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        GPS-RTK技術(shù)在廣西大新錳礦露天礦山測量中的應(yīng)用

        2012-12-31 13:13:26
        中國錳業(yè) 2012年3期
        關(guān)鍵詞:流動站錳礦控制點(diǎn)

        劉 鶯

        (中信大錳礦業(yè)有限責(zé)任公司大新分公司,廣西大新 532315)

        0 前言

        RTK(Real Time Kinematic)實(shí)時動態(tài)定位技術(shù),是一項(xiàng)以載波相位觀測為根據(jù)的實(shí)時差分 GPS測量技術(shù),它以 GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合,是 GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一項(xiàng)新突破[1],在1~2 s時間內(nèi)測量精度可達(dá)到厘米級,同時,在RTK測量中,通過實(shí)時計(jì)算的定位結(jié)果,可監(jiān)測基站與用戶站觀測成果的質(zhì)量和解算成果的收斂情況,從而實(shí)時的判定解算結(jié)果是否成功,以減少冗余觀測,縮短觀測時間,因此,RTK測量技術(shù)以其精度高、實(shí)時性和高效性,在測繪中得到廣泛的應(yīng)用。

        實(shí)時動態(tài)測量的基本思想是,在基準(zhǔn)站上安置1臺 GPS接收機(jī),對所有可見 GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測,并將觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備,實(shí)時地發(fā)送給流動站,流動站在接收衛(wèi)星信號的同時,通過內(nèi)置電臺接收基準(zhǔn)站的觀測數(shù)據(jù),根據(jù)相對定位原理,將載波相位觀測值實(shí)時進(jìn)行差分處理,得到基準(zhǔn)站和流動站坐標(biāo)差△x,△y,△z;坐標(biāo)差加上基準(zhǔn)站坐標(biāo),得到流動站的W GS-84坐標(biāo),通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)轉(zhuǎn)換得出流動站每個點(diǎn)的三維坐標(biāo)。

        1 GPS-RTK在露天礦山測量的應(yīng)用

        廣西大新錳礦礦區(qū)長約9 km,寬2~2.5 km,為低山丘陵及中低山地貌,地形起伏較大,地勢西高東低。自1958年建礦以來,已發(fā)展成為一個擁有4個露天采區(qū),3個在用大型排土場的大新露天礦山,年露天采剝總量達(dá)800多萬噸,礦區(qū)范圍廣,控制點(diǎn)少,使用常規(guī)測量方法和儀器勞動強(qiáng)度大,工作效率低,滿足不了礦山日常生產(chǎn)建設(shè)需要,因此引進(jìn)測量新設(shè)備改變現(xiàn)狀顯得及其必要。

        RTK技術(shù)在廣西大新錳礦主要用于礦區(qū)大比例尺地形圖的測繪,露天采場采剝量的驗(yàn)收、排土場測量、征地邊界、開采臺階終了邊坡等工程放樣等。所使用的儀器為美國光譜公司生產(chǎn)的EPOCH25型RTK1+1雙頻接收機(jī),其精度指標(biāo)為:實(shí)時RTK平面精度1 cm+1×10-6(×基線長度)[2],高程精度為2 cm+1×10-6(×基線長度),作業(yè)距離可達(dá)15 km。

        1.1 內(nèi)業(yè)準(zhǔn)備

        在實(shí)施 GPS外業(yè)測量前,應(yīng)事先對測區(qū)進(jìn)行踏勘,搜集礦區(qū)控制點(diǎn)資料,包括控制點(diǎn)坐標(biāo)、高程、等級、中央子午線、坐標(biāo)系、控制網(wǎng)類型、控制點(diǎn)的位置及周圍地形是否適合作動態(tài)GPS的參考站。

        1)根據(jù)工程項(xiàng)目,設(shè)定工程名稱,輸入可用控制點(diǎn)坐標(biāo);

