本文主要介紹實時動態(tài)定位技術(shù)(GPS - RTK) 在礦山測量中的應(yīng)用。GPS - RTK技術(shù)應(yīng)用于礦山測量工作中, 主要用于礦區(qū)控制點加密, 地形測量, 鉆孔、剖面點、探槽、探井、坑口、取樣鉆孔、地質(zhì)點、近井點、坑口位置點的坐標(biāo)放樣與求測,工程作業(yè)調(diào)度, 地質(zhì)填圖等。
1 GPS - RTK系統(tǒng)原理及構(gòu)成
111 基本原理
RTK測量技術(shù), 是以載波相位觀測量為根據(jù)的實時差分GPS (RTD GPS) 測量技術(shù)。實時動態(tài)測量的基本原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺GPS接收機, 對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)地觀測,并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備, 實時地發(fā)送給用戶觀測站。在用戶站上, GPS接收機在接收GPS衛(wèi)星信號的同時, 通過無線電傳輸設(shè)備,接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù), 然后根據(jù)相對定位的原理, 實時地計算并顯示用戶站的三維坐標(biāo),其精度可達(dá)到厘米級。這樣通過實時計算的定位結(jié)果, 便可監(jiān)測基準(zhǔn)站與用戶站觀測結(jié)果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況代寫論文, 從而可實時地判定解算結(jié)果是否成功, 以減少冗余觀測, 縮短觀測時間。
112 RTK測量系統(tǒng)的構(gòu)成
RTK測量系統(tǒng)主要由GPS接收設(shè)備、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成。
(1) GPS接收設(shè)備
在基準(zhǔn)站和用戶站上, 分別設(shè)置雙頻GPS接收機。由于雙頻觀測值不僅精度高, 而且有利于快速準(zhǔn)確地解算整周未知數(shù)。當(dāng)基準(zhǔn)站為多用戶服務(wù)時, 其接收機的采樣率應(yīng)與用戶接收機采用率最高的相一致。
(2) 數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備
數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備也稱數(shù)據(jù)鏈, 由基準(zhǔn)站的無線電發(fā)射臺與用戶站的接收機組成, 其頻率和功率的選擇主要取決于用戶站與基準(zhǔn)站的距離、環(huán)境質(zhì)量、數(shù)據(jù)的傳輸速度。
(3) 軟件系統(tǒng)
支持實時動態(tài)測量的軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和功能, 對于保障實時動態(tài)測量的可行性、測量結(jié)果的可靠性和精確性, 具有決定性意義。這種軟件系統(tǒng)突出的功能是能夠快速解算整周未知數(shù), 能選擇快速靜態(tài)、準(zhǔn)動態(tài)、和實時動態(tài)等作業(yè)模式, 實時完成對解算結(jié)果的質(zhì)量分析和評價。
2 GPS 技術(shù)在礦山測量中的作業(yè)流程
211 內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備在實施GPS外業(yè)測量前, 應(yīng)事先對測區(qū)進行踏勘, 根據(jù)礦山測量的特點完成內(nèi)業(yè)的準(zhǔn)備工
作, 主要包括以下幾個方面的內(nèi)容:
(1) 根據(jù)工程項目, 設(shè)定工程名稱
(2) 參數(shù)設(shè)置: 基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)采樣率一般為4～5S, 流動站的數(shù)據(jù)采樣率一般為1 ～2S,高度截止角通常設(shè)定為10度。
(3) 若已知坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù), 則輸入手簿。
(4) 實施工程放樣前, 內(nèi)業(yè)輸入每個放樣點的設(shè)計坐標(biāo)、線路方位角, 以便野外實時、準(zhǔn)確放樣。
212 求定測區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)
礦山測量是在北京坐標(biāo)系或獨立坐標(biāo)系上進行的, 這就存在WGS - 84坐標(biāo)與北京坐標(biāo)系或獨立坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。由于RTK作業(yè)要求實時給出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo), 這使得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作非常重要。
