彭東方

湖北非金屬地質(zhì)公司，湖北武漢 430030

1 GPS系統(tǒng)組成和應(yīng)用原理

1.1 GPS系統(tǒng)組成

GPS全球定位系統(tǒng)主要由空間衛(wèi)星群和地面監(jiān)控系統(tǒng)兩部分組成，另外也包括測(cè)量用戶的衛(wèi)星接收設(shè)備。GPS的用戶部分由GPS接收機(jī)、數(shù)據(jù)處理軟件和計(jì)算機(jī)、氣象儀器等構(gòu)成，作用是接收GPS衛(wèi)星發(fā)出的信號(hào)，并利用信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航定位。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，目前GPS相關(guān)裝置朝著體積小、重量輕以及精確度高的方向上發(fā)展，為礦山工程測(cè)量控制帶來(lái)了很大的便利。

1.2 GPS技術(shù)應(yīng)用原理

GPS技術(shù)在正式定位測(cè)量過(guò)程中主要使用的定位方法是靜態(tài)相對(duì)定位，該定位方法精確度最高，所以本文只針對(duì)該定位測(cè)量方法的應(yīng)用原理進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

靜態(tài)相對(duì)定位在測(cè)量應(yīng)用中，主要是通過(guò)在基線兩側(cè)測(cè)站上安裝接收機(jī)，然后保持位置不動(dòng)，同步觀測(cè)GPS衛(wèi)星信號(hào)，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理軟件確定基線兩端點(diǎn)在地心地固坐標(biāo)系中的相對(duì)位置。在這一過(guò)程中采用的是載波相位觀測(cè)量，因?yàn)檩d波波長(zhǎng)短，所以測(cè)量的精確度要高于偽距測(cè)量精度，然后通過(guò)不同載波相位觀測(cè)量線性組合，減少信號(hào)傳播誤差和接收機(jī)鐘不同步誤差對(duì)于定位的影響。此外，在該測(cè)量方式中一個(gè)端點(diǎn)測(cè)站的坐標(biāo)已知，可以利用基線向量測(cè)算另一個(gè)測(cè)站點(diǎn)的坐標(biāo)。該理論依據(jù)是因?yàn)閮蓚€(gè)或以上測(cè)站是在同一時(shí)間范圍內(nèi)同步觀測(cè)相同衛(wèi)星信號(hào)的，所以接收機(jī)鐘差、衛(wèi)星軌道誤差以及電離層和對(duì)流層的折射誤差等對(duì)于載波相位觀測(cè)量影響是有一定關(guān)聯(lián)性的。通過(guò)不同觀測(cè)量組合求差進(jìn)行相對(duì)定位，可相應(yīng)降低誤差影響，并提高相對(duì)定位的精確度。

2 GPS技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

2.1 GPS定位精確度高

相比于傳統(tǒng)的平面測(cè)量控制方式，GPS測(cè)量具有定位精確度高的優(yōu)點(diǎn)。目前在大于800km的基線上設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，其精度可以達(dá)到10-8，而在小于50km的基線上進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定位，其精度可以達(dá)到1-2*10-6，在100-500km的基線上，靜態(tài)相對(duì)定位的精確能達(dá)到10-6-10-7。

2.2 GPS作業(yè)時(shí)觀測(cè)站之間不需要通視

在傳統(tǒng)平面測(cè)量控制中，一方面要求保證測(cè)量控制網(wǎng)的幾何結(jié)構(gòu)，另一方面需要有良好的通視條件，一般很難同時(shí)滿足這兩項(xiàng)要求。而在控制測(cè)量中應(yīng)用了GPS測(cè)量技術(shù)以后，所設(shè)立的觀測(cè)站點(diǎn)之間不需要進(jìn)行相互通視，這就大大降低了建造麻煩，省卻了測(cè)量成本，而且還能靈活選擇測(cè)量點(diǎn)。不過(guò)在選擇測(cè)點(diǎn)上必須保證接收機(jī)天線上空比較開(kāi)闊，以免使接收機(jī)GPS衛(wèi)星信號(hào)受到干擾。

2.3 GPS數(shù)據(jù)處理結(jié)果能夠提供三維坐標(biāo)

利用GPS技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，其處理結(jié)構(gòu)可以提供三維坐標(biāo)，這就將平面坐標(biāo)和高程分開(kāi)來(lái)觀測(cè)和計(jì)算。這樣在利用GPS進(jìn)行測(cè)量控制的過(guò)程中一方面可以獲得精確測(cè)定的測(cè)站點(diǎn)平面位置，另一方面也可以測(cè)得高程點(diǎn)位的三維坐標(biāo)。

2.4 GPS能夠全天候作業(yè)

利用GPS進(jìn)行控制測(cè)量一般不會(huì)受到外界氣候環(huán)境的影響，也就是說(shuō)可以全天候開(kāi)展測(cè)量控制作業(yè)，即使是在惡劣氣候條件下也可以進(jìn)行。同時(shí)可以在全球任意點(diǎn)位和任意的時(shí)間進(jìn)行連續(xù)性測(cè)量。

