李 明

（河南省煤田地質局二隊，河南 洛陽 471023）

安陽鑫龍煤業(yè)（集團）紅嶺煤業(yè)有限公司位于安陽市西北38公里處，南距水冶鎮(zhèn)15公里，北邊為主焦煤礦，井田地理坐標為北緯36°14′16″-36°18′36″，東經114°05′38″-114°08′30″。礦區(qū)面積7.0 km2，區(qū)內有省道221線穿過測區(qū)，交通尚屬便利。該公司于1975年建井，后經小煤礦整合和技術改造，設計年產煤炭達90萬t。為保證礦井的正常生產，需要對整個礦區(qū)的井上下測量控制系統(tǒng)進行設計和實測。關于礦區(qū)控制測量的研究，馮文豐、柴華彬、李勝余[1]結合龍王莊礦將衛(wèi)星定位技術應用于風井和副井口附近的近井網設計，通過外業(yè)觀測、內業(yè)數(shù)據處理及精度評定等，獲得了龍王莊礦近井控制網各控制點的坐標，從平差和精度評定的結果來看，近井控制網精度較高，滿足工程要求；劉衛(wèi)軍、王寶山、張獻偉[2]認為礦區(qū)控制網的建立是礦區(qū)一項重要的工作，通過建立禹州礦區(qū)首級(E級)GPS控制網、控制測量、平差計算，論述了GPS在礦山控制測量中的應用。這些研究成果，對近井網設計和控制網建設提供了應用案例，本文研究目的則是在紅嶺煤業(yè)地面選擇控制點，應用衛(wèi)星定位技術實測，用隨機軟件平差計算，求出地面控制點三維坐標并評定測量精度，其意義在于為煤礦生產提供有效的地面控制系統(tǒng)，為礦山生產、數(shù)字礦山、智慧礦山、礦山物聯(lián)網、礦山六大系統(tǒng)的建設及礦山防災減災提供基礎地理框架。為保證控制系統(tǒng)的先進性和技術特色，根據本井田面積和生產規(guī)模設計整個控制測量系統(tǒng)，需要實測E級衛(wèi)星定位點12個，其中已知點3個，新點9個；井下7秒導線路線長4 000余m，需要實測7秒導線54個；井下15秒導線總長1.635 5 km，需要實測15秒導線30個，為提高井下控制測量的精度，另施測陀螺定向邊3條。

1 衛(wèi)星定位控制測量系統(tǒng)的建立

1.1 已有資料的分析及利用

礦區(qū)原有資料系采用1954年北京坐標系和1956年黃海高程系。1977年6月焦作礦業(yè)學院在礦區(qū)布設了四等三角網，其中紅小房、小琢點、小五里澗三點位于礦區(qū)周圍，經過實地踏勘，此三點均遭到破壞，無法利用。河南省煤田地質局物探測量隊于2004年所施測的倫掌鄉(xiāng)C級網3個點（GC03、GC04、GC05），點位保存良好，經分析(見1.3.2)認為可以為本次E級衛(wèi)星定位網的起算依據。紅嶺礦區(qū)工業(yè)廣場原有近井點3個，本次作為新點重新與新網進行了聯(lián)測，統(tǒng)一進行平差計算，保證整個礦區(qū)控制網精度一致。

1.2 衛(wèi)星定位網布設與施測

本次衛(wèi)星定位測量采用整體布網。該網使用2個平面坐標起算數(shù)據，3個水準起算數(shù)據，布設E級衛(wèi)星定位新點9個。為保證圖形結構強度和平差計算精度，以邊連接按同步圖形擴展方式[3]。礦區(qū)生產區(qū)的4個衛(wèi)星定位點位均選在建筑物上，東風井三點選于風井周邊，南風井兩點一個選在建筑物上，另一個選于西柏澗水庫大堤上，兩點間距離約400 m。

衛(wèi)星定位網觀測使用4臺南方測繪儀器公司生產的接收機，其中3臺為雙頻接收機靈銳S86，一臺為單頻接收機9600，觀測精度要求[4]見表1。

表1 E 級衛(wèi)星定位網的精度要求

1.3 衛(wèi)星定位網觀測數(shù)據的處理

1.3.1 基線解算

基線解算一般采用差分觀測值，若在某一歷元中，對k 顆衛(wèi)星數(shù)進行了同步觀測，則可以得到k-1個雙差觀測值；若在整個同步觀測時段內同步觀測衛(wèi)星的總數(shù)為l 則整周未知數(shù)的數(shù)量為l-1[3]。

1）初始平差。

①待定參數(shù)：

②待定參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣：

③單位權中誤差：

通過初始平差，所解算出的整周未知數(shù)參數(shù)XN本應為整數(shù)，但由于觀測值誤差、隨即模型和函數(shù)模型不完善等原因，使得其結果為實數(shù)。為了獲得較好的基線解算結果，必須準確地確定出整周未知數(shù)的整數(shù)值[5]。

2）整周未知數(shù)的確定。

目前所采用的確定整周未知數(shù)的整數(shù)值的方法基本上是以搜索法為基礎的[5]。具體步驟如下：

②從所確定出的每一個整周未知數(shù)的備選整數(shù)值中一次選取一個，組成整周未知數(shù)的備選組，并分別以它們作為已知值，代入原基線解算方程，確定出相應的基線解[5]：