(1) 對于較大型的測區(qū)事先測定轉(zhuǎn)換參數(shù),在RTK作業(yè)時, 直接輸入?yún)?shù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)。利用高等級控制點同一點的2種坐標(biāo)求出的轉(zhuǎn)換參數(shù)。
( 2) 也可在RTK作業(yè)時臨時求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。首先在對空視野開闊的地方設(shè)立基準(zhǔn)站并采集單點定位WGS - 84 坐標(biāo), 然后流動站聯(lián)測3個以上的高等級的控制點, 求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。
213 基準(zhǔn)站的安置
為保證觀測的精度和提高工作效率, 基準(zhǔn)站的安置應(yīng)滿足下列條件。
(1) 基準(zhǔn)站可設(shè)立在精確坐標(biāo)的已知點上,也可設(shè)立在條件較好的未知點上
(2) 基準(zhǔn)站安置應(yīng)選擇在地勢較高、通視無遮擋、電臺有良好覆蓋區(qū)域的地方, 首選是測區(qū)中央地區(qū)。
(3) 為防止多路徑效應(yīng)和數(shù)據(jù)鏈的丟失,基準(zhǔn)站200 米范圍內(nèi)應(yīng)無高壓電線、電視差轉(zhuǎn)臺、無線電發(fā)射臺等干擾源, 周圍應(yīng)無GPS信號反射源。
(4) 基準(zhǔn)站電臺的天線應(yīng)架設(shè)在GPS接收機主機的北方。因為南北極附近是衛(wèi)星的空洞區(qū)。
RTK施測及放樣
在測區(qū)首級控制的基礎(chǔ)上, 利用點校正方法, 求解坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù) 選擇對天通視較好, 四周無各種強電磁干擾源的地方設(shè)置基準(zhǔn)站。當(dāng)測區(qū)可見GPS衛(wèi)星數(shù)在5顆以上、PDOP
值小于6時, 一般只需5～15秒就可完成初始化而得到固定解。每臺移動站只需一人即可進行測量作業(yè), 每次開始作業(yè)應(yīng)對已知控制點進行檢查, 確保系統(tǒng)無誤后, 應(yīng)用GPS電子手簿即可進行地形地物點、勘探坑道的采集或勘探線剖面、勘探工程點的放樣作業(yè), 每點采集記錄時間約1～10秒。實時動態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理相對簡單,外業(yè)測量采集的實測坐標(biāo)通過手簿的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng), 直接下載到計算機內(nèi)?？蛇M行圖形編輯, 也可經(jīng)整理、分類、判斷形成文件后直接打印出來。在勘探工程點放樣上, RTK同樣能實時地提供導(dǎo)航數(shù)據(jù), 不僅可以使你快速找到點位, 而且能提供定位精度。如在勘探線上加放點和測點, 依據(jù)GPS電子手簿顯示的定線導(dǎo)航數(shù)據(jù)同樣能使你快速上線。利用GPS—RTK放樣, 無需對講機傳遞導(dǎo)航數(shù)據(jù)和方向, GPS電子手簿導(dǎo)航畫面讓你輕松快速上點、上線, 極大提高了工作效率, 減輕了測量人員的工作強度3 RTK應(yīng)用及定位精度分析
貴州興仁某礦區(qū)地勢起伏不大, 天空開闊,除個別地方外對RTK作業(yè)無大的影響。該工程控制測量、勘探剖面線、勘探工程點的放樣均采用RTK作業(yè)。重復(fù)測量同一控制點的坐標(biāo)較差統(tǒng)計表, 見表1。相鄰觀測點間全站儀實測和RTK實測距離抽樣檢查比較, 見表2。
表1 重復(fù)測量同一控制點的坐標(biāo)較差m
Table 1 Coordinate difference ofmeasure the same
one control point repeatedlym
點號△X △Y △Z
GPS3 01009 01004 01004
GPS10 01007 01003 01005
N1 01012 01002 01009
N8 01005 01003 01008
N21 01010 01002 01006
N35 01004 01011 01012
表2 相鄰觀測點間全站儀實測和RTK實測距離較差m
Table 2 Differentmeasurements of electronic total station
and RTK between adjacent observation pointsm
點號
全站儀實測
距離
RTK實測
距離
較差
5 6 1101235 1101231 01004
10 11 851638 851632 01006
11 12 1651700 1651707 01008
