線等多項檢核來檢驗觀測數據的精度和有效性,對誤差超限的基線進行適當處理或進行復測,以確保外業觀測數據的質量和精度。

2)GPS網平差處理。

在WGS-84大地坐標系中的三維無約束平差是以全網的坐標起算點起算,以GPS基線向量為觀測值,在 WGS-84坐標中進行三維無約束平差。平差后提供了WGS-84坐標系下的大地坐標及相應的精度指標,主要包括基線向量三個坐標差觀測值的總改正數、基線邊長幾點位和邊長的精度信息。通過對精度指標是否超限來考察GPS網的內部附合精度。如平差后的最弱邊相對精度必須符合規范規定的限差要求。

2 提高靜態GPS控制測量質量及精度的體會和建議

1)為提高GPS網的精度,起算點應均勻分布測區周圍,測區較大時必須聯測一定數量水準高程點,提高GPS高程擬合精度。

2)GPS控制網中的已知點精度的匹配問題。由于各個礦區高等控制點因采動影響而被破壞,僅有的控制點可能是不同的年代采用不同的方法所得,所以起算點內附合精度較低,所以在約束平差前要對GPS網中已知點的坐標的精度進行認真的分析和檢驗,檢驗方法是對已知點進行分組約束平差試算,找出匹配的平差精度高的已知點。

3)對GPS控制網的成果的檢驗。一些大型貫通工程因為本身精度要求較高,為檢查GPS控制網的精度,可以采取全站儀測量導線的方法對GPS的邊長和角度進行檢查,根據檢查的結果必要時對GPS控制網進行約束角度及重新平差。

4)GPS作業人員要有高度的責任心。這對確保觀測數據質量和平差計算成果的精度是至關重要的。具體要求是在靜態測量中,要保證測站點名、點號、儀器高、天線高輸入的正確并認真做好外業記錄。在內業平差計算時,對坐標系的選擇、投影的設置、約束點的坐標進行反復校對,保證其正確無誤。

[1]王建忠.GPS靜態定位技術在測量控制網建立中的應用[J].山西建筑,2009,35(14):354-355.