③從所解算出的所有基線向量中選出產生單位權中誤差最小那個基線向量結果，作為最終的解算結果[5]。

但是出現(xiàn)公式（6-7）時，整周未知數(shù)不可解，目前還沒有好的方法得到整數(shù)解基線向量。

ζFf,f;1-α/2是置信水平達到1-α 的F分布的接受區(qū)間，其自由度為f 和f0。公式中：

tr(Q)稱為RDOP值。

3）RATIO。

定義

顯然，RATIO≥1.0。

RATIO 反映了所確定的整周未知數(shù)參數(shù)的可靠性。

4）RDOP。

所謂RDOP 值指的是在基線解算時待定參數(shù)的協(xié)因數(shù)陣的跡（tr（Q））的平方根[5]，即

RDOP 值與衛(wèi)星的幾何分布、運行軌跡和基線位置相關，實踐中RDOP 值和觀測時段有關。

RDOP 度量了GNSS衛(wèi)星狀態(tài)對定位的影響，觀測值質量對RDOP 沒有影響。

5）RMS。

RMS 的實質是均方根誤差，定義為：

其中：V 為觀測值殘差；

P 為觀測值的權值；

n 為觀測值總數(shù)。

RMS 表明了觀測值的質量，觀測值質量越好，RMS 越小，反之，觀測值質量越差，則RMS 越大，它不受觀測條件（觀測期間衛(wèi)星分布圖形）好壞的影響[5]。

根據統(tǒng)計規(guī)律觀測值誤差達到RMS 的1.96倍的區(qū)間內的概率是95%。

6）應用。

RATIO、RDOP 和RMS 這幾個質量指標只具有某種相對意義，它們數(shù)值的高低不能絕對的說明基線質量的高低。若RMS 偏大，則說明觀測值質量較差，若RDOP 值較大，則說明觀測條件較差[5]。

本次觀測中，觀測值殘差控制在±0.25周以內；衛(wèi)星定位基線解算RMS 值控制在0.02 m以下；RATID 設置為95%；RDOP 值只要保證足夠的觀測時間段就能夠滿足基線解算要求，本次外業(yè)觀測中我們每個時段觀測量都大于45 min；基線解算過程中，萬一觀測值改正數(shù)超過設定值，就認定該觀測值可能有粗差，根據軟件自動將其刪去，此次衛(wèi)星定位基線解算同時段數(shù)據剔除基線數(shù)為2條，符合《規(guī)程》10%的要求。

衛(wèi)星定位網基線解算，首先將所有基線向量按多基線解算模式進行基線解算，然后依據質量控制指標對所有基線向量進行優(yōu)化（如刪除時間段，改變衛(wèi)星高度角、刪除衛(wèi)星等），剔除不合格的基線，最后在處理合格的基線中重新用多基線解算模式處理，本衛(wèi)星定位網基線解算對所有同步觀測的基線一并解算。

1.3.2 衛(wèi)星定位網平差

1）衛(wèi)星定位網的無約束平差。

基線解算合格后，開始對所選的基線進行無約束平差，具體方法見文獻[4,6]。

2）衛(wèi)星定位網的約束平差。

起算數(shù)據的檢查采用比較檢查點法。由于起算的控制點埋設時間較長，且處于礦區(qū)附近，某些點位不排除有變形存在，因此，在進行平差解算時，不將所有起算點坐標設為定值，保留一個以上的已知點作為檢核條件，平差后根據該點的平差值和已知值的比較差值評定起算點質量。

本次檢測以GC03為起算點分別計算出GC04和GC05點的坐標來比較判斷，檢測結果如表2、表3。通過比較檢查解算，可以看出GC05相對于GC04點精度偏低，為盡量提高精度，此點不再作為起算數(shù)據。只采用GC03和GC04作為起算點。

表2 已知點坐標及其檢測數(shù)據

表3 邊長檢測與方位角檢測結果

以上E級衛(wèi)星定位網平差軟件使用南方測繪儀器公司隨機的《南方測繪GPS數(shù)據處理》軟件，版本號為4.4。約束平差后精度情況見表4。

表4 約束平差后精度統(tǒng)計

2 結論

通過地面衛(wèi)星定位測量技術建立了一套地面控制測量系統(tǒng)，控制點密度和精度滿足了地面施工、地表沉陷監(jiān)測的需要；整個測量控制系統(tǒng)的建立，方法先進，精度可靠，為礦山生產、數(shù)字礦山、智慧礦山、礦山物聯(lián)網、礦山六大系統(tǒng)的建設及礦山防災減災提供了重要的基礎地理框架，具有重要意義。

[1]馮文豐,柴華彬,李勝余.龍王莊礦GPS近井網設計及精度評定[J].河南理工大學學報：自然科學版,2012（2）:182-185.

[2]劉衛(wèi)軍，王寶山，張獻偉.GPS在礦區(qū)控制測量中的應用[J].河南城建學院學報,2012（1）:64-69.

[3]劉紹堂.RTK在鄭州東新區(qū)建設用地勘測定界測量中的應用[J].北京測繪,2005（3）:55-56.

[4]劉紹堂,趙讓乾,許成功.某煤田地質勘探區(qū)大比例尺測圖GPS測量技術[J].地質裝備，2008(5):29-31.

[5]楊錕.GNSS接收機的檢定及校準方法的研究[D].西安：西安電子科技大學,2009.

[6]劉紹堂,肖海紅,趙站楊.GPSRTK在杭州灣跨海大橋樁基定位中的應用[J].西南科技大學學報:自然科學版,2005（4）：42-45.