尹智慧 鐘東升 林 樺

(安徽理工大學(xué)空間信息與測(cè)繪工程學(xué)院,安徽 淮南232001)

1 概述

我國礦產(chǎn)資源豐富,現(xiàn)有礦產(chǎn)儲(chǔ)藏種類多達(dá)數(shù)百種。近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,對(duì)于礦產(chǎn)資源的需求急劇增加,礦山開采愈加頻繁。礦山的開采一方面為國民的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供了保障,但另一方面對(duì)周圍的生態(tài)環(huán)境造成一定的影響。所以對(duì)開采后的礦山進(jìn)行動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)是非常必要的,礦山變形監(jiān)測(cè)主要表現(xiàn)為:地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)、尾礦庫變形監(jiān)測(cè)等[1]。傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)主要有水準(zhǔn)儀、全站儀等,其缺點(diǎn)主要為:出錯(cuò)率高；不能對(duì)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理；不能對(duì)礦區(qū)的變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警；需要大量的人力財(cái)力。為解決上述傳統(tǒng)變形監(jiān)測(cè)的缺點(diǎn),將BDS-3衛(wèi)星導(dǎo)航、數(shù)據(jù)分析與通信等技術(shù)相結(jié)合,為礦山提供高精度、實(shí)時(shí)、連續(xù)、可靠的變形監(jiān)測(cè)服務(wù),為保障礦區(qū)生產(chǎn)安全,提高生產(chǎn)效益發(fā)揮重要作用,從而進(jìn)一步推動(dòng)我國衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)和服務(wù)創(chuàng)新發(fā)展。

2 研究現(xiàn)狀

過度開采礦產(chǎn)資源造成的地質(zhì)災(zāi)害大多具有隱蔽性的特點(diǎn),采用傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)方法已經(jīng)難以發(fā)現(xiàn)此災(zāi)害。隨著現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)的快速發(fā)展,各種各樣的監(jiān)測(cè)技術(shù)層出不窮,如雷達(dá)遙感、無人機(jī)遙感、遠(yuǎn)距離三維激光掃描、無人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)、全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等,均已應(yīng)用于礦山變形監(jiān)測(cè)。但是對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)方法,既有各自的優(yōu)點(diǎn),也有其局限性。如:雷達(dá)遙感技術(shù)具有面積大、精度高、成本低、可全天候進(jìn)行監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn),但受噪聲、數(shù)據(jù)獲取的時(shí)間間隔、地表植被的覆蓋程度以及最大形變的梯度等因素影響,從而在獲取由于過度采礦導(dǎo)致的塌陷區(qū)的信息存在一定的局限性；無人機(jī)遙感技術(shù)具有實(shí)時(shí)獲取遙感影像、影像空間分辨率高[2]、對(duì)不良天氣可以有效進(jìn)行避開等優(yōu)點(diǎn),但容易受到氣流以及航高、航時(shí)的限制,監(jiān)測(cè)范圍有限；遠(yuǎn)距離三維激光掃描具有數(shù)據(jù)處理的精度高、速度快等優(yōu)點(diǎn),但存在監(jiān)測(cè)死角,只能監(jiān)測(cè)到大部分礦區(qū)；無人機(jī)傾斜攝影測(cè)量技術(shù)具有速度快、精度高、監(jiān)測(cè)的范圍大等優(yōu)點(diǎn),但不論是對(duì)于多旋翼無人機(jī)還是復(fù)合翼無人機(jī)[3],都對(duì)高位細(xì)小地區(qū)的三維重新建模效果不好以及對(duì)礦區(qū)地面變形較小地區(qū),無人機(jī)無法監(jiān)測(cè)到；激光雷達(dá)具有掃描速度快、精度高、穿透性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)[4],但其對(duì)設(shè)備的要求高以及不能獲取污染土壤的污染元素的局限性；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)具有高精度、速度快、可以進(jìn)行連續(xù)實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè),但對(duì)于深坑的環(huán)境容易出現(xiàn)信號(hào)中斷以及多路徑效益嚴(yán)重[5]。由于對(duì)礦區(qū)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的影響因素眾多,針對(duì)以上的研究與不足,提出將BDS-3衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)應(yīng)用于礦山變形動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3 BDS-3 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)定位原理

3.1 BDS-3偽距單點(diǎn)定位原理

BDS-3偽距單點(diǎn)定位的觀測(cè)方程為:

3.2 BDS-3精密單點(diǎn)定位原理

BDS-3精密單點(diǎn)定位的觀測(cè)方程為:

其中,N0為整周模糊度,λ 為波長。

4 BDS-3 衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

4.1 BDS-3衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的可行性分析

對(duì)礦山變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際要求主要為:監(jiān)測(cè)結(jié)果具有較高的精度,變形監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)指標(biāo)基本都需要達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí)的精度;能實(shí)時(shí)獲取動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),可以反映礦山地表連續(xù)的形變特征；受監(jiān)測(cè)環(huán)境的影響小,能進(jìn)行全天候變形監(jiān)測(cè),減少外部環(huán)境對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響；能獲取豐富的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),所獲的數(shù)據(jù)能涵蓋礦山地表形變的全部信息。

針對(duì)以上礦區(qū)監(jiān)測(cè)的要求,對(duì)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在礦山變形監(jiān)測(cè)應(yīng)用的可行性進(jìn)行分析。