        2)參數(shù)設(shè)置:對數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)觀測時間進(jìn)行設(shè)定,基準(zhǔn)站的地形點(diǎn)為5 s,控制點(diǎn)15 s,流動站的地形點(diǎn)2 s,控制點(diǎn)15 s;高度截止角設(shè)定為13(°)(廣西大新錳礦測區(qū)相對固定,一般1次設(shè)定參數(shù),即可默認(rèn)到每1個新建工程文件直接調(diào)用);

        3)實(shí)施工程放樣前,內(nèi)業(yè)輸入每個放樣點(diǎn)的設(shè)計(jì)坐標(biāo),以便野外實(shí)時、準(zhǔn)確放樣。對于較多的放樣點(diǎn),EPOCH25 RTK手簿可將坐標(biāo)文件以CSV格式通過數(shù)據(jù)傳輸軟件直接導(dǎo)入。

        1.2 基準(zhǔn)站的安置

        基準(zhǔn)站安置是否順利是進(jìn)行 GPS-RTK測量的關(guān)鍵,在選定基準(zhǔn)站站址時應(yīng)注意:

        1)避免在大功率無線電發(fā)射源干擾強(qiáng)烈的地區(qū),如電視臺、微波站等,其距離不小于200 m;遠(yuǎn)離高壓輸電線和微波無線電傳送通道,其距離不小于50 m,以避免電磁場對 GPS信號干擾[3];

        2)為了防止數(shù)據(jù)鏈丟失以及減弱多路徑效應(yīng)的影響,周圍應(yīng)無 GPS信號反射物,如大面積水域、大型建筑物等;

        3)基準(zhǔn)站站址應(yīng)設(shè)在易于安裝設(shè)備、視野開闊的較高點(diǎn)上;

        4)視場周圍15(°)以上不應(yīng)有障礙物,以減少GPS信號被遮擋或被障礙物吸收;

        5)基準(zhǔn)站電臺不宜放在離 GPS接收機(jī)過近的地方,否則電臺信號會干擾 GPS衛(wèi)星信號。同時電臺信號線和電源線過長時不宜卷起來,這樣會因?yàn)闇u流而產(chǎn)生磁場,干擾 GPS信號。

        1.3 GPS-RTK施測及放樣

        GPS-RTK測量是在WGS-84坐標(biāo)系中進(jìn)行的,而大新錳礦礦區(qū)測量是在北京54坐標(biāo)系上進(jìn)行的,存在坐標(biāo)轉(zhuǎn)換問題。尤其是征地邊界、開采臺階邊坡放線時要求實(shí)時給出當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),這使得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換工作非常重要。

        首先在對空視野開闊、四周無各種強(qiáng)電磁干擾源的位置架設(shè)基站,輸入基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)和天線高,然后連接流動站,點(diǎn)擊手簿中 RTK流動站模塊,進(jìn)入RTK點(diǎn)的采集功能,選擇控制點(diǎn)類型,聯(lián)測測區(qū)3個以上高等級控制點(diǎn),通過手簿軟件SPFS v1.20中 GPS點(diǎn)校正方法,求解坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),并得出校正在東/北/高方向的標(biāo)準(zhǔn)偏差。當(dāng)校正結(jié)果合格、對已知控制點(diǎn)進(jìn)行檢查無誤后,流動站即可返回RTK流動站模塊,進(jìn)行地形地物點(diǎn)的采集,或點(diǎn)擊手簿中的放樣模塊進(jìn)行征地邊界或開采臺階邊坡的放樣作業(yè)。1個人對1個流動站進(jìn)行操作,在連續(xù)保持固定解的情況下,在沿線碎部點(diǎn)上只需停留2 s時間就可以獲得每點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在RTK放樣模塊,選擇要放樣的點(diǎn),放樣對話框中便實(shí)時的顯示當(dāng)前點(diǎn)和放樣點(diǎn)的差異:東坐標(biāo)/北坐標(biāo)/高程/距離S(東坐標(biāo)、北坐標(biāo)差的矢量結(jié)果)和方位角,根據(jù)這些導(dǎo)航數(shù)據(jù),測量員可快速找到點(diǎn)位并獲得定位精度。

