GPS-RTK技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

劉金平

諸城市土地開發(fā)整理中心，山東諸城 262200

GPS-RTK技術(shù)在礦山測量中的應(yīng)用

劉金平

諸城市土地開發(fā)整理中心，山東諸城 262200

隨著社會和科技的高速發(fā)展，一種新興礦區(qū)測量技術(shù)（GPS-RTK 技術(shù)）也得到發(fā)展應(yīng)用，促進(jìn)了礦山測量精度以及工作效率的提高。本文簡要分析GPS-RTK技術(shù)及其在礦山測量中的應(yīng)用。

GPS-RTK；礦山測量；精度；效率

1 GPS-RTK技術(shù)概述

1.1 基本原理

采用載波相位觀測量為根據(jù)，實時動態(tài)差分法（RTK）是一種新的常用的GPS測量技術(shù)。在基準(zhǔn)站上，GPS接收機(jī)對經(jīng)過其上方的可見衛(wèi)星進(jìn)行實時的連續(xù)性觀測，利用無線電等設(shè)備傳遞發(fā)送到用戶觀測站；在用戶觀測站，對于基準(zhǔn)站獲取的數(shù)據(jù)采取實時接收，之后利用相對定位的原理，顯示出能保證觀測站精度達(dá)到厘米級的三維坐標(biāo)。該結(jié)果可以實時的反映出基準(zhǔn)站和觀測值用戶坐標(biāo)解算的收斂情況，并根據(jù)該收斂情況來判斷其質(zhì)量，從而達(dá)到在減少觀測數(shù)量的同時能夠提高效率。

1.2 RTK測量系統(tǒng)的構(gòu)成

RTK測量系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。

1）GPS接收設(shè)備。由于雙頻觀測值的精度較高，并且能夠準(zhǔn)確解算整周未知數(shù)的同時保證效率，因此雙頻GPS接收機(jī)分別設(shè)置在基準(zhǔn)站和用戶站上。

2）數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備。數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備，也稱之為數(shù)據(jù)鏈，由兩部分組成：用戶觀測站的接收機(jī)以及基準(zhǔn)站的無線電發(fā)射臺。結(jié)合基準(zhǔn)站和用戶站之間的數(shù)據(jù)的傳輸速度、距離和環(huán)境質(zhì)量，決定數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的頻率和功率。

3）軟件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)在支持實時動態(tài)測量時的功能以及質(zhì)量決定了其可行性、可靠性以及精確性。利用這種軟件系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)和實時動態(tài)等不同作業(yè)模式的快速選擇和切換，快速解算出整周未知數(shù)，能夠?qū)崟r分析和評價解算結(jié)果的質(zhì)量。

2 GPS-RTK技術(shù)在礦山測量中具體應(yīng)用

2.1 內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備

結(jié)合具體的礦區(qū)情況和礦山測量所有的特點進(jìn)行準(zhǔn)備工作，主要有：1）由項目情況確認(rèn)工程名稱。2）獲取工程范圍內(nèi)的控制點并進(jìn)行分析和實地考察，判斷控制點形成的控制網(wǎng)是常規(guī)的還是GPS網(wǎng)，并確保這些點可作為基準(zhǔn)點。3）確認(rèn)參數(shù)設(shè)置：一般情況下，在基準(zhǔn)站，數(shù)據(jù)采樣率為4-5s；在流動站，為1-2s。高度截止角在通常情況下設(shè)置為10度。4）坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)已知時，將該參數(shù)輸入到電子手薄。5）在需要放樣的情況下，為了能夠在野外實地完成精確并且實時的工程放樣，每個點的坐標(biāo)以及線路的方位角需要手動的輸入到電子手薄中。

2.2 求解工程相對測區(qū)的轉(zhuǎn)換參數(shù)