4.1.1 BDS-3的MEO衛(wèi)星新增加了B1C、B2a兩個(gè)新頻點(diǎn),BDS-3衛(wèi)星仍繼續(xù)播發(fā)B1I、B3I信號(hào),此外BDS-3新增加兩個(gè)頻點(diǎn)(B1C、B2a),如表1所示,新頻點(diǎn)的增加使得地面上的接收機(jī)可以接受到更多BDS-3衛(wèi)星的信號(hào),增強(qiáng)衛(wèi)星在空間中的幾何分布(即空間幾何構(gòu)型)和提高衛(wèi)星定位的精度和可靠性,進(jìn)而提高礦山變形監(jiān)測(cè)的精度。文獻(xiàn)[7]分析了基于新頻點(diǎn)B1C、B2a的雙頻單點(diǎn)定位精度,表明BDS-3新信號(hào)在東、北、天三個(gè)方向的精度都可以達(dá)到分米級(jí)；文獻(xiàn)[8]研究發(fā)現(xiàn)BDS-3的12顆MEO衛(wèi)星的工作性能相當(dāng)；文獻(xiàn)[9]研究發(fā)現(xiàn)BDS-3數(shù)據(jù)的飽和度以及連續(xù)性方面優(yōu)于GPS。

表1 BDS-3全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)信號(hào)信息

4.1.2 BDS-3可以采用多頻相位模糊度解算(MCAR),整周模糊度的解算是進(jìn)行精密定位的重要前提條件,在實(shí)時(shí)精密定位中,整周模糊度的快速可靠固定非常重要。目前對(duì)模糊度的快速可靠固定的方法有三頻相位模糊度固定(TCAR)法、四頻相位模糊度固定(FCAR)法等,而對(duì)于MCAR的研究較少。文獻(xiàn)[10]通過對(duì)五頻BDS-3數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗(yàn),得出MCAR可以有效的進(jìn)行單歷元的模糊度固定,并且隨著頻率數(shù)量的增加可以顯著的提高模糊度固定的成功率,進(jìn)而提高精密單點(diǎn)定位的精度。

4.1.3 BDS-3接收機(jī)可采用分段Hermite插值方法,來減少衛(wèi)星位置和速度的運(yùn)算時(shí)間。文獻(xiàn)[11]研究了牛頓插值多項(xiàng)式算法與三階的Hermite之間的復(fù)雜度對(duì)比；文獻(xiàn)[12]對(duì)幾種常見的插值算法進(jìn)行比較。以上研究皆是基于GPS或者BDS-2系統(tǒng)進(jìn)行的,而對(duì)于BDS-3的多項(xiàng)式插值研究較少；文獻(xiàn)[13]研究了將Hermite插值應(yīng)用于BDS-3,并提出了一種基于衛(wèi)星的位置和速度分別進(jìn)行插值的分段三次Hermite方法,通過試驗(yàn)證明基于衛(wèi)星位置和速度分別進(jìn)行插值的分段三次Hermite方法耗時(shí)相對(duì)減少。

4.2 BDS-3衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中的局限性

北斗三號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)作為一種前沿的全球定位技術(shù),具有許多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)在礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)中也具有一定的局限性:BDS-3平均可見衛(wèi)星數(shù)隨高度角的變化呈逐漸減少的趨勢(shì),BDS-3的4個(gè)頻率定位精度大致呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。文獻(xiàn)[14]研究結(jié)果表示高度角每增加10°,BDS-3平均可見衛(wèi)星數(shù)減少1顆,當(dāng)高度角為40°時(shí),平均可見衛(wèi)星數(shù)為6顆,BDS-3的4個(gè)頻率的定位精度較差,當(dāng)高度角為20°時(shí),4個(gè)頻率的定位精度最高；BDS-3的MEO衛(wèi)星新增的B1C頻點(diǎn)多路徑誤差較大,周跳現(xiàn)象嚴(yán)重,從而在進(jìn)行B1C/B2a雙頻組合進(jìn)行定位時(shí),定位的精度較差。文獻(xiàn)[15]通過對(duì)BDS-3的B1I/B3I舊頻點(diǎn)和B1C/B2a新頻點(diǎn)是雙頻精密定位和雙頻偽距定位進(jìn)行研究,得出BDS-3新頻點(diǎn)B1C的多路徑誤差較大,且周跳現(xiàn)象嚴(yán)重。

5 結(jié)論

5.1 本文針對(duì)目前礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中存在的問題,如雷達(dá)遙感、無人機(jī)遙感、遠(yuǎn)距離三維激光掃描、無人機(jī)傾斜攝影、激光雷達(dá)等現(xiàn)代測(cè)繪技術(shù)所存在的局限性,以及礦區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)測(cè)量技術(shù)的要求,分析了北斗系統(tǒng)應(yīng)用于礦區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性,最后討論了北斗系統(tǒng)存在的局限性。

5.2 對(duì)BDS-3技術(shù)應(yīng)用于礦區(qū)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的可行性進(jìn)行分析,得出應(yīng)用BDS-3具有的優(yōu)勢(shì)主要有:BDS-3的MEO衛(wèi)星新增加了B1C、B2a兩個(gè)新頻點(diǎn)；BDS-3可以采用多頻相位模糊度解算(MCAR)；BDS-3接收機(jī)可采用分段Hermite插值方法。從而可以提高礦區(qū)變形監(jiān)測(cè)的精度和礦山監(jiān)測(cè)的自動(dòng)化程度等,為推進(jìn)綠色礦山建設(shè)、礦山標(biāo)準(zhǔn)化管理提供保障。

5.3 基于BDS-3技術(shù)的礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)給礦山測(cè)量帶來了重要的技術(shù)革新,方便了監(jiān)測(cè)工作者的日常工作,隨著BDS-3衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善,必將給礦山動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)帶來更大的便利,其在礦山變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒏鼮閺V泛。