張青全 平安工程院公司
全球定位系統(tǒng)是美國從20 世紀(jì)70 年代開始研制的用于軍事部門的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng),于1994 年全面建成。GPS 是以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng),它具有全能性、全球性、全天性、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的精密三維導(dǎo)航與定位系統(tǒng),而且具有良好的行干擾性和保密性。因此GPS 技術(shù)率先在大地測量、工程測量、航空攝影測量、海洋測量、城市測量等測繪領(lǐng)域得到了應(yīng)用,并在軍事、交通、通信、資源、管理等領(lǐng)域展開了研究并得到了廣泛應(yīng)用。本文介紹GPS 在新井建設(shè)前期礦井控制測量中的應(yīng)用,并提出幾點(diǎn)體會(huì)和對(duì)GPS 測量誤差來源以及精度控制的認(rèn)識(shí)。
GPS 主要由空間衛(wèi)星星座、地面監(jiān)控站及用戶設(shè)備三部分構(gòu)成。定位是根據(jù)測量中的距離后方交會(huì)定點(diǎn)原理實(shí)現(xiàn)的。在待測點(diǎn)Q 設(shè)置GPS 接收機(jī),在某一時(shí)刻t 同時(shí)接收到3 顆(或3 顆以上)衛(wèi)星S1,S2,S3所發(fā)出的信號(hào)。通過數(shù)據(jù)處理和計(jì)算,可求得該時(shí)刻接收機(jī)天線中心(測站點(diǎn))至衛(wèi)星的距離Q1,Q2,Q3。
本文涉及的工程是某礦區(qū)某礦深部井開發(fā)前期礦山控制測量,給井筒定位、十字基樁建設(shè)以及在今后礦井建設(shè)過程所需資料提供基本控制信息。深部井位于東經(jīng)117°、北緯34°,礦區(qū)面積約80km2,礦區(qū)平均海拔為+30m 左右,主要是耕地和塌陷區(qū),地勢(shì)平坦,以農(nóng)作物為主,通視條件較好。但考慮到工期緊迫,測區(qū)面積大,已知點(diǎn)離測區(qū)較遠(yuǎn)等因素,決定采用GPS 進(jìn)行控制測量。
根據(jù)工程需要和測區(qū)情況,選擇工程E級(jí)GPS 網(wǎng)作為測區(qū)首級(jí)控制網(wǎng)。要求平均邊長在0.2km~5km 之間,最弱邊相對(duì)中誤差不大于1/40000,GPS 接收機(jī)標(biāo)稱精度的固定誤差a ≤10mm,比例誤差系數(shù)b ≤20。本測區(qū)布設(shè)了一個(gè)包含4 個(gè)起算點(diǎn)和5 個(gè)加密點(diǎn)共9 個(gè)控制點(diǎn)的E 級(jí)GPS 網(wǎng),其加密點(diǎn)位編號(hào)為:D044,D049,K1,K2,K5,其點(diǎn)間距最小為230m,最大為1600m,平均為900m,基本滿足E 級(jí)GPS 控制網(wǎng)的布網(wǎng)要求。
首先,室內(nèi)根據(jù)測區(qū)地形情況和下一步測量工作需要,在1:10000 地形圖上進(jìn)行初步設(shè)計(jì);然后,根據(jù)室內(nèi)設(shè)計(jì)的點(diǎn)位到實(shí)地踏勘選點(diǎn),確認(rèn)滿足選點(diǎn)原則和工作需要的點(diǎn)位。GPS 點(diǎn)位的選取以方便交通、便于使用和保存,以及點(diǎn)位基礎(chǔ)堅(jiān)實(shí)穩(wěn)固為首選。由于礦區(qū)多為泥土,需挖坑造標(biāo)、刻鑿GPS 中心標(biāo)志及編號(hào),以紅油漆填涂,以便于GPS 點(diǎn)的保存和使用。
本次GPS 控制網(wǎng)采用GPS 技術(shù)靜態(tài)觀測方法施測。
采用設(shè)備:3 臺(tái)南方雙頻GPS 接受機(jī)(標(biāo)稱精度3mm+1pmm·D,D 以Km 計(jì))。
觀測前由項(xiàng)目負(fù)責(zé)人編寫觀測調(diào)度表,觀測時(shí)滿足技術(shù)表格要求,GPS 接收機(jī)要求精確對(duì)中、整平,點(diǎn)位對(duì)中誤差小于3mm,測前測后兩次量取天線高,其較差不超過3mm,取中數(shù)為天線高,并準(zhǔn)確記錄測站點(diǎn)號(hào)、點(diǎn)名、天線高、氣候條件及時(shí)段始終時(shí)間,在接收機(jī)觀測過程中,禁止靠近接收機(jī)使用對(duì)講機(jī)及手機(jī),雷雨季節(jié)注意防雷,觀測者不得離開測站,防止人及其物體振動(dòng)、碰動(dòng)天線或遮擋衛(wèi)星信號(hào)。
