張彥軍

[摘要]本文根據(jù)近年來(lái)自己從事礦山山區(qū)控制測(cè)量的相關(guān)工作的經(jīng)驗(yàn)，以某礦山山區(qū)控制測(cè)量為背景，探討了目前GPS技術(shù)應(yīng)用于礦山山區(qū)控制測(cè)量的方法，分析了GPS技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)控制測(cè)量的整個(gè)技術(shù)流程，希望借此分析能對(duì)以后的工作有所幫助。

[關(guān)鍵詞] GPS 礦山 控制測(cè)量

[中圖分類(lèi)號(hào)] P228.4 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2014）-7-223-2

1GPS技術(shù)的簡(jiǎn)介

GPS的別名是全球定位系統(tǒng)，是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，并于1994年建成的，具有對(duì)海、陸、空進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS是由空間星座、地面控制和用戶(hù)設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS的測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確，快速高效的提供所查詢(xún)目標(biāo)的精確三維坐標(biāo)以及一些其他的相關(guān)信息。這種技術(shù)現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于軍事，船舶、飛機(jī)、汽車(chē)等的導(dǎo)航和定位，同時(shí)還被應(yīng)用到大地測(cè)量，野外考察探險(xiǎn)以及日常生活等不同領(lǐng)域。GPS全站儀的發(fā)展在地形和土地測(cè)量以及各種工程、變形、地表沉陷監(jiān)測(cè)中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。

GPS技術(shù)使用的要求：（1）有效觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)不小于4顆；（2）觀測(cè)時(shí)段大于60分鐘；（3）衛(wèi)星高度截止角大于十五度；（4）衛(wèi)星幾何圖形因子GDOP值小于6；（5）精度因子PDOP值大于6：（6）數(shù)據(jù)采集間隔為15s；（7）數(shù)據(jù)采集方式為實(shí)時(shí)采集。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶(hù)設(shè)備部分—GPS信號(hào)接收機(jī)。

1.1GPS衛(wèi)星星座

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS衛(wèi)星星座。這24顆衛(wèi)星均勻的分布在6個(gè)軌道內(nèi)，平面內(nèi)軌道的傾角為五十五度，要保證每個(gè)軌道平面之間相距60度（軌道的升交點(diǎn)赤經(jīng)各相差60度）。每個(gè)軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬(wàn)公里高空的GPS衛(wèi)星當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵?lái)說(shuō)自轉(zhuǎn)一周時(shí)它們繞地球運(yùn)行二周即繞地球一周的時(shí)間為12恒星時(shí)。在用GPS信號(hào)導(dǎo)航定位時(shí)為了結(jié)算測(cè)站的三維坐標(biāo)必須觀測(cè)4顆GPS衛(wèi)星稱(chēng)為定位星座。

1.2GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)

對(duì)于地面監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)航定位來(lái)說(shuō)，GPS衛(wèi)星是一個(gè)動(dòng)態(tài)已知點(diǎn)。測(cè)量點(diǎn)的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷，描述衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射出來(lái)的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備能否正常工作以及衛(wèi)星能否一直沿著預(yù)定軌道運(yùn)行，都是要由地面設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制的。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)—GPS標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測(cè)各顆衛(wèi)星的時(shí)間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶(hù)設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個(gè)主控站、三個(gè)注入站和五個(gè)監(jiān)測(cè)站。

1.3GPS信號(hào)接收機(jī)

GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出觀測(cè)站的三維位置位置甚至三維速度和時(shí)間。

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)是一種可供無(wú)數(shù)用戶(hù)共享的信息資源。對(duì)于陸地、海洋和空間的廣大用戶(hù)只要用戶(hù)擁有能夠接收、跟蹤、變換和測(cè)量GPS信號(hào)的接收設(shè)備即GPS信號(hào)接收機(jī)?？梢栽谌魏螘r(shí)候用GPS信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位測(cè)量。根據(jù)使用目的的不同用戶(hù)要求的GPS信號(hào)接收機(jī)也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機(jī)產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來(lái)分類(lèi)。

靜態(tài)定位中的GPS接收機(jī)在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中保持固定不變接收機(jī)高精度地測(cè)量GPS信號(hào)的傳播時(shí)間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機(jī)天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動(dòng)態(tài)定位則是用GPS接收機(jī)測(cè)定一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)行軌跡。GPS信號(hào)接收機(jī)所位于的運(yùn)動(dòng)物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機(jī)行走的車(chē)輛等）。載體上的GPS接收機(jī)天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過(guò)程中相對(duì)地球而運(yùn)動(dòng)接收機(jī)用GPS信號(hào)實(shí)時(shí)地測(cè)得運(yùn)動(dòng)載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

1.4GPS定位原理

GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時(shí)間信息，用戶(hù)接收到這些信息后，經(jīng)過(guò)計(jì)算求出接收機(jī)的三維位置三維方向以及運(yùn)動(dòng)速度和時(shí)間信息。

1.5GPS定位的特點(diǎn)

GPS定位系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：測(cè)量精度高、全天候、效率高、多功能、操作簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)。

測(cè)時(shí)間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20千米之內(nèi)的，相對(duì)靜的態(tài)定位只需要十五到二十分鐘；快速靜態(tài)相對(duì)定位測(cè)量，需要每個(gè)流動(dòng)站與基準(zhǔn)站相距在15千米以?xún)?nèi)，這時(shí)的流動(dòng)站觀測(cè)時(shí)間只需一到兩分鐘，然后可隨時(shí)定位每個(gè)觀測(cè)站也僅僅只需要幾秒鐘的時(shí)間。

