單基站CORS-RTK在礦山沉降觀測中的應用

徐蔣林,黃暉，趙勇，劉可勝，余學祥

(1.安徽理工大學 測繪學院,安徽 淮南 232001; 2.淮南礦業(集團)有限責任公司，安徽 準南 232001； 3.華東有色測繪院,江蘇 南京 210000)

0 前 言

全球導航衛星系統的快速發展,促進了CORS系統的快速發展。CORS系統具有多基站、全天候連續運行以及能夠擴大基準站工作范圍等特點,因此得到推廣并廣泛應用。單基站CORS系統和多基站CORS系統均屬于CORS系統,網絡RTK已逐漸成為實時動態定位發展的主流[1]。但受經濟、環境等方面的制約，多基站CORS系統的建造比較困難,因此單基站CORS系統在一些小城市的應用比較多[2]。單基站CORS系統相對多基站CORS系統的建設費用低,數據采集速度快,并且管理和維護也很方便[3-5]。根據《煤炭測量規程》要求,對于首采面和重要的建筑物必須得布設地表移動觀測站,便于數據分析來掌握地表移動變形的規律[6]。對于地表移動變形的數據采集比較頻繁,而且監測站比較多。考慮到時間和成本的因素[7],文中在淮南某礦建立了單基站CORS系統,進行監測點平面信息的采集以及點位的放樣。

1 單基站CORS系統與原理

1.1 CORS系統原理介紹

CORS系統由5個部分構成,分別是基準站、用戶、數據處理中心、傳輸系統和播發系統。對于單基站CORS系統來說,單個基站既要進行數據處理,又要接收衛星信號和發射差分信號。通過基站的服務器可以查看所接收衛星的狀態、數據發送情況、存儲和差分數據。多基站CORS系統則是將多個基站結合起來,每個基站把接收的衛星信號發送到數據中心,再由數據處理中心軟件自動計算流動站和基站的距離,選擇最優CORS基站作為參考站進行流動站的差分[8]。單基站CORS系統與多基站CORS系統比較如表1所示。

表1 單基站CORS與多基站CORS比較

1.2 單基站CORS系統組成及工作方式

單基站CORS系統由GPS參考站(基準站)、數據處理中心、通信模塊和流動站四個部分組成。基準站又包括GPS接收機、天線、避雷針、電源;數據中心進行系統控制和數據處理,通信采用GPRS/CDMA數據傳輸終端模塊。流動站則是通過無線通訊網絡向數據中心發送服務請求,并將流動站的概略位置回傳給數據中心。

單基站CORS系統工作方式只需要基準站、流動站接收機以及用于傳輸數據的網線。基準站通過接收載波信號將其觀測值和測站信息一起傳送到數據控制中心,流動站在接收載波信號的同時自身也采集GPS數據,流動站通過接收的載波信號在系統內部形成差分觀測值然后進行實時處理,進一步得到厘米級的定位結果[9]。單基站CORS系統工作方式如圖1所示。

1.3 單基站CORS選址

基準站的選址需要考慮流動站固定解的解算與基準站的公共衛星數的關系,視野必須開闊,在高度角15°以上的可視范圍內沒有障礙物;要求不能有強磁場;遠離大面積水域,以防信號受到干擾;還要選擇交通便利且易于保存的地方。根據實際情況在礦區的辦公樓樓頂建立單基站CORS系統的基準站,建成永久性觀測墩,如圖2所示。

2 單基站CORS-RTK在礦山測量的應用

2.1 應用背景

在淮南某礦區工作面有走向觀測線、傾向觀測線,同時布設控制點和監測點。由于地下煤礦開采會導致開采工作面上方村莊的下沉,故對其上方村莊同樣布設了6個控制點和23個監測點。為了及時準確地掌握煤礦的開采對村莊的影響并研究地表移動變形規律以保護村民的安全,采用傳統全站儀和常規RTK測量已經很難在規定時間內完成點位布設任務和獲取地表沉降變化的規律,故需要在單基站CORS系統下進行RTK點位放樣和采集信息,并結合Lecia水準儀進行三等水準測量。

2.2 數據采集與處理

根據已知的控制點和礦區的實際建立單基站CORS控制網,如圖3所示。采用北京54坐標系作為平面坐標系統,采用1985國家高程基準作為高程系統。按D級GPS網的要求,控制網中有四個C級GPS點,以單基站CORS為基準站。使用5臺中海達三系統接收機,要求靜態觀測時間不能少于一個小時且連續有效。應用GPS定位所得坐標都是在WGS-84大地坐標系下的,而我國通常采用北京54坐標系或西安80坐標系這兩種參心坐標系。通過中海達HGO靜態數據處理軟件進行數據處理,平差后得到站點當地坐標。將礦區已有的控制點作為已知數據,所建的單基站作為基準站加上幾個內插檢核點,進行誤差分析,平差后站點中誤差如表2所示。

