GPS—RTK技術(shù)的使用

本文主要介紹實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù)(GPS - RTK) 在礦山測(cè)量中的應(yīng)用。GPS - RTK技術(shù)應(yīng)用于礦山測(cè)量工作中, 主要用于礦區(qū)控制點(diǎn)加密, 地形測(cè)量, 鉆孔、剖面點(diǎn)、探槽、探井、坑口、取樣鉆孔、地質(zhì)點(diǎn)、近井點(diǎn)、坑口位置點(diǎn)的坐標(biāo)放樣與求測(cè),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(cè)量技術(shù), 是以載波相位觀測(cè)量為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS (RTD GPS) 測(cè)量技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本原理是在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī), 對(duì)所有可見(jiàn)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)地觀測(cè),并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備, 實(shí)時(shí)地發(fā)送給用戶觀測(cè)站。在用戶站上, GPS接收機(jī)在接收GPS衛(wèi)星信號(hào)的同時(shí), 通過(guò)無(wú)線電傳輸設(shè)備,接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù), 然后根據(jù)相對(duì)定位的原理, 實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo),其精度可達(dá)到厘米級(jí)。這樣通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算的定位結(jié)果, 便可監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)站與用戶站觀測(cè)結(jié)果的質(zhì)量和解算結(jié)果的收斂情況代寫(xiě)論文, 從而可實(shí)時(shí)地判定解算結(jié)果是否成功, 以減少冗余觀測(cè), 縮短觀測(cè)時(shí)間。

　　112　RTK測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成

　　RTK測(cè)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(jī)。由于雙頻觀測(cè)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(shí), 其接收機(jī)的采樣率應(yīng)與用戶接收機(jī)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(wú)線電發(fā)射臺(tái)與用戶站的接收機(jī)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的軟件系統(tǒng)的質(zhì)量和功能, 對(duì)于保障實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的可行性、測(cè)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(dòng)態(tài)、和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等作業(yè)模式, 實(shí)時(shí)完成對(duì)解算結(jié)果的質(zhì)量分析和評(píng)價(jià)。

　　2　GPS 技術(shù)在礦山測(cè)量中的作業(yè)流程

　　211 　內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備在實(shí)施GPS外業(yè)測(cè)量前, 應(yīng)事先對(duì)測(cè)區(qū)進(jìn)行踏勘, 根據(jù)礦山測(cè)量的特點(diǎn)完成內(nèi)業(yè)的準(zhǔn)備工

　　作, 主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容:

　　(1) 根據(jù)工程項(xiàng)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(dòng)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(shí)施工程放樣前, 內(nèi)業(yè)輸入每個(gè)放樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo)、線路方位角, 以便野外實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確放樣。

　　212 　求定測(cè)區(qū)轉(zhuǎn)換參數(shù)

　　礦山測(cè)量是在北京坐標(biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系上進(jìn)行的, 這就存在WGS - 84坐標(biāo)與北京坐標(biāo)系或獨(dú)立坐標(biāo)系的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題。由于RTK作業(yè)要求實(shí)時(shí)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(duì)于較大型的測(cè)區(qū)事先測(cè)定轉(zhuǎn)換參數(shù),在RTK作業(yè)時(shí), 直接輸入?yún)?shù)和基準(zhǔn)站坐標(biāo)。利用高等級(jí)控制點(diǎn)同一點(diǎn)的2種坐標(biāo)求出的轉(zhuǎn)換參數(shù)。

　　( 2) 也可在RTK作業(yè)時(shí)臨時(shí)求得轉(zhuǎn)換參數(shù)。首先在對(duì)空視野開(kāi)闊的地方設(shè)立基準(zhǔn)站并采集單點(diǎn)定位WGS - 84 坐標(biāo), 然后流動(dòng)站聯(lián)測(cè)3個(gè)以上的高等級(jí)的控制點(diǎn), 求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。

　　213 　基準(zhǔn)站的安置

　　為保證觀測(cè)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(diǎn)上,也可設(shè)立在條件較好的未知點(diǎn)上