1.基線解算
GPS 網(wǎng)相鄰間基線長度精度用下式表示:
其中σ 為標(biāo)準(zhǔn)差;a 為固定誤差,本項(xiàng)目取3mm;b 為比例誤差因子,本項(xiàng)目取1mm;D 為相鄰點(diǎn)間基線長度,km。
基線解算以后應(yīng)進(jìn)行以下幾項(xiàng)檢查:
以上數(shù)據(jù)顯示野外觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量良好,附合規(guī)范技術(shù)要求,參加平差的基線有效可靠。
2.無約束平差
GPS 網(wǎng)無約束平差是以三維基線向量方差協(xié)方差陣作為觀測信息,以一個(gè)點(diǎn)的WGS-84 系坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù),進(jìn)行GPS 網(wǎng)的無約束平差。經(jīng)平差解算,其基線分量的改正數(shù)絕對(duì)值的最大分別為Vx=4.6mm,Vy=7.6mm,Vz=5.3mm,均小于3σ,即135.6mm。
3.約束平差
GPS 網(wǎng)的約束平差是利用無約束平差后的可靠觀測量,在測區(qū)已知點(diǎn)確定的1954 北京坐標(biāo)系下進(jìn)行二維約束平差。經(jīng)平差計(jì)算,基線分量的改正數(shù)與無約束平差結(jié)果中的同一基線相應(yīng)改正數(shù)較差的絕對(duì)值最大分別為dVx=5.6mm,dVy=4.8mm,dVz=7.4mm,均小于2σ,即,90.4mm。
二維約束平差結(jié)束后,即在提供測區(qū)已知高程點(diǎn)高程系中進(jìn)行高程擬合計(jì)算,最后得出各新增GPS 點(diǎn)的正常高。
通過計(jì)算得出,最弱點(diǎn)中誤差、最弱邊相對(duì)中誤差、最弱點(diǎn)高程中誤差的數(shù)值,均小于GB/T18341-2001 地質(zhì)礦產(chǎn)勘查測量規(guī)范規(guī)定的最弱點(diǎn)中誤差Mp=±10cm 最弱邊相對(duì)中誤差1/40000、最弱點(diǎn)高程中誤差Mh=±500×1/20=±25cm,因此本網(wǎng)的二維約束平差完全符合E 級(jí)GPS 網(wǎng)的精度要求。
根據(jù)網(wǎng)的最弱點(diǎn)精度Mp ≤10cm,最弱點(diǎn)高程中誤差Mh ≤25cm 的要求,GPS 網(wǎng)點(diǎn)兩期點(diǎn)位較差的允許值應(yīng)為:
點(diǎn)位較差根據(jù)網(wǎng)的兩期二維平面坐標(biāo)按下式計(jì)算:
故兩期網(wǎng)點(diǎn)坐標(biāo)之差應(yīng)滿足dpi≤δp=28.2cm 的要求。
1.通過此次測量,充分體現(xiàn)了GPS 技術(shù)精度高,設(shè)備適合野外作業(yè),操作簡單、高度集成的特點(diǎn)。盡管野外干擾因素多,但由于GPS 計(jì)算軟件的功能強(qiáng)大,在自動(dòng)處理數(shù)據(jù)方法的同時(shí),輔以人工干預(yù)模式,通過一系列數(shù)據(jù)預(yù)處理、檢核、GPS 網(wǎng)平差,通過三維無約束平差、二維約束平差、GPS高程擬合,同樣獲得高精度GPS 點(diǎn)。
2.對(duì)于GPS 控制網(wǎng)基線測量,基線長度較短的情況下(最大長度不超過30km),GPS 的軌道誤差(星歷誤差)、太陽光壓影響以及美國SA 技術(shù)基本對(duì)測量精度不產(chǎn)生影響(它只能影響單點(diǎn)定位和長基線測量結(jié)果)?;€長度在20km-30km 的GPS 控制網(wǎng),采用單頻GPS 接收機(jī)測量的效果比較好,完全能滿足礦山測量的需要,GPS 高程測量也能代替四等水準(zhǔn)測量,當(dāng)施工對(duì)高程要求比較高的情況下,GPS 點(diǎn)高程要慎用。
3.作業(yè)過程中,在GPS 接收機(jī)滿足作業(yè)精度要求的情況下,測量誤差主要來源于多路徑誤差、周跳和點(diǎn)位的對(duì)中誤差。