站點名中誤差N/mm中誤差E/mm中誤差U/mm ML1911.12 ML250.70.81.4 ML310.912 ML3311.12.3 ML360.70.81.4 ML412.32.64.5 ML451.11.12.2 ML5811.12 ML600.91.11.9 ML620.91.11.9

對靜態數據解算得到基線的點位精度均在4 mm及以下,相對誤差在0.3 ppm以下。平差后的站點中誤差也均在5 mm以下。通過網平差可得,基線最弱邊平差為1.61 mm,相對誤差為1/35 262,平面最弱點ML33中誤差為2.05 mm.χ2=62.2檢驗通過。《GPS測量規范》要求D級GPS網中誤差不小于20 mm,由表2可以看出平差后站點中誤差均符合要求。控制網滿足設計要求。

控制網符合要求后進行CORS-RTK的精度檢核,對礦區10個靜態觀測的GPS點進行CORS-RTK測量。測量數據經過手簿求取,然后將手簿中10個點坐標導入EXCEL表格,對CORS-RTK測量的坐標與靜態解算坐標進行比較。選取的10個靜態解算點坐標、CORS-RTK測量點坐標以及坐標差值如表3所示。

表3 靜態解算點坐標與CORS-RTK測量點坐標對比

由表3可以看出，靜態解算的坐標與CORS-RTK所測量的坐標差值都在13 mm以下,精度滿足礦山測量的要求。

同時對CORS-RTK測量點的中誤差進行統計,分析結果如表4所示。

表4 單基站CORS-RTK測量點精度檢核表

由表4可見,各檢測點在X方向中誤差最大的為15 mm,最小的為5 mm,平均中誤差為9.3 mm;Y方向中誤差最大為11 mm,最小為6 mm,平均中誤差為7.9 mm;高程誤差最大的為30 mm,最小為16 mm,平均中誤差為22.5 mm.平面測量精度比較高。

為了獲取沉降變形規律,在單基站CORS系統下使用CORS-RTK進行點位的放樣并對每個監測點進行數次測量,從測量監測點中選取兩個點,平面點相差在2 mm以內求取平均值作為最終測量結果。在采集過程中必須在固定解下測量,并確保PDOP<6.從RTK中導出所測的169個觀測點的數據,將測量點的X中誤差和Y中誤差數據統計分析,為了繪圖方便按觀測點號順序編號,中誤差數據分布如圖4所示。通過計算后的點位中誤差如表5所示。

精度<15 mm15～30 mm30～50 mm>50 mm 點位中誤差個數1551400 比率/%91.7168.28400 高程中誤差個數4312231 比率/%25.44472.1891.7750.592

2.3 精度分析

從圖4可以看出,通過RTK測量所得的169個點X中誤差在5～22 mm之內,Y中誤差在4～22 mm之內且在10 mm左右比較集中穩定。從表5可以看出點位中誤差小于15 mm的占91.716%,在15～30 mm占8.284%.國家最新版 《工程測量規范》要求點位中誤差小于70 mm,故X方向中誤差和Y方向中誤差均在允許范圍內。規范要求高程中誤差要低于30 mm,由表5看出有四個點的高程中誤差大于30 mm,故不滿足要求。因此在礦山沉降觀測時需要通過CORS-RTK點位放樣再結合電子水準儀進行礦山高程測量。

3 結束語

單基站CORS系統在礦區的沉降觀測中有著重大意義。不僅減輕了外業測量的勞動量,而且提高了工作效率。建立單基站CORS系統作業范圍相比于常規的RTK測量范圍更大,覆蓋面積能達到600～700 km2而且更精準,同時也減少了不少工作時間。本文的實例分析說明單基站CORS系統能夠提供較高的礦山測量精度,CORS-RTK測量中誤差能夠達到測量規范要求,平面精度能夠符合等級測量規范,因此單基站CORS系統能夠逐步替代傳統測量方法。由于單基站CORS系統通訊方式上為GPRS、CDMA方式,信號的強弱會對測量精度有影響。對于在高程方向的測量精度還不能達到要求,在礦山沉降觀測過程中還需進一步研究。