一般的礦山測量坐標(biāo)系是北京坐標(biāo)系或者獨立的坐標(biāo)系，意味著需要進(jìn)行WGS-84坐標(biāo)系與該坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。確保能夠?qū)崟r給出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)這是RTK最基本的作業(yè)要求，所以坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作尤為重要。

1）在測區(qū)較大的情況下，需事先測定出由同一高等級控制點的兩種坐標(biāo)求取的具體的轉(zhuǎn)換參數(shù)，在實際作業(yè)即GPS-RTK下，直接輸入獲取的參數(shù)和坐標(biāo)。

2）在RTK工作時也可實時求取轉(zhuǎn)換參數(shù)：具體為先建立基準(zhǔn)站，要求在視野開闊的地方，四周無高大建筑和樹木群，實時單點定位WGS-84坐標(biāo)，然后聯(lián)測三個以上的高等級控制點作為流動站，從而聯(lián)合解算出坐標(biāo)參數(shù)。

為獲取轉(zhuǎn)換參數(shù)需聯(lián)合三個以上且包含北京54坐標(biāo)或地方坐標(biāo)、WGS-84地心坐標(biāo)的已知點，這些點最好均勻分布在測區(qū)四周及中心且利于控制測區(qū)。為了確保其有效性和可靠性，可利用最小二乘法求解。

2.3 基準(zhǔn)點的安置和測定

基準(zhǔn)站的安置在滿足下列條件下可保障精度的同時提高效率。

1）基準(zhǔn)站一般設(shè)立在已知精確坐標(biāo)的控制點上，但是如一些未知點的條件較好也可設(shè)立。

2）對于基準(zhǔn)站安置環(huán)境，需設(shè)立在視野開闊、地勢較高、電臺覆蓋區(qū)域良好的地點，并優(yōu)先考慮將基準(zhǔn)站安置在測區(qū)中央地區(qū)，方便數(shù)據(jù)信號的傳輸。由于電磁波會影響到數(shù)據(jù)的傳輸，需盡量避開有較多電磁波干擾的地方。

3）對于高壓線、無線電發(fā)射臺等干擾源會對數(shù)據(jù)的傳輸造成影響，會使數(shù)據(jù)丟失或發(fā)生多路徑效應(yīng)，因此不要將基準(zhǔn)站設(shè)立在這些干擾源和發(fā)射源附近。

4）由于GPS衛(wèi)星在南北極附近有空白區(qū)，所以基準(zhǔn)站電臺的天線需架設(shè)在GPS接收機(jī)主機(jī)的北方。

2.4 GPS-RTK施測及放樣

為實現(xiàn)GPS-RTK施測及放樣，首先如2.2中所述利用點校正，在對測區(qū)進(jìn)行首級控制之后，求解坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換參數(shù)；然后按照2.3中所述，將基準(zhǔn)站安置在滿足視野開闊、無干擾等條件的區(qū)域。在測區(qū)內(nèi)可見五顆以上衛(wèi)星，并且PDOP值小于6時，完成初始化后獲取固定值只需要5-15s。對于每一個移動站，只需安排一人進(jìn)行測量，在進(jìn)行測量作業(yè)時，首先需檢查控制點，確保無誤后，對地形、地物以及勘探巷道的采集和相關(guān)工程放樣工作則可利用電子手簿進(jìn)行直接的作業(yè)，只需1-10s即可完成一次采集記錄。

GPS-RTK的數(shù)據(jù)處理工作相對簡單，外業(yè)測量中獲取的實時坐標(biāo)可通過手簿與計算機(jī)建立傳輸后直接下載，并進(jìn)行編輯、整理、分類等后期作業(yè)后可直接打印。在進(jìn)行工程放樣之后，GPS-RTK可以方便的實時提供數(shù)據(jù)來進(jìn)行導(dǎo)航，從而快速找到待放樣點，整個過程不再如傳統(tǒng)的測量手段需要借助對講設(shè)備來確認(rèn)方向等數(shù)據(jù)，電子手簿能極大的提高工作效率的同時降低測量工作人員的工作強(qiáng)度。

