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        TMCORS在燕子山礦近井控制網(wǎng)恢復(fù)重建中的應(yīng)用

        2019-04-12 06:10:46姚苗利
        中國煤炭 2019年3期
        關(guān)鍵詞:燕子基線基準(zhǔn)

        姚苗利

        (大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司地質(zhì)勘測處,山西省大同市,037003)

        同煤集團(tuán)目前存在礦井分布范圍廣、地形起伏大、地面沉陷導(dǎo)致地面控制點(diǎn)破壞、控制點(diǎn)恢復(fù)和維護(hù)成本高等問題,導(dǎo)致傳統(tǒng)測量模式已無法滿足日常測量的需要,隨著全球定位系統(tǒng)技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用,衛(wèi)星定位連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站(Continuously Operating Reference Station,簡稱CORS)成為現(xiàn)代GPS的發(fā)展熱點(diǎn)之一,同煤集團(tuán)連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(即TMCORS)正是在這一背景下建設(shè)起來的。該技術(shù)利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GNSS)技術(shù),在一個(gè)區(qū)域內(nèi),按一定距離建立一個(gè)或若干個(gè)長年連續(xù)運(yùn)行的固定定位參考站,利用數(shù)據(jù)通信設(shè)備、計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù),實(shí)時(shí)地通過GSM/GPRS無線電話或互聯(lián)網(wǎng)向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動(dòng)地提供經(jīng)過檢驗(yàn)的不同類型的 GPS 觀測值(載波相位、偽距)、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息以及其他有關(guān) GPS 服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)。CORS系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò),可實(shí)現(xiàn)全天候、高精度、高時(shí)空分辨率、高效率、高覆蓋率的作業(yè),能夠?qū)崟r(shí)、快速、高精度地獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征,給礦山測繪行業(yè)帶來了深刻的變革。

        1 概況

        1.1 TMCORS簡介

        同煤集團(tuán)TMCORS系統(tǒng)于2013年5月開始選址建設(shè),目前已建成5個(gè)GNSS連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站,基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)最長邊長50 km,最短邊長20 km,形成同煤集團(tuán)在大同煤田和寧武朔南煤田范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全覆蓋,TMCORS基準(zhǔn)站分布如圖1所示。該系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站子系統(tǒng)(RSS)、系統(tǒng)管理中心(SMAC)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)(DCS)、用戶數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)(DTS)和用戶應(yīng)用子系統(tǒng)(UAS)五部分,系統(tǒng)采用徠卡公司SmartTrack+和SmartCheck+技術(shù),配備5臺(tái)GRX1200型參考站接收機(jī)和系統(tǒng)管理軟件Leica GNSS Spider,滿足實(shí)時(shí)和事后不同行業(yè)、不同用戶和不同精度的要求。

        圖1 TMCORS基準(zhǔn)站分布圖

        通過TMCORS配套的徠卡GPS SpiderNET 軟件,可實(shí)現(xiàn)對(duì)基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的連續(xù)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)分析和誤差建模,在消除電離層、對(duì)流層等影響后,為長基線、高精度的網(wǎng)絡(luò) RTK 提供標(biāo)準(zhǔn)RTCM V3.0主輔站網(wǎng)絡(luò)改正信息,相比傳統(tǒng)RTK技術(shù),在更遠(yuǎn)距離和更大范圍覆蓋內(nèi)實(shí)現(xiàn)了均一精度下的可靠性。同時(shí),可實(shí)現(xiàn)連續(xù)不斷的原始數(shù)據(jù)流傳輸,并根據(jù)設(shè)定的時(shí)間間隔自動(dòng)下載基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù),觀測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可用于GPS控制網(wǎng)的平差計(jì)算。

        1.2 燕子山礦近井控制網(wǎng)

        燕子山礦始建于1978年,原井上下測量系統(tǒng)是老舊的1964礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng),該坐標(biāo)系統(tǒng)是基于54坐標(biāo)系(橢球坐標(biāo)參數(shù):長半軸a=6378245 m,短半軸b=6356863.0188 m,扁率α=1/298.3)建立的國家二等三角網(wǎng)。燕子山礦經(jīng)歷20多年開采后,由于開采沉陷、點(diǎn)位移動(dòng)和破壞、開采工作面變化等情況,現(xiàn)地面近井控制網(wǎng)已不能滿足井上井下生產(chǎn)建設(shè)需要,因此需在現(xiàn)有地面近井控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上恢復(fù)重建D級(jí)GPS近井控制網(wǎng)。高程控制網(wǎng)采用水準(zhǔn)測量的方式重建,本文暫不討論。