　　(2) 基準(zhǔn)站安置應(yīng)選擇在地勢(shì)較高、通視無(wú)遮擋、電臺(tái)有良好覆蓋區(qū)域的地方, 首選是測(cè)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(wú)高壓電線、電視差轉(zhuǎn)臺(tái)、無(wú)線電發(fā)射臺(tái)等干擾源, 周圍應(yīng)無(wú)GPS信號(hào)反射源。

　　(4) 基準(zhǔn)站電臺(tái)的天線應(yīng)架設(shè)在GPS接收機(jī)主機(jī)的北方。因?yàn)槟媳睒O附近是衛(wèi)星的空洞區(qū)。

　　RTK施測(cè)及放樣

　　在測(cè)區(qū)首級(jí)控制的基礎(chǔ)上, 利用點(diǎn)校正方法, 求解坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換參數(shù) 選擇對(duì)天通視較好, 四周無(wú)各種強(qiáng)電磁干擾源的地方設(shè)置基準(zhǔn)站。當(dāng)測(cè)區(qū)可見(jiàn)GPS衛(wèi)星數(shù)在5顆以上、PDOP

　　值小于6時(shí), 一般只需5～15秒就可完成初始化而得到固定解。每臺(tái)移動(dòng)站只需一人即可進(jìn)行測(cè)量作業(yè), 每次開(kāi)始作業(yè)應(yīng)對(duì)已知控制點(diǎn)進(jìn)行檢查, 確保系統(tǒng)無(wú)誤后, 應(yīng)用GPS電子手簿即可進(jìn)行地形地物點(diǎn)、勘探坑道的采集或勘探線剖面、勘探工程點(diǎn)的放樣作業(yè), 每點(diǎn)采集記錄時(shí)間約1～10秒。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)RTK數(shù)據(jù)處理相對(duì)簡(jiǎn)單,外業(yè)測(cè)量采集的實(shí)測(cè)坐標(biāo)通過(guò)手簿的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng), 直接下載到計(jì)算機(jī)內(nèi)?？蛇M(jìn)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(lái)。在勘探工程點(diǎn)放樣上, RTK同樣能實(shí)時(shí)地提供導(dǎo)航數(shù)據(jù), 不僅可以使你快速找到點(diǎn)位, 而且能提供定位精度。如在勘探線上加放點(diǎn)和測(cè)點(diǎn), 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(wú)需對(duì)講機(jī)傳遞導(dǎo)航數(shù)據(jù)和方向, GPS電子手簿導(dǎo)航畫(huà)面讓你輕松快速上點(diǎn)、上線, 極大提高了工作效率, 減輕了測(cè)量人員的工作強(qiáng)度3　RTK應(yīng)用及定位精度分析

　　貴州興仁某礦區(qū)地勢(shì)起伏不大, 天空開(kāi)闊,除個(gè)別地方外對(duì)RTK作業(yè)無(wú)大的影響。該工程控制測(cè)量、勘探剖面線、勘探工程點(diǎn)的放樣均采用RTK作業(yè)。重復(fù)測(cè)量同一控制點(diǎn)的坐標(biāo)較差統(tǒng)計(jì)表, 見(jiàn)表1。相鄰觀測(cè)點(diǎn)間全站儀實(shí)測(cè)和RTK實(shí)測(cè)距離抽樣檢查比較, 見(jiàn)表2。

　　表1　重復(fù)測(cè)量同一控制點(diǎn)的坐標(biāo)較差m

　　Table 1 Coordinate difference ofmeasure the same

　　one control point repeatedlym

　　點(diǎn)號(hào)△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(cè)點(diǎn)間全站儀實(shí)測(cè)和RTK實(shí)測(cè)距離較差m

　　Table 2　Differentmeasurements of electronic total station

　　and RTK between adjacent observation pointsm

　　點(diǎn)號(hào)

　　全站儀實(shí)測(cè)

　　距離

　　RTK實(shí)測(cè)

　　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(lái)看, RTK測(cè)量既可以實(shí)時(shí)提供點(diǎn)位坐標(biāo)和高程, 又可實(shí)時(shí)知道測(cè)量點(diǎn)位精度, 能夠較大地提高工作效率。同時(shí)從測(cè)量結(jié)果來(lái)看,RTK測(cè)量點(diǎn)位精度可達(dá)厘米級(jí), 完全能夠滿足礦山測(cè)量的需要。4 　RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