        1.4 內(nèi)業(yè)處理

        實(shí)時動態(tài) RTK數(shù)據(jù)處理相對簡單,外業(yè)測量采集的實(shí)測坐標(biāo)通過手簿的數(shù)據(jù)傳輸軟件,直接下載到計(jì)算機(jī)內(nèi),轉(zhuǎn)換成DAT格式,結(jié)合數(shù)據(jù)點(diǎn)采集時輸入的點(diǎn)特征編碼及屬性信息,即可用南方CASS軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)處理。

        在EPOCH25接收機(jī)的實(shí)際應(yīng)用中,通過觀測已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行比對檢核,誤差在厘米級,滿足礦山測量的精度要求。

        2 RTK技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

        1)降低了作業(yè)條件要求

        大新錳礦礦區(qū)一帶地形一般都為山區(qū),在地形復(fù)雜、地物障礙的通視困難地區(qū)進(jìn)行大比例尺地形測量或者征地邊界放線時,傳統(tǒng)測量受到限制,需要增加大量控制點(diǎn)和多次搬站,而RTK技術(shù)不要求點(diǎn)間通視,受通視條件、能見度、氣候、季節(jié)等因素的影響和限制較小,只要把基準(zhǔn)站放在測區(qū)中心視野開闊的較高點(diǎn)上,流動站在滿足其基本工作條件下,就可以在幾千米的范圍內(nèi)采集,并輕松地進(jìn)行快速、高精度的定位作業(yè)。

        2)作業(yè)效率高

        以往采區(qū)驗(yàn)收測量時,采用1臺全站儀,3個人需要2 d時間,而采用RTK在中部采區(qū)地勢較為開闊的點(diǎn)架設(shè)基站,1個人1 d時間就可以完成4個采區(qū)的采剝量驗(yàn)收測量,大大減少了傳統(tǒng)測量所需控制點(diǎn)數(shù)和測量儀器搬站次數(shù);同樣,在臺階邊坡和征地邊界放線時,采用全站儀等常規(guī)儀器,往往需要對講機(jī)指揮來回移動目標(biāo),而且要2~3人操作,在放樣過程中還要求點(diǎn)間通視情況良好,有時在放樣過程遇到困難的情況要借助于其他方法。采用RTK技術(shù)只需將設(shè)計(jì)好的點(diǎn)位坐標(biāo)輸入電子手薄中,根據(jù)手薄動態(tài)直觀的導(dǎo)航數(shù)據(jù)走到放樣位置,1個人就可以完成,既迅速又方便,還可以設(shè)置放樣不通視或難以跨越2點(diǎn)間連線上的點(diǎn)。因此,無論是測點(diǎn)還是放線,RTK的作業(yè)速度都較快,勞動強(qiáng)度低,節(jié)省了時間和人力,提高了勞動效率。

        3)操作簡便且數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)

        只要在設(shè)站時進(jìn)行簡單設(shè)置,就可邊走邊獲得測量結(jié)果。數(shù)據(jù)輸入、存儲、處理、轉(zhuǎn)換和輸出能力強(qiáng),能方便快捷地與計(jì)算機(jī)、其它測量儀器通信。

        4)點(diǎn)位精度均勻穩(wěn)定和整體精度連續(xù)性強(qiáng)

        全站儀等儀器在多次搬站后,都存在誤差累積,搬站越多,累積越大,影響測量點(diǎn)或放樣點(diǎn)的精度,而采用GPS-RTK技術(shù)采集的每1個點(diǎn)都為獨(dú)立觀測點(diǎn),不存在誤差積累。