        重建的燕子山礦GPS近井控制網(wǎng)共20個(gè)點(diǎn)位,其中原有平面控制點(diǎn)4個(gè),分別為夏家河、紙坊頭、舊高山南、新高山,但由于點(diǎn)位移動(dòng)等原因,精度已無法滿足測量要求,新埋設(shè)點(diǎn)位16個(gè),聯(lián)測TMCORS塔山(tash)、鐵峰(tief)、燕子山(yzsh)3個(gè)基準(zhǔn)站,利用3個(gè)站點(diǎn)的礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)來恢復(fù)重建燕子山礦GPS近井控制網(wǎng),恢復(fù)重建的燕子山礦GPS控制網(wǎng)網(wǎng)型如圖2所示。

        圖2 燕子山礦GPS控制網(wǎng)網(wǎng)型示意圖

        2 數(shù)據(jù)觀測

        按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》以及項(xiàng)目設(shè)計(jì)書要求進(jìn)行選點(diǎn)、埋石和儀器檢驗(yàn),觀測設(shè)備為徠卡GS09、GS08和中緯Znith45、Znith15等8臺(tái)儀器和3個(gè)CORS基準(zhǔn)站,采用GPS 靜態(tài)測量方法進(jìn)行同步觀測,同時(shí)段觀測 1 h,共觀測 4 個(gè)時(shí)段,平均重復(fù)設(shè)站為 1.9,滿足國家GPS測量規(guī)范D級(jí)GPS觀測網(wǎng)觀測時(shí)段不小于1.6的要求。

        野外觀測按照D級(jí)GPS網(wǎng)的基本技術(shù)規(guī)定進(jìn)行,根據(jù)觀測計(jì)劃對(duì)野外作業(yè)進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。用三腳架安置天線時(shí),其對(duì)中誤差不應(yīng)大于1 mm,在檢查接收機(jī)電源電纜和天線等各項(xiàng)連接無誤后,方可開機(jī),并檢查有關(guān)指示燈與儀表顯示是否正常。接到調(diào)度指令開始記錄數(shù)據(jù)后,觀測員要防止接收設(shè)備震動(dòng),更不得移動(dòng),防止人員和其他物體碰動(dòng)天線或阻擋信號(hào),觀測期間,不應(yīng)在天線附近50 m范圍以內(nèi)使用電臺(tái),不應(yīng)在10 m范圍以內(nèi)使用對(duì)講機(jī),不得改變接收機(jī)的設(shè)置,如發(fā)生特殊情況應(yīng)及時(shí)通知調(diào)度員。觀測人員應(yīng)及時(shí)做好記錄,提前了解所用接收設(shè)備的天線高量取方法,每時(shí)段觀測前后應(yīng)各量取天線高一次,兩次量高之差不應(yīng)大于3 mm,取平均值作為最后的天線高。

        觀測開始前應(yīng)檢查基準(zhǔn)站點(diǎn)接收機(jī),以及基準(zhǔn)站點(diǎn)與數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器連接情況,確保數(shù)據(jù)可以正常接收并回傳至數(shù)據(jù)處理中心。觀測結(jié)束后,應(yīng)及時(shí)將GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站相同觀測時(shí)段的數(shù)據(jù)下載,并進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的完整性、正確性和可靠性檢核,經(jīng)檢核無誤后方可進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

        2.1 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)下載

        TMCORS可以將實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)處理中心進(jìn)行結(jié)算,同時(shí)具備在站點(diǎn)服務(wù)器中連續(xù)存儲(chǔ)基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)的功能,并將觀測數(shù)據(jù)以1 h為間隔打包回傳至數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器保存。因此可利用FTP訪問的方式,通過Leica GRX1200+ GNSS Web Interface網(wǎng)頁從站點(diǎn)服務(wù)器上下載相應(yīng)時(shí)段的觀測數(shù)據(jù),或者直接從本地服務(wù)器磁盤上下載,下載的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)格式為RTCM格式,無需轉(zhuǎn)換可直接參與數(shù)據(jù)解算,F(xiàn)TP方式訪問站點(diǎn)服務(wù)器界面如圖3所示。

        圖3 FTP方式訪問站點(diǎn)服務(wù)器

        2.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

        為保證數(shù)據(jù)處理順利進(jìn)行,需利用Leica Geo Office(LGO)軟件將其他觀測儀器觀測的GPS觀測數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為RINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。打開LGO軟件,新建項(xiàng)目后選擇“輸入”菜單導(dǎo)入原始觀測數(shù)據(jù),經(jīng)軟件處理后選擇“輸出”菜單導(dǎo)出rinex格式數(shù)據(jù),LGO軟件操作界面如圖4所示。

