GPS RTK技術(shù)在礦區(qū)測(cè)量工作中的應(yīng)用研究

羅元培

摘 要：GPS-RTK技術(shù)是一種新興的礦區(qū)測(cè)量技術(shù)，本文通過(guò)對(duì)GPS-RTK技術(shù)的工作原理和影響GPS-RTK技術(shù)定位精度的因素進(jìn)行分析，探討了GPS-RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用及其優(yōu)越性，并就RTK技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的問(wèn)題提出了有益的見(jiàn)解。

關(guān)鍵詞：GPS RTK；礦區(qū)測(cè)量；應(yīng)用

1 概要

RTK(Realtime Kinematic)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)差分法，是一種全新的GPS測(cè)量方法。傳統(tǒng)的靜態(tài)、快速靜態(tài)、動(dòng)態(tài)測(cè)量等測(cè)量方法都需要測(cè)后利用隨機(jī)軟件進(jìn)行解算才能獲得結(jié)果，而RTK技術(shù)采用了載波相位動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)差分方法，它能夠在野外實(shí)時(shí)火到厘米級(jí)的定位精度，是GPS應(yīng)用的重大里程碑。目前，隨著GPS-RTK技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，GPS-RTK已經(jīng)廣泛應(yīng)用于測(cè)繪的各個(gè)行業(yè)，與常規(guī)的觀測(cè)方法相比，GPS-RTK技術(shù)有作業(yè)效率高、定位精度高、作業(yè)自動(dòng)化、集成化程度高、作業(yè)條件要求低、操作簡(jiǎn)便，容易使用，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的應(yīng)用性。

2. GPS-RTK工作原理

GPS-RTK技術(shù)是GPS測(cè)量發(fā)展中的一個(gè)新的里程碑，它主要由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三部分組成。它的工作原理是：至少使用2臺(tái)GPS接收機(jī)(1臺(tái)基準(zhǔn)站，1臺(tái)流動(dòng)站)，并且必須同時(shí)工作，利用載波相位差分技術(shù)實(shí)時(shí)處理這2個(gè)測(cè)站的載波相位觀測(cè)量進(jìn)行差分處理。RTK定位技術(shù)就是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)，它能夠?qū)崟r(shí)地提供測(cè)站點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果，并達(dá)到厘米級(jí)精度。基準(zhǔn)站接收機(jī)通常設(shè)在1個(gè)固定的點(diǎn)上)，通過(guò)基準(zhǔn)站系統(tǒng)采集可用衛(wèi)星的原始數(shù)據(jù)，巾串行端口送至無(wú)線(xiàn)電發(fā)射臺(tái)，發(fā)射電臺(tái)對(duì)包裝后的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播，南流動(dòng)站電臺(tái)接收基準(zhǔn)站發(fā)來(lái)的包含基準(zhǔn)站接收到的GPS原始數(shù)據(jù)的信息，電臺(tái)將收到的基準(zhǔn)站原始數(shù)據(jù)經(jīng)南串門(mén)轉(zhuǎn)往流動(dòng)站接收機(jī)。與此同時(shí)，流動(dòng)站GPS接收機(jī)會(huì)在其當(dāng)前位置采集本機(jī)的原始數(shù)據(jù)。來(lái)自基準(zhǔn)站GPS接收機(jī)與流動(dòng)站GPS接收機(jī)的原始數(shù)據(jù)匯集在流動(dòng)站接收機(jī)中統(tǒng)一進(jìn)行處理，從而計(jì)算出2個(gè)接收機(jī)之間精確到厘米級(jí)的基線(xiàn)向量，最后，流動(dòng)站接收機(jī)利用已知基準(zhǔn)站的位置和基線(xiàn)向量計(jì)算流動(dòng)站的坐標(biāo)。根據(jù)基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的工作原理，作業(yè)人員攜帶流動(dòng)站系統(tǒng)在測(cè)區(qū)又快又準(zhǔn)確地進(jìn)行定位測(cè)量、放樣和地形測(cè)量等其它測(cè)量工作。

3. GPS-RTK技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用

3．1 礦區(qū)控制網(wǎng)的建立和使用

常規(guī)控制測(cè)量要求控制點(diǎn)之間相互通視，作業(yè)工序復(fù)雜，而且精度不均勻，外業(yè)中也不知道測(cè)量成果的精度。而用GPS-RTK技術(shù)進(jìn)行控制測(cè)量既能實(shí)時(shí)知道定位結(jié)果，又能實(shí)時(shí)知道定位精度，這樣可以大大提高作業(yè)效率。求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)為了使GPS接收機(jī)中原始大地經(jīng)緯坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)，必須先計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)，而求取坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)必須己知至少3個(gè)高精度控制點(diǎn)的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)值x、Y、H。