        3 存在的問題及其解決辦法

        3.1 存在的問題

        在應(yīng)用EPOCH25接收機(jī)測量過程中存在一些問題。

        1)衛(wèi)星信號局限性

        RTK初始化時,需要5顆以上衛(wèi)星。隨礦區(qū)露天開采進(jìn)行,采場不斷向下延伸,地勢較周圍越來越低,進(jìn)行RTK測量時,衛(wèi)星接收信號受到限制,無法初始化或得不出固定解。同樣,地形起伏高差較大的山區(qū)和密林區(qū),衛(wèi)星接收信號也受到限制。這些信號隱蔽地區(qū),需配合常規(guī)測量方法測量。

        2)天空環(huán)境影響

        中午受電離層干擾大,共用衛(wèi)星數(shù)少,常接收不到5顆衛(wèi)星,因而初始化時間長甚至不能初始化,就無法進(jìn)行測量。在大新錳礦礦區(qū),同樣條件和同樣地點(diǎn),中午時分通常很難進(jìn)行RTK測量,而上午11點(diǎn)前和下午3點(diǎn)30后,接收衛(wèi)星可達(dá)到8顆以上,RTK測量結(jié)果快而準(zhǔn),因此選擇作業(yè)時段很重要。

        3)數(shù)據(jù)傳送問題

        能否連續(xù)地、可靠地接收基準(zhǔn)站發(fā)射的信號,是RTK測量的關(guān)鍵,但是RTK的數(shù)據(jù)鏈傳輸易受到障礙物如高大山體、各種高頻信號源的干擾,傳輸過程中衰減嚴(yán)重,因此,除了布設(shè)好的基準(zhǔn)站位置(如選取較高點(diǎn)、遠(yuǎn)離干擾源),還必須進(jìn)行質(zhì)量控制。

        3.2 質(zhì)量控制方法

        1)已知點(diǎn)檢核比較法

        在布測控制網(wǎng)時用靜態(tài) GPS或全站儀多測出一些控制點(diǎn),然后用RTK測出這些控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較檢核,發(fā)現(xiàn)問題即采取措施改正[4]。

        2)重測比較法

        每次初始化成功后,先重測1~2個已測RTK點(diǎn)或高精度控制點(diǎn),確認(rèn)無誤后才進(jìn)行RTK測量。

        以上方法中,可靠的是已知點(diǎn)檢核比較法,但控制點(diǎn)的數(shù)量總是有限的,所以沒有控制點(diǎn)的地方需要用重測比較法來檢驗(yàn)測量成果;在使用重測比較法時發(fā)現(xiàn),RTK成功初始化后馬上進(jìn)行測量,高程誤差較大,為3~4 dm,因此需要 RTK穩(wěn)定 1~2 min后再進(jìn)行測量。

        4 結(jié)語

        GPS-RTK測量技術(shù)給現(xiàn)代礦山測量帶來重大的技術(shù)變革,極大方便了礦山測量工作者。其作業(yè)方式依賴于接收足夠的衛(wèi)星數(shù)、穩(wěn)健的數(shù)據(jù)鏈等外界條件,有時會出現(xiàn)無法正常作業(yè)的情況,但具有測量人員少、速度快、觀測點(diǎn)間不需通視、精度高等特點(diǎn),在作業(yè)面積范圍大、通視條件差的區(qū)域,仍然具有常規(guī)測量無可比擬的優(yōu)勢。隨著科技的不斷進(jìn)步,RTK技術(shù)必將不斷成熟,更好地服務(wù)于礦山測量。

        [1]蔣輝,潘慶林,劉三枝.數(shù)字化測圖技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006:45-48.

        [2]Spectra Precision.Epoch 25雙頻 GPS系統(tǒng)用戶指南[Z].[S.l.]:Spectra Precision,2006.

        [3]徐紹栓,張華海,楊志強(qiáng),等.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2003:112.

        [4]余兵.RTK在工程測量中的應(yīng)用初討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報,2010(20):101.

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