        圖4 LGO軟件操作界面

        3 數(shù)據(jù)解算

        數(shù)據(jù)解算采用美國天寶公司隨機(jī)配備的商用數(shù)據(jù)處理軟件 Trimble Business Center(TBC)進(jìn)行解算,該軟件是Trimble的新一代后處理軟件,該軟件能夠自動(dòng)識(shí)別 GNSS 文件格式,支持導(dǎo)入帶非標(biāo)準(zhǔn)格式的 ASCII 文件,可以快速處理靜態(tài)基線,處理包括 GPS 的 L1/L2/L5 以及 GLONASS 的數(shù)據(jù),可以高效處理基線和網(wǎng)平差,并能夠?qū)С鲈敿?xì)的各類處理報(bào)告。

        GPS數(shù)據(jù)平差步驟主要包括導(dǎo)入靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)、基線處理、檢查閉合環(huán)報(bào)告、自由平差、約束平差和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

        3.1 基線處理

        本次聯(lián)測共有重復(fù)基線214條,通過手動(dòng)干預(yù)衛(wèi)星信號(hào)、禁用基線等方式剔除不良數(shù)據(jù)后,解算得到固定解?;€處理結(jié)果水平精度為0.002~0.008 m,垂直精度在0.002~0.032 m之間?;€處理完畢后,檢查GNSS回線閉合結(jié)果,GNSS回線閉合結(jié)果報(bào)告中長基線一般用PPM值限制,短基線用水平+垂直固定值限制,通過調(diào)整水平+垂直固定值通過GNSS回線閉合檢查。基線和GNSS回線閉合處理通過后,及時(shí)保存基線處理報(bào)告和GNSS回線閉合結(jié)果報(bào)告。通過統(tǒng)計(jì)本次解算的214條基線水平精度和垂直精度離散分布,可以直觀地了解基線水平精度和垂直精度的分布規(guī)律,進(jìn)一步檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,結(jié)果如圖5所示。

        圖5 基線解算精度離散點(diǎn)分布圖

        通過對(duì)基線精度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn),基線水平精度在5 mm以內(nèi)的占57.9%,10 mm以內(nèi)的占99.1%,垂直精度在20 mm以內(nèi)的占64.0%,30 mm以內(nèi)的92.1%,精度較低的基線,主要與其基線長度較長有關(guān),因此控制網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意對(duì)基線長度的控制。

        3.2 網(wǎng)平差計(jì)算

        利用 Trimble TBC 軟件進(jìn)行GPS 控制網(wǎng)的平差計(jì)算。首先進(jìn)行基線向量網(wǎng)在 WGS-84坐標(biāo)系中的三維無約束平差,也稱自由平差。平差后可能會(huì)出現(xiàn)卡方檢驗(yàn)失敗的情況,這時(shí)需對(duì)平差參考因子重新加權(quán)重,點(diǎn)擊權(quán)重值之間的“*”號(hào),軟件會(huì)估算一個(gè)權(quán)值,即可平差合格。無約束平差后東坐標(biāo)最大誤差0.003 m,北坐標(biāo)最大誤差0.004 m,最弱邊水平精度為1∶1502751。

        無約束平差后,在礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系下進(jìn)行約束平差。以TMCORS塔山(tash)、鐵峰(tief)、燕子山(yzsh)3個(gè)站點(diǎn)的礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù),計(jì)算出礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)下的成果,并與原有控制點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比,約束平差后點(diǎn)位誤差結(jié)果見表1。

        表1 約束平差后點(diǎn)位誤差

        表1數(shù)據(jù)表明,利用TMCORS 3個(gè)站點(diǎn)數(shù)據(jù)解算的坐標(biāo)誤差都小于0.010 m,整網(wǎng)精度較高,滿足D級(jí)GPS控制網(wǎng)的精度要求??刂泣c(diǎn)解算坐標(biāo)與原有坐標(biāo)相差在0.06~0.13 m之間,分析其原因,一是原控制點(diǎn)礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)受觀測設(shè)備和技術(shù)的限制,整網(wǎng)精度不高;二是基于TMCORS建立的礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)與原礦區(qū)獨(dú)立坐標(biāo)系精度指標(biāo)上可能存在偏差。

        4 結(jié)論

        本文通過討論TMCORS在燕子山礦GPS近井網(wǎng)恢復(fù)重建中的應(yīng)用,表明TMCORS在數(shù)據(jù)兼容性、可靠性、觀測精度等方面完全可以滿足D級(jí)GPS控制網(wǎng)建設(shè)的要求,通過對(duì)控制網(wǎng)施測過程中問題的總結(jié),可以為類似的控制網(wǎng)恢復(fù)重建提供建設(shè)經(jīng)驗(yàn)。而隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步應(yīng)用和國家CSCS2000坐標(biāo)系的全面啟用,利用TMCORS建立的統(tǒng)一基準(zhǔn),可解決同煤集團(tuán)大同礦區(qū)不同坐標(biāo)系的高精度轉(zhuǎn)換問題,保證整網(wǎng)的精度一致,對(duì)礦區(qū)老舊控制網(wǎng)的恢復(fù)重建工作有重要意義。

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