3.2 礦區(qū)地面形變測(cè)量

礦區(qū)地面形變測(cè)量的目的是在不同時(shí)間段測(cè)定地面點(diǎn)的水平位置和高程，通過(guò)與測(cè)前數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，得出地面點(diǎn)位的水平位移與下沉值，為變形分析與預(yù)測(cè)提供科學(xué)的依據(jù)。其常規(guī)測(cè)量方法一般是先在礦區(qū)地面布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和形變觀測(cè)點(diǎn)組成變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)。用全站儀測(cè)定監(jiān)測(cè)網(wǎng)的邊長(zhǎng)和角度，用水準(zhǔn)儀測(cè)量個(gè)測(cè)點(diǎn)問(wèn)的高差，并計(jì)算出監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)的水平位置和高程。據(jù)資料顯示，RTK測(cè)量點(diǎn)位精度可達(dá)厘米級(jí)，測(cè)得的WGS-84高程轉(zhuǎn)換為1954北京坐標(biāo)系高程后也可滿(mǎn)足礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的要求。

3．3 礦區(qū)工程測(cè)量

礦區(qū)的工程測(cè)量工作一直是一項(xiàng)重要內(nèi)容，也是一直困擾著礦山工作者的難題。因?yàn)椋ぷ鲄^(qū)域大多是山地和丘陵區(qū)，森林覆蓋率高，國(guó)家控制點(diǎn)密度較稀，通視條件較差。因此常規(guī)測(cè)量手段在效率和精度上就很難滿(mǎn)足礦區(qū)工程測(cè)量的要求，而GPS-RTK技術(shù)除了上述應(yīng)用外，還可用于礦區(qū)的很多其他工程測(cè)量，并能彌補(bǔ)常規(guī)測(cè)量在效率和精度上的不足。在礦區(qū)，GPS-RTK技術(shù)可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量礦區(qū)采煤地面沉陷積水面積、測(cè)繪礦區(qū)地形地貌圖、縱、橫斷面圖的測(cè)量以及鉆孔的放樣等。

4. GPS RTK的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

(1)具有實(shí)時(shí)性，這是一般的測(cè)量設(shè)備所不具備的，而且放樣精度能達(dá)到厘米級(jí)別。

(2)RTK測(cè)量作業(yè)效率高。根據(jù)有關(guān)資料對(duì)比分析，GPS-RTK測(cè)量作業(yè)效率是傳統(tǒng)導(dǎo)線(xiàn)測(cè)量的2-4倍。GPS-RTK的人力和設(shè)備的投入都比較少，常規(guī)測(cè)量手段需要的人力和設(shè)備的投入是GPS-RTK測(cè)繪手段的3倍左右。

(3)GPS-RTK測(cè)量成果在野外觀測(cè)時(shí)是實(shí)時(shí)提供的，因此能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行校核數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)測(cè)量所不能及的。

(4)GPS-RTK測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)之一是陜速解算載波的整周未知數(shù)，達(dá)到了快速，高精度，而且即使遇到障礙物失鎖也可在重新捕獲衛(wèi)星并在數(shù)分鐘后繼續(xù)測(cè)量的技術(shù)前沿。在RTK作業(yè)模式下，只要能夠滿(mǎn)足RTK的基本工作條件，在一定的作業(yè)半徑范圍內(nèi)(一般為4km)，RTK的平面精度和高程精度都能達(dá)到厘米級(jí)。RTK技術(shù)當(dāng)前的測(cè)量精度平面：±(10＋1×10-6D)mm；高程：±(20＋1×10-6D)mm。而傳統(tǒng)的作業(yè)方法在進(jìn)行測(cè)量時(shí)要逐級(jí)進(jìn)行設(shè)站，造成誤差也隨著傳遞和累計(jì)，而采用GPS RTK進(jìn)行測(cè)量時(shí)由于精度比較均勻，誤差是相互獨(dú)立的，不會(huì)積累，也不存在傳遞。