20 21 1151657 1151649 01008
29 30 1951623 1951612 01011
從上表來看, RTK測量既可以實時提供點位坐標(biāo)和高程, 又可實時知道測量點位精度, 能夠較大地提高工作效率。同時從測量結(jié)果來看,RTK測量點位精度可達(dá)厘米級, 完全能夠滿足礦山測量的需要。4 RTK技術(shù)的優(yōu)點
(1) 傳統(tǒng)測量外業(yè)容易受到地形、氣候、季節(jié)等諸多因素的影響, 使測量精度、作業(yè)速度都受到很大限制, 在能見度低, 通視條件差的情況下, 有些測量作業(yè)根本無法進行。而GPS -RTK技術(shù), 解決了這個問題。
(2) 定位精度高, 數(shù)據(jù)安全可靠, 測站間無需通視。在沒有已知基準(zhǔn)點或基準(zhǔn)點被破壞而造成的控制點不足的地區(qū)和由于地形復(fù)雜、地物障礙而造成的通視困難地區(qū)能快速的、高精度定位。
(3) 綜合測繪能力強, 作業(yè)集成度高, 易實現(xiàn)自動化。可勝任各種測量內(nèi)、外業(yè)工作?；鶞?zhǔn)站能夠為不同用戶提供多項信息輸出, 流動站利用內(nèi)置軟件控制系統(tǒng), 在作業(yè)時, 無需人工干預(yù)便可進行整周未知數(shù)的動態(tài)初始化解算, 使輔助測量工作極大減少, 作業(yè)精度也自動控制和記錄,從而使自動化作業(yè)指揮系統(tǒng)的建立成為可能。
(4) 操作簡便, 對作業(yè)條件要求不高, 數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲能力強, 與計算機、全站儀等測量儀器通信方便。
(5) 作業(yè)人員少, 定位速度快, 綜合效益高。GPS接收機僅需一個人操作, 在待測點等待1～2秒即可獲得該點的坐標(biāo), 外業(yè)效率高 內(nèi)業(yè)便于計算機處理, 節(jié)省了時間和人力。
5 RTK技術(shù)存在的問題與對策
雖然RTK技術(shù)在礦山測量中有較廣闊的應(yīng)用前景, 但是由于礦區(qū)特殊的環(huán)境, 存在一些不利于RTK作業(yè)的因素, 如山谷和森林等。在應(yīng)用中, 就發(fā)現(xiàn)一些測量過程中的一些問題:
(1) 各觀測值都是獨立觀測的, 儀器是否處于正常狀態(tài), 觀測的數(shù)據(jù)是否可靠? 在開始觀測前、觀測一段時間、觀測結(jié)束前或儀器失鎖都要聯(lián)測已知點進行比對, 以確定基準(zhǔn)站和流動站參數(shù)是否設(shè)置正確, 數(shù)據(jù)鏈通訊是否正常。
(2) 集森林區(qū)、不能被衛(wèi)星很好地覆蓋地區(qū): 高山峽谷深處、密高樓林立區(qū), RTK的使用受到限制, 應(yīng)配合航空攝影測量和常規(guī)測量方法。
(3) 高程異常值問題, RTK作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確, 但我國現(xiàn)有的高程異常圖在有些地區(qū), 尤其是山區(qū), 存在較大誤差, 在有些地區(qū)還是空白, 這就使得將GPS大地高程轉(zhuǎn)換至海拔高程的工作變得相對困難, 精度也不均勻。應(yīng)盡量在測區(qū)分布均勻的控制點上聯(lián)測, 求得較精確的高程轉(zhuǎn)換參數(shù)。
(4) 在測量過程中, 有時會出現(xiàn)在某個時間段或區(qū)域內(nèi)解算時間較長, 有時甚至無法獲取固定雙差解。這是可適當(dāng)?shù)奶岣吒叨冉刂菇腔騽h除個別衛(wèi)星。
(5) 電力供應(yīng)問題需要多塊大容量電池、電瓶才能保證連續(xù)作業(yè), 在電力供應(yīng)缺乏或偏遠(yuǎn)作業(yè)區(qū)作業(yè)時要做好充分準(zhǔn)備, 必須帶足備用電池、電瓶。
6 總結(jié)
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天, GPS - RTK技術(shù)給測繪工作帶來了革命性的變化, 它改變了傳統(tǒng)的測量模式, 它能夠?qū)崟r完成厘米級定位精度和在不通視的情況下遠(yuǎn)距離測量坐標(biāo), 它具有需要的測量人員少、速度快、不需要同時觀測、精度高等特點, 能夠極大地提高工作效率。但是它的作業(yè)方式是依賴于有足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈等外界條件, 在礦山測量中顯得很突出, 有時會出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況, 這就需要不斷完善GPS - RTK技術(shù), 尋求先進的作業(yè)方式。隨著CORS參考站的建立,GPRS和CDMA技術(shù)的應(yīng)用, RTK技術(shù)將不斷成熟, 必定會更好的服務(wù)于礦山測量。
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