　　(1) 傳統(tǒng)測(cè)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(cè)量精度、作業(yè)速度都受到很大限制, 在能見(jiàn)度低, 通視條件差的情況下, 有些測(cè)量作業(yè)根本無(wú)法進(jìn)行。而GPS -RTK技術(shù), 解決了這個(gè)問(wèn)題。

　　(2) 定位精度高, 數(shù)據(jù)安全可靠, 測(cè)站間無(wú)需通視。在沒(méi)有已知基準(zhǔn)點(diǎn)或基準(zhǔn)點(diǎn)被破壞而造成的控制點(diǎn)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(cè)繪能力強(qiáng), 作業(yè)集成度高, 易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化?？蓜偃胃鞣N測(cè)量?jī)?nèi)、外業(yè)工作?；鶞?zhǔn)站能夠?yàn)椴煌脩籼峁┒囗?xiàng)信息輸出, 流動(dòng)站利用內(nèi)置軟件控制系統(tǒng), 在作業(yè)時(shí), 無(wú)需人工干預(yù)便可進(jìn)行整周未知數(shù)的動(dòng)態(tài)初始化解算, 使輔助測(cè)量工作極大減少, 作業(yè)精度也自動(dòng)控制和記錄,從而使自動(dòng)化作業(yè)指揮系統(tǒng)的建立成為可能。

　　(4) 操作簡(jiǎn)便, 對(duì)作業(yè)條件要求不高, 數(shù)據(jù)傳輸、處理、存儲(chǔ)能力強(qiáng), 與計(jì)算機(jī)、全站儀等測(cè)量?jī)x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(jī)僅需一個(gè)人操作, 在待測(cè)點(diǎn)等待1～2秒即可獲得該點(diǎn)的坐標(biāo), 外業(yè)效率高 內(nèi)業(yè)便于計(jì)算機(jī)處理, 節(jié)省了時(shí)間和人力。

　　5　RTK技術(shù)存在的問(wèn)題與對(duì)策

        雖然RTK技術(shù)在礦山測(cè)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(cè)量過(guò)程中的一些問(wèn)題:

　　(1) 各觀測(cè)值都是獨(dú)立觀測(cè)的, 儀器是否處于正常狀態(tài), 觀測(cè)的數(shù)據(jù)是否可靠? 在開(kāi)始觀測(cè)前、觀測(cè)一段時(shí)間、觀測(cè)結(jié)束前或儀器失鎖都要聯(lián)測(cè)已知點(diǎn)進(jìn)行比對(duì), 以確定基準(zhǔn)站和流動(dòng)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(cè)量和常規(guī)測(cè)量方法。

　　(3) 高程異常值問(wèn)題, RTK作業(yè)模式要求高程的轉(zhuǎn)換必須精確, 但我國(guó)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(duì)困難, 精度也不均勻。應(yīng)盡量在測(cè)區(qū)分布均勻的控制點(diǎn)上聯(lián)測(cè), 求得較精確的高程轉(zhuǎn)換參數(shù)。

　　(4) 在測(cè)量過(guò)程中, 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)時(shí)間段或區(qū)域內(nèi)解算時(shí)間較長(zhǎng), 有時(shí)甚至無(wú)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(gè)別衛(wèi)星。

　　(5) 電力供應(yīng)問(wèn)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(shí)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(cè)繪工作帶來(lái)了革命性的變化, 它改變了傳統(tǒng)的測(cè)量模式, 它能夠?qū)崟r(shí)完成厘米級(jí)定位精度和在不通視的情況下遠(yuǎn)距離測(cè)量坐標(biāo), 它具有需要的測(cè)量人員少、速度快、不需要同時(shí)觀測(cè)、精度高等特點(diǎn), 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(cè)量中顯得很突出, 有時(shí)會(huì)出現(xiàn)無(wú)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(jìn)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(huì)更好的服務(wù)于礦山測(cè)量。