(5)基站與移動(dòng)站之間不需要通視，觀測(cè)距離遠(yuǎn)，全天24小時(shí)都可作業(yè)。

(6)完成基站設(shè)置后，整個(gè)系統(tǒng)可以由一個(gè)人操作即可，也可同時(shí)設(shè)置幾個(gè)流動(dòng)站，大大提高了效率。實(shí)踐證明GPS-RTK的精度取決于GPS系統(tǒng)、RTK設(shè)備、測(cè)量環(huán)境、用戶(hù)的使用水平和采用的方法，只要嚴(yán)格按照規(guī)范操作，是完全能保證測(cè)量質(zhì)量的。

5. 應(yīng)用體會(huì)

(1)由于RTK測(cè)量受諸多因素的影響，測(cè)量誤差主要來(lái)自多路徑效應(yīng)、點(diǎn)位對(duì)中誤差等，在測(cè)量過(guò)程中要盡量避免發(fā)生并減少其誤差。移動(dòng)站在接收衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)候還要接收基站電臺(tái)發(fā)射的信號(hào)，盡量不要超過(guò)10km。

(2)星數(shù)問(wèn)題限制了RTK技術(shù)的應(yīng)用范圍。在礦區(qū)工廣內(nèi)樓群比較密集、遮擋物較多或周?chē)袕?qiáng)烈的電磁波干擾的地方，移動(dòng)站鎖定衛(wèi)星的個(gè)數(shù)少于5個(gè)或鎖接受衛(wèi)星信號(hào)信噪比小時(shí)，很難達(dá)到測(cè)量需要的狀態(tài)，這時(shí)應(yīng)采用和全站儀相結(jié)合的方法，用RTK在附近測(cè)量?jī)蓚€(gè)圖根點(diǎn)，再用全站儀進(jìn)行測(cè)量。

(3)遷站過(guò)程中，當(dāng)通過(guò)樹(shù)下、立交橋、隧道時(shí)，會(huì)引起失鎖。失鎖后，必須重新初始化，確定整周模糊值。確定整周模糊值的時(shí)間和可靠性，取決于接收機(jī)的種類(lèi)、所測(cè)星數(shù)、至基準(zhǔn)站的距離、RTK軟件的質(zhì)量等因素。

(4)當(dāng)進(jìn)行一些礦區(qū)一般精度的放樣、測(cè)繪工作時(shí)移動(dòng)站的距離可以適當(dāng)拉長(zhǎng)，但是在進(jìn)行1-3cm的定位精度的時(shí)候，移動(dòng)站和基準(zhǔn)站的距離，一般應(yīng)限制在幾公里的范圍內(nèi)，太長(zhǎng)了精度將達(dá)不到要求。

(5)外業(yè)測(cè)量以后還要進(jìn)行內(nèi)業(yè)成圖，如果測(cè)量點(diǎn)較多的話(huà)，還需要在外業(yè)測(cè)量時(shí)進(jìn)行草圖繪制，RTK提供的電子手簿里具有草圖繪制功能，可以實(shí)時(shí)的進(jìn)行繪制以及屬性輸入、圖形編輯，隨著RTK技術(shù)的推廣，相信在礦區(qū)測(cè)量中會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用。

6.結(jié)論

從前面的敘述可知，與傳統(tǒng)的觀測(cè)方法比較，RTK技術(shù)具有集成化、自動(dòng)化高的特點(diǎn)，適應(yīng)礦區(qū)動(dòng)態(tài)測(cè)量和經(jīng)常化的要求，因此，GPS-RTK在礦山工程測(cè)量上具有很大的發(fā)展前景。

(1)GPS-RTK作業(yè)精度高且不受環(huán)境和距離的限制，在地形條件困難地區(qū)、局部重點(diǎn)工程地區(qū)等施測(cè)也很方便。

(2)GPS-RTK能實(shí)時(shí)地得出所在位置的空間三維坐標(biāo)，這將徹底改變礦山測(cè)量的模式。

(3)只要我們科學(xué)設(shè)計(jì)、精心施測(cè)，GPS-RTK完全可以滿(mǎn)足礦區(qū)控制網(wǎng)的布設(shè)和礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]程廣博 GPS-RTK在礦山測(cè)量中的應(yīng)用[J]．山東煤炭科技，2009

[2]羅菲，邵金強(qiáng) RTK技術(shù)在公路測(cè)量中的綜合應(yīng)用[J]．地礦測(cè)繪，2006

[3] 李巧蓮，劉軍．GPS(RTK)技術(shù)在礦山測(cè)量中的應(yīng)用[J]．采礦技術(shù)，2006