2.5 野外作業(yè)過程

利用GPS-RTK整個野外作業(yè)實測的過程為：1）在基準(zhǔn)站GPS 接收機(jī)的實時動態(tài)差分系統(tǒng)中輸入獲取的測區(qū)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換參數(shù)；2）安置GPS接收機(jī)于選定的有良好條件的基準(zhǔn)站上，打開后輸入該站點的坐標(biāo)和天線高，接收機(jī)會利用轉(zhuǎn)換參數(shù)將該坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到WGS-84坐標(biāo)系統(tǒng)下；3）基準(zhǔn)站實時接收衛(wèi)星信號，并將觀測值、工作狀態(tài)等信息發(fā)送出去；4）流動站接收機(jī)在接收衛(wèi)星信號的同時獲取來自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)，從而聯(lián)合生成該流動點的WGS-84坐標(biāo)系下，再利用轉(zhuǎn)換參數(shù)，計算得到其地方坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，實時顯示供測量人員利用。

3 RTK的不足及其解決辦法

3.1 受衛(wèi)星狀況限制

對于某些時間段而言，如當(dāng)時衛(wèi)星位置對美國而言是最佳，但是卻不能覆蓋到世界上的所有國家，這就會導(dǎo)致假值的現(xiàn)象出現(xiàn)。另外，衛(wèi)星信號被長時間的遮擋、覆蓋，如一些高樓密集的城區(qū)、森林密集區(qū)，又或者是高山深谷中，都會使RTK的作業(yè)受限。因此，對于出現(xiàn)的假值情況而言，可以采取RTK測量成果的品質(zhì)控制方法來解決；對于作業(yè)受限的情況，則需要選擇適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)時間來減少誤差。

3.2 環(huán)境影響

環(huán)境的影響，除了在衛(wèi)星信號易被屏蔽區(qū)域，GPS也會受到電離層的干擾，尤其在中午的時候，而且存在共用衛(wèi)星數(shù)少的情況，一般只能接受到五顆及以下的衛(wèi)星數(shù)，這都會使初始化變得困難，增大測量的難度甚至無法測量。

3.3 數(shù)據(jù)傳輸受限

各種高頻信號以及高大山體、高大建筑物等都易干擾RTK數(shù)據(jù)的傳輸。數(shù)據(jù)信號在傳輸過程中的衰減會降低外業(yè)作業(yè)的精度。另外，當(dāng)RTK作業(yè)半徑超過根據(jù)機(jī)型不同限制的距離時，也會導(dǎo)致測量結(jié)果誤差超限，所以一般情況下RTK的實際作業(yè)有效半徑比標(biāo)稱半徑要小很多。工程實踐和研究表明，RTK確定整周模糊度的可靠性最高為95%，同時與靜態(tài)測量相比，RTK測量更容易出錯，所以采取品質(zhì)控制很有必要。

4 結(jié)論

綜上，GPS-RTK技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步及在礦山測量中的應(yīng)用，將有利于促進(jìn)礦山測量進(jìn)步與發(fā)展，改變觀念并轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)生產(chǎn)作業(yè)方式，并逐漸形成以數(shù)據(jù)采集、輸入、分析、處理、保存、輸出為一體技術(shù)系統(tǒng)。今后的礦山測量工作應(yīng)著重于開發(fā)和應(yīng)用以GPS-RTK技術(shù)為代表的測繪新技術(shù)，爭取早日實現(xiàn)我國的礦山企業(yè)數(shù)字化。

[1]劉基余，等.GPS測量原理及其應(yīng)用[M].北京：測繪出版社，2002.

[2]王子凡，鄧連利．GPS-RTK技術(shù)在工程測量應(yīng)用中的優(yōu)劣簡析[J].西部探礦工程，2011（1）.

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1674-6708（2015）148-0058-02