GPS定位技术在矿区平面控制测量中的应用

GPS定位技术在矿区平面控制测量中的应用

张家贵

张家贵汾西矿业集团双柳煤矿033303

摘要双柳煤矿采用GPS技术建立平面控制网，与传统的平面控制测量相比，不仅降低了测量工作者外业劳动强度大和内业计算工作量大的缺点，而且还提高了平面测量控制精度，为其他煤矿应用该项技术提供了很好的技术保证。

关键词GPS技术平面控制选点观测

1.GPS技术的简介

１.１GPS技术的发展。GPS是全球定位系统(GlobalPositioningSys-tem)的简称,它是美国国防部主要为满足军事部门对海上、陆地和空中设施进行高精度导航和定位的需要而建立的。于1973年开始设计、研制、开发、耗费巨资,历经20年,于1993年全部建成。该系统是新一代卫星导航与定位系统,不仅具有全球性、全天候,连续的三维测速、导航、定位与授时能力,而且具有良好的抗干扰和保密性。

１.２GPS的特点。全球定位系统由空间星座、地面监控和用户设备三大部分组成。如下图所示:

(1)空间星座部分。全球定位系统的空间星座部分由24颗卫星组成GPS卫星星座,其中包括3颗可随时启动的备用卫星。24颗卫星均匀分布在6个近圆形轨道面内,每个轨道面上有4颗卫星。卫星轨道面相对地球赤道面的倾角为55°,各轨道面之间相距60°,卫星距地面的平均高度为202000km,卫星绕地球运行一周的时间为11小时58分。这样的卫星分布可保证在全球任何地区、任何时刻接收机都能至少同时观测到4颗卫星、最多时11颗卫星发射的无线电信号,真正达到了全球性、全天候,连续实时定位的要求。

(2)地面监控部分。GPS的地面监控部分包括1个主控站、3个注入站、5个监控站、及分部全球的跟踪站。

一个主控站设在美国的科罗拉多·斯平土,其主要功能是协调和管理所有地面监控系统的工作,对地面监控站实施全面控制,其具体任务有:根据所有地面监控站的观测资料推算编制各卫星星历、卫星钟差和大气层修正参数等,并把这些数据及导航电文传送到注入站;提供全球定位系统的时间基准,调整卫星状态和启动备用卫星等。

三个注入站分别设在印度洋的迭哥加西亚、南太平洋的卡瓦加兰和南大西洋的阿松森群岛。注入站的主要任务是通过1台直径3.6m的天线,将来自主控站的卫星星历、钟差、导航电广和其他控制指令注入到卫星的导航处理机,指导卫星按规定数据运行和发射电波。

五个监控站共分别设在夏威夷阿拉斯加的埃尔门多夫空军基地、关岛、加里福尼亚的范登堡空军基地和印度洋的迭哥加西亚。监控站的主要任务是连续观测和接收所有GPS卫星发出的信号及当地的气象数据,将伪距、星历、气象数据传送到主控站。

(3)用户设备部分。GPS的用设备部分包括GPS接收机硬件、数理处理软件和微处理机及其终端设备等。GPS接收机是用户设备部分的核心,一般由主机、天线和电源三部分组成。其主要功能是跟踪接收卫星发射的信号并进行变换、放大、处理,以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间,解译导航电文,实时地计算出测站的三维位置,甚至三维速度和时间。GPS接收机的种类很多,按用途不同分为测地型、导航型和授时型三种;按工作原理分为调制码相关、调制码相位和载波平方三种类型;按使用载波频率的多少分为单频接收机和双频接收机,其中以双频接收机为精密定位的主要用机。

矿山测量是矿山企业开发过程中一项重要的基础性技术工作，而传统的平面控制测量方法普遍受地形条件、季节变化和障碍物的影响，存在内外业工作量大、作业时间长、点间距需要通视等缺点。GPS(即全球卫星定位系统)技术以其定位精度高、观测时间短、操作简便和点间无须通视等特点逐渐被广泛应用到大地控制、公路、铁路、隧道工程测量和军事测绘等方面，而在煤矿中的应用也逐步进行推广。

2.概况

双柳煤矿位于山西省柳林县孟门镇，双柳井田东西长7.5km，南北长5.0km，面积约29.6km2。本井田属吕梁山系，为典型的黄土高原地貌，地形形态主要为侵蚀形，表现为强烈的切割梁、峁状黄土丘陵，在孟门沟南、北两侧分布甚广，冲沟密集而狭窄，谷底基岩出露，区内植被稀少。井田位于黄河以东，受其控制井田地势东高西低，较大沟谷呈东西向垂直于黄河分布，井田内最高点位于井田东部吉家塔三角高程点以北，标高+1030m，最低点位于井田西南部的黄河岸边，标高+644m，一般标高750—850m，最大高差386m。一般高差100—200m，为低山地形。区内含21个自然村庄，双柳煤矿主工业广场位于井田东部，郭家山工业广场位于井田中部。

2002年在双柳井田附近有山西煤田地质综合普查队施测的三角网吉家塔、杨家沟、地垄堡、岭上等七个点。该网最大角133°21＇，最小角34°43＇；最长边4.8km，最短边2.6km；测角中误差±1.40〃；最大方位角中误差±2.79〃；最弱点位中误差±0.078m；最弱边相对中误差±1/45400。标石保存完好的三等三角点均可作为四等GPS控制网的起算点使用。在矿井建设初期，双柳煤矿测设了近井点GPS控制网(共4点)由于地面建设还剩3点还能满足生产需要；在郭家山工业广场布设四等GPS控制网时，需重合该点，以保证新布设的四等GPS控制网与原GPS控制网相一致。原成果平面系统为1954年北京坐标系，中央子午线111°、3°带高斯投影，1956年黄海高程系。上述成果精度优良，完全满足现行规范要求。