2.5 GPS接收機(jī)輕巧，操作方便

GPS接收機(jī)體積小，重量輕，不管是攜帶還是運(yùn)輸都很方便。此外，在GPS測(cè)量控制作業(yè)中，測(cè)量人員的重點(diǎn)工作是在基線兩側(cè)的測(cè)站點(diǎn)安裝GPS接收機(jī)天線、開(kāi)關(guān)儀器和監(jiān)視儀器，對(duì)于其他衛(wèi)星捕獲、跟蹤觀測(cè)和記錄和數(shù)據(jù)分析都是通過(guò)相應(yīng)儀器設(shè)備自動(dòng)化完成，自動(dòng)化程度高，操作方便。

2.6 觀測(cè)時(shí)間短

利用GPS進(jìn)行觀測(cè)，不僅可以滿足精度上的要求，而且觀測(cè)的時(shí)間也很短。一般根據(jù)觀測(cè)衛(wèi)星數(shù)量的不同以及精度標(biāo)準(zhǔn)的不同，觀測(cè)的時(shí)間在0.5～3h不等。采用靜態(tài)定位測(cè)量方法可以完成一條基線的測(cè)量工作。目前對(duì)于短基線的測(cè)量控制只需要幾分鐘就能完成相對(duì)定位。

3 GPS在礦山工程控制測(cè)量中的應(yīng)用

3.1 工程概況

某礦區(qū)面積大約為90km2，主要以礦區(qū)和山區(qū)為主，有公路和鐵路均勻分布在各個(gè)測(cè)區(qū)之間，交通比較便利，有利于施測(cè)。對(duì)該工程進(jìn)行控制測(cè)量，可用于后續(xù)1∶2000地形圖的測(cè)量。但是考慮到在工期前期施工中，測(cè)量控制網(wǎng)有所破壞，地形又比較復(fù)雜，工期較緊，測(cè)區(qū)通視困難，所以應(yīng)采用GPS技術(shù)進(jìn)行測(cè)量控制。

3.2 控制網(wǎng)的布設(shè)原則

在布設(shè)測(cè)量控制網(wǎng)時(shí)要根據(jù)甲方要求按照GPS測(cè)量規(guī)范來(lái)實(shí)施。其設(shè)計(jì)原則如下：首先，控制網(wǎng)必須要有足夠的閉合環(huán)，也就是控制網(wǎng)要有足夠的獨(dú)立觀測(cè)邊構(gòu)成閉合圖形，這樣可以增強(qiáng)圖形的強(qiáng)度和平差檢驗(yàn)條件；其次，要有一定數(shù)量的點(diǎn)位重合，這是為了便于由已知測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)來(lái)推算待測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)。也就是說(shuō)GPS控制網(wǎng)點(diǎn)要和原有地面上已知控制網(wǎng)點(diǎn)進(jìn)行足夠重合，并使重合點(diǎn)在控制網(wǎng)中均勻分布。網(wǎng)站點(diǎn)還應(yīng)和一定水準(zhǔn)點(diǎn)重合，這是為了給地面水準(zhǔn)計(jì)算研究提供參考依據(jù)。另外，在設(shè)置控制網(wǎng)時(shí)，要確保GPS網(wǎng)點(diǎn)在視野開(kāi)闊的地方，尤其是要保證測(cè)站點(diǎn)高度150°角以上沒(méi)有障礙物。在采用聯(lián)測(cè)方法或者擴(kuò)展控制網(wǎng)時(shí)最好還要注意各個(gè)測(cè)點(diǎn)之間的通視條件。

3.3 GPS網(wǎng)的基本精度要求

GPS網(wǎng)基本精度要求要根據(jù)實(shí)際工程需要來(lái)確定，因?yàn)楸竟こ踢M(jìn)行GPS測(cè)量控制的作用是為了之后礦山測(cè)圖所用，所以根據(jù)甲方要求基本精度要達(dá)到D級(jí)別。GPS平面網(wǎng)的精度指標(biāo)確定還要根據(jù)本項(xiàng)工程精度的需要、所采用的儀器設(shè)備以及技術(shù)條件的影響等，然后根據(jù) 《全球定位系統(tǒng)（GPS） 測(cè)量規(guī)范》 中關(guān)于GPS D級(jí)網(wǎng)相鄰點(diǎn)間距離標(biāo)準(zhǔn)差指標(biāo)要求來(lái)確定。