觀測(cè)站之間不需要進(jìn)行通視，GPS測(cè)量不要求觀測(cè)站之間進(jìn)行互相通視，只需測(cè)站上空開(kāi)闊即可因此GPS測(cè)量技術(shù)可節(jié)省大量的經(jīng)費(fèi)。由于不需要進(jìn)行通視，定點(diǎn)位位置可以根據(jù)需要可稀可密的進(jìn)行選點(diǎn)工作甚，可以省去大量的繁瑣的測(cè)量工作。

2GPS在礦山山區(qū)測(cè)量中的應(yīng)用，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)

（1）礦山山區(qū)設(shè)置的各個(gè)觀測(cè)站之間不需要進(jìn)行通視觀測(cè)，這樣就能減少在礦山山區(qū)測(cè)量工作中的經(jīng)費(fèi)的使用同時(shí)還能節(jié)約時(shí)間，而且可以根據(jù)測(cè)量的需要任意的選擇觀測(cè)點(diǎn)。

（2）定位精度高。在礦山山區(qū)中進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候，不像在平地上那么好測(cè)量，山區(qū)的地形都是凹凸不平的，不好選擇觀測(cè)的地點(diǎn)，像一般的測(cè)量工具在這種凹凸不平的地表測(cè)出的數(shù)據(jù)就不是很精確。而GPS這種測(cè)量技術(shù)不管在什么地點(diǎn)都可以對(duì)地標(biāo)進(jìn)行精確的測(cè)量，測(cè)量出的數(shù)據(jù)都可以精確到點(diǎn)，像這樣的測(cè)量精確度是一般測(cè)量手段很難達(dá)到的。

（3）觀測(cè)時(shí)間短。在沒(méi)有發(fā)明GPS技術(shù)之前，利用一般的的靜態(tài)目標(biāo)定位的方法，再根據(jù)需要的精度的不同，一般得花費(fèi)1至3個(gè)小時(shí)。在靜態(tài)目標(biāo)定位方法發(fā)明之后，為了進(jìn)一步的縮短觀測(cè)時(shí)間，隨后發(fā)明了短基線定位方法（這種方法的使用范圍，在不超過(guò)20千米的間距中使用快速相對(duì)定位方法，這種觀測(cè)方法只需要短短幾分鐘就能完成測(cè)量）。礦山山區(qū)山高坡陡還有茂密的森林，地形平均森灌坡度達(dá)20度至30度，因?yàn)檫@種坡度的存在，像要進(jìn)行通視是非常困難的，給控制測(cè)量帶來(lái)了很大的難度，為了適應(yīng)這種難度系數(shù)高測(cè)量，出現(xiàn)了GPS測(cè)量技術(shù)。GPS測(cè)量技術(shù)控制網(wǎng)的布局滿(mǎn)足了工程設(shè)計(jì)及施工的需要，GPS網(wǎng)點(diǎn)緊挨公路而設(shè)點(diǎn)，而且這種點(diǎn)位的設(shè)定要求分布均勻 ，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的設(shè)置至少要與一個(gè)測(cè)量點(diǎn)能夠進(jìn)行通視.某礦山山區(qū)控制測(cè)量數(shù)據(jù)的處理就采用的是GPS，V 數(shù)5.2軟件，這款軟件可以自 動(dòng)處理輸出的基線的基本指標(biāo)，這樣就可以知道基線的解算情況。有一天在操作的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)同步環(huán)4號(hào)點(diǎn)5號(hào)點(diǎn)6號(hào)點(diǎn)的閉合差超過(guò)限度，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)是定點(diǎn)的位置選擇不恰當(dāng)所導(dǎo)致，發(fā)現(xiàn)4號(hào)點(diǎn)選在5號(hào)點(diǎn)的山脊的北面 ，而6號(hào)卻又選擇在5號(hào)點(diǎn)山脊的南面，導(dǎo)致同步環(huán)上的各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的衛(wèi)星不同步，這就需要調(diào)整個(gè)別號(hào)點(diǎn)的位置，這點(diǎn)也是在礦山山區(qū)中使用GPS這種技術(shù)所要注意的。在礦山山區(qū)中使用GPS這種技術(shù)觀測(cè)時(shí)間要根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)來(lái)選擇，比如當(dāng)天衛(wèi)星星歷預(yù)報(bào)顯示在礦山當(dāng)?shù)厣衔?9： 30以前能接收到4顆以上健康衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，并且當(dāng)時(shí)的圖像強(qiáng)度因子（PDOP）值都小于6（當(dāng)圖像強(qiáng)度因子（PDOP）值都小于6時(shí)，觀測(cè)的結(jié)果就不是很好），所以，一般不選擇這個(gè)時(shí)間進(jìn)行觀測(cè)。為了保證在最佳時(shí)間內(nèi)觀測(cè) ，每天的測(cè)量時(shí)間必須安排在5：30～ 9： 30這段時(shí)間進(jìn)行測(cè)量來(lái)確保GPS網(wǎng)的測(cè)量精度，因?yàn)檫@個(gè)時(shí)間段內(nèi)觀測(cè)地點(diǎn)能接收到4顆以上健康衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，并且當(dāng)時(shí)的圖像強(qiáng)度因子（PDOP）值都大于6。

3結(jié)論

本篇論文以某個(gè)礦山山區(qū)控制測(cè)量為背景，探討了目前基于GPS技術(shù)應(yīng)用于礦山山區(qū)控制測(cè)量方法，發(fā)現(xiàn)GPS控制測(cè)量技術(shù)在山區(qū)控制測(cè)量中具有方便、靈活、效率高的作用，GPS控制測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用能減少山區(qū)的對(duì)樹(shù)木的砍伐，對(duì)保護(hù)山區(qū)的生態(tài)環(huán)境有很大的幫助。

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