3.四等GPS平面控制网的布设

在GPS控制测量中，严格按照《煤矿测量规定》、《工程测量规范》、《全球定位系统(GPS)测量规范》和《测绘产品检查验收规定》进行布点、观测和数据处理，测设的四等GPS控制网最弱边相对中误差≤1／4万，最弱点点位中误差≤±5cm。在布设四等GPS平面控制网之前，控制网严格按《工程测量规范》(GB50026-2007)、《全球定位系统(GPS)测量规范》(GB/T18314-2001)、《国家三、四等水准测量规范》(GB/12898-1991)，通过实地勘察，最终确定本测区在原有三个三等三角点吉家塔、地垄堡和岭上的基础上布设四等GPS平面控制网，共计34个点，组成34个同步环，9个异步环，最长边4.8km，最短边0.5km，平均边长0.7km，为了精确标定双柳煤矿郭家山副立井井筒十字中心线的位置，特在郭家山工业广场内布设四个四等GPS点，并兼作近井点之用。

4.选点及埋石

4.1选点

四等GPS控制点选择在便于安置接收设备和操作、视野开阔、被测卫星高度角>15°的地方，测点距无线电发射源(如电视台、微波站等)≥400m，距高压输电线≥200m，其距离点位附近严禁有强烈干扰卫星信号接收的物体，并尽量避开大面积水域；点位地面基础稳定，且利于长期保存。

4.2埋石

根据点位所在的具体位置，本测区四等GPS控制点按如下规格埋设标石：

(1)地面测点混凝土标石规格为：顶部15cm×15cm，底部30cm×30cm，高50cm。埋设时底部铺设40cm×40cm，高20cm的混凝土，顶部加固20cm厚的混凝土，标石顶面与地面持平。

(2)位于楼顶上的测点，采用顶部20cm×20cm，底部30cm×30cm，高15cm的模具现场浇灌。浇灌时将楼顶顶面打毛，打入铜桩，使标石和建筑物顶面牢固连接。

5.数据观测

本测区四等GPS控制网，采用三台标称精度优于5mm+1ppm的Trimble4600LS型单频接收机同步作业。在整个GPS控制系统作业前，对GPS接收机和辅助气象仪器进行详细的检查和校核，并实行专人管理。观测时，保证有效观测卫星总数始终>4颗；观测时段≥6段，时段长度≥120min，时段中任一卫星有效观测时间≥30min，当边长<2km时，观测时间≥30min，当边长>2km时，观测时间≥45min．；数据采样间隔时间15～60s；观测时所选有效观测卫星与测站组成的几何图形保证尽可能坚强，确保点位强度因子(PDOP)值<6。

GPS接收机在开始观测前，先进行预热和静置，并严格按照接收机操作手册进行操作。每一观测组都严格遵守调度命令，按规定的时间进行作业，同步观测同一组卫星。接收机开始记录数据后，观测员认真查看各种信息(如接收卫星数量、卫星号、各通道信噪比、相位测量残差、实时定位结果及其变化和存储介质记录情况等)，记录员随时填写各种测量项目。每时段气象观测≥3次，分别在时段开始时、中间时段，时段结束时。气象观测所用通风干湿表悬挂在测站附近，与天线相位中心大致等高处。悬挂点处尽可能保持通风良好，且避开阳光直接照射。空盒气压表置于测站附近地面，其读数在顾及天线相位中心高度的同时，加入相应的高程修正。每时段观测前后，各量取天线高一次至1mm，两次量高之差<3mm，取平均值作为最后天线高。

数据处理

6.1野外数据检核

观测任务结束后，及时对外业观测数据进行了全面检核，各项检核限差为：

(1)同步环全长相对闭合差ω同≤6ppm；

(2)异步环全长相对闭合差ω异≤6ppm；

(3)复测基线的长度较差限差。式中δ为

相应等级规定的精度(按基线长度计算)，(d为相邻点间距离，单位km)。

本测区四等GPS控制网的验算使用GPSurvey2.35软件，

在微机上进行，最终验算结果如表1。

表1四等GPS控制网验算精度统计

同步环闭合差（ppm）

异步环闭合差（ppm）

复测基线较差（mm）

允许

最大

允许

最大

允许

6.0

14.2

20.0

5.1

±14.0

在现行GPS测量技术中采用的是WGS一84大地坐标系，而本测区需要提供的是1954年北京坐标系和1980坐标系统，因此平差计算在WGS一84坐标系统内进行无约束平差，进行坐标换算后在1954年北京坐标系内进行约束平差。控制网采用吉家塔、地垄堡、岭上三点进行平面约束，用南焉、北李家焉等7点进行高程约束，平差后的精度情况见表2。

表2四等GPS控制网平差后的精度统计

最弱边相对精度（1/万）

最弱点位中误差（cm）

边名

精度

允许

点名

精度

允许

G1～G2

1/10.8

1/4.0

近3

±0.6

±5.0

实践证明，双柳煤矿运用全球定位系统(GPS)进行矿区平面控制，与传统的测量技术相比，定位精度高、观测时间短、操作简便，降低了外业观测强度和内业计算工作量，此项技术可以广泛应用到煤矿控制测量和地形测绘中，为其他煤矿应用该项技术提供了一个很好的范例。

参考文献

【1】乔德广.测绘新技术在煤矿测量中的应用[J].科技论坛，2009（8）.

【2】张国良主编.矿山测量学[M].徐州，中国矿业大学出版社，2001．

【3】陈俊杰，邹友峰.矿山测量在煤矿中的作用及发展趋势[J].中国矿业，2006，(10).

【4】李军.煤矿测量新方法的应用研究[J].测绘通报，2009，(08).