3.4 GPS測(cè)量的外業(yè)實(shí)施

在GPS測(cè)量外業(yè)實(shí)施中，由于各個(gè)測(cè)站點(diǎn)之間不需要進(jìn)行通視，圖形結(jié)構(gòu)靈活，所以點(diǎn)位的選擇也比較方便。不過(guò)考慮到GPS測(cè)量的特殊性以及為了后期測(cè)量方便，選點(diǎn)時(shí)應(yīng)該注意：首先，每一個(gè)點(diǎn)最好要和某一點(diǎn)進(jìn)行通視，這樣是為了便于后續(xù)測(cè)量使用；其次，選點(diǎn)周圍高度角150°以上不能有障礙物，也就是要保證測(cè)站點(diǎn)接收機(jī)天線上空開(kāi)闊，避免影響GPS信號(hào)接收；此外，點(diǎn)位要遠(yuǎn)離大功率無(wú)線電發(fā)射源和高壓電線等，這是為了避免電磁場(chǎng)對(duì)信號(hào)的干擾，還要選擇在交通便利、視野開(kāi)闊和易于保存的地方。最后，在選點(diǎn)結(jié)束后要根據(jù)相應(yīng)規(guī)定現(xiàn)場(chǎng)澆筑混凝土樁作為標(biāo)記并做好相關(guān)記錄。

在施測(cè)結(jié)束后，需要利用相關(guān)數(shù)據(jù)處理軟件完成基線解算和網(wǎng)平差等數(shù)據(jù)處理，然后獲得GPS控制點(diǎn)的三維坐標(biāo)，并保證同步觀測(cè)精度、異步環(huán)觀測(cè)精度和復(fù)測(cè)基線觀測(cè)精度等精度指標(biāo)要符合設(shè)計(jì)要求。

4 GPS在礦山工程測(cè)量控制中的應(yīng)用前景

4.1 優(yōu)化工程測(cè)量控制模式

GPS技術(shù)在礦山工程測(cè)量控制中的應(yīng)用，使得工程測(cè)量控制模式得到了優(yōu)化，通過(guò)GPS技術(shù)可以獲得三維坐標(biāo)。而所獲得的三維坐標(biāo)可以便于后期測(cè)量工作的開(kāi)展，以及應(yīng)用到其他煤礦工程中。隨著GPS在礦山測(cè)量控制中應(yīng)用越來(lái)越廣泛，在未來(lái)可以為其他煤礦應(yīng)用提供參考依據(jù)，成為煤礦開(kāi)采工程中一項(xiàng)重要的技術(shù)。

4.2 進(jìn)一步提升測(cè)量困難區(qū)域的測(cè)量精度

在應(yīng)用GPS測(cè)量技術(shù)進(jìn)行礦山工程測(cè)量控制之后，其測(cè)量的結(jié)果精確度提升，只要按照要求選點(diǎn)就不會(huì)受到障礙物、磁場(chǎng)等對(duì)信號(hào)的干擾。在未來(lái)發(fā)展中，該技術(shù)應(yīng)被應(yīng)用于更加復(fù)雜和困難的測(cè)量區(qū)域中。因?yàn)镚PS全球定位系統(tǒng)在測(cè)量作業(yè)中受到距離和其他外界因素影響較小，所以能夠適應(yīng)復(fù)雜區(qū)域的測(cè)量，并且使得復(fù)雜的、測(cè)量困難區(qū)域的測(cè)量結(jié)果精確大大提升。

4.3 保證后期測(cè)量作業(yè)成果質(zhì)量

GPS技術(shù)在礦山測(cè)量控制作業(yè)，一般是利用儀器計(jì)算機(jī)程序來(lái)計(jì)算結(jié)果并反映數(shù)據(jù)，隨著需要控制過(guò)程的衛(wèi)星數(shù)量的增多，GPS技術(shù)在為未來(lái)工程測(cè)量控制過(guò)程中將會(huì)使得后期測(cè)量作業(yè)成果的質(zhì)量大大提升，對(duì)于丈量天線高度、點(diǎn)中誤差以及后期平差計(jì)算具有重要作用。

4.4 可解決高程測(cè)量的難度

由于礦山地形復(fù)雜，周邊大多是山嶺山區(qū)，所以在高程測(cè)量上往往存在較大難度。而GPS技術(shù)在礦上工程控制測(cè)量上對(duì)于平面測(cè)量和高程測(cè)量的精度是基本一致的，所以在未來(lái)發(fā)展前景中，能夠更好地降低高程測(cè)量難度。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，GPS技術(shù)在礦山工程測(cè)量控制中的應(yīng)用得到了很好的發(fā)展，技術(shù)也越來(lái)越成熟和完善。隨著衛(wèi)星軌道和鐘差精確度不斷提升，GPS技術(shù)在礦山工程測(cè)量控制中的精度和成熟度也會(huì)越來(lái)越高，受到地形限制越來(lái)越小，有利于促進(jìn)礦山工程測(cè)量和控制質(zhì)量的提高。

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[2] 季享.淺談GPS測(cè)量技術(shù)在礦山工程中的應(yīng)用[J].城市建設(shè)理論研究，2014（12）.

[3] 孟敏.GPS技術(shù)在礦山控制測(cè)量中的應(yīng)用研究[J].科技與企業(yè)，2013（20）.