杜素忠 張錄彬 周耀東 易國鵬

(萬寶礦產(chǎn)有限公司蒙育瓦銅礦 北京 100053)

0 引言

邊坡穩(wěn)定性、地基沉降、地表變形等位移安全是露天礦山的主要安全風(fēng)險因素，需要進行實時監(jiān)測，否則容易引發(fā)重大事故。海外露天礦山普遍占地面積廣，監(jiān)測點位多、布局分散、精度要求高，礦山內(nèi)公共通信資源受限、新技術(shù)應(yīng)用少，位移監(jiān)測多數(shù)依靠傳統(tǒng)測量方式，工作效率低、實時性不強、高精度測量過程復(fù)雜?；趯?dǎo)航衛(wèi)星(Global Navigation Satellite System, GNSS)空間定位原理，本文提出一種以北斗導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)為主、美國全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)和俄羅斯導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)(Global naya Navigatsionnaya Sputnikovaya Sistema, GLONASS)為輔的海外露天礦山位移安全實時在線監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，精度高、針對性強，可滿足海外露天礦山24 h連續(xù)在線位移監(jiān)測要求。

蒙育瓦銅礦位于緬甸石皆省境內(nèi)，由L礦和S&K礦兩個大型礦山組成，項目占地面積超過50 km2，采剝總量超過1.5億t/a，屬亞洲目前最大濕法冶金銅礦山。隨著生產(chǎn)的推進，礦山位移安全風(fēng)險逐年升高，需對采場和排土場邊坡穩(wěn)定性[1]、旋回破碎站基礎(chǔ)變形、中間料堆和堆浸場沉降等進行監(jiān)測。本文結(jié)合蒙育瓦銅礦案例介紹系統(tǒng)原理，說明系統(tǒng)具體應(yīng)用方法和效果。

1 位移監(jiān)測

現(xiàn)有位移安全監(jiān)測技術(shù)包括大地測量、無人遙感、雷達干涉和GPS定位監(jiān)測等。大地測量為傳統(tǒng)方法，屬先測量、后分析；無人遙感[2-3]和大地測量原理類似，但測量載體和分析方法不同；合成孔徑或真實孔徑雷達干涉[4]多用于邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測，但需配備專用車輛或在特定角度和位置安裝，且容易受到外部干擾，存在一定局限性。

以GPS為代表的GNSS監(jiān)測[5-6]是依靠導(dǎo)航衛(wèi)星定位功能，實現(xiàn)對目標的實時定位監(jiān)測分析后觸發(fā)預(yù)警。受GPS系統(tǒng)限制，海外礦山存在可觀測GPS衛(wèi)星數(shù)量有限、信號波動大、信息完整度不高、監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程傳輸不便等情況，導(dǎo)致監(jiān)測精度不夠、預(yù)警不及時，影響安全生產(chǎn)。目前，國內(nèi)已有部分關(guān)于BDS代替GPS的報道[7]，但原理、結(jié)構(gòu)和通用性等方面尚不能指導(dǎo)構(gòu)建完整系統(tǒng)。

1.1 距離測定

GNSS由控制段、空間段和用戶段組成。其中，控制段由主控站、監(jiān)測站、地面天線和相關(guān)處理資源等組成，用于監(jiān)視、控制和更新空間段衛(wèi)星信息；空間段主要指導(dǎo)航衛(wèi)星，負責(zé)通過信號正確播發(fā)衛(wèi)星位置、速度和時間；用戶段是應(yīng)用終端，通過用戶接收機測量其與衛(wèi)星的距離，確定接收機精確位置。用戶接收機由天線、低噪聲放大器、射頻前端、基帶信號處理器等組成，用于接收衛(wèi)星播發(fā)的原始電磁信號，并最終將電學(xué)參數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，獲取衛(wèi)星星歷。假設(shè)沒有外部干擾，發(fā)射時鐘與接收時鐘同步，則j時刻用戶接收機到衛(wèi)星的距離pj為

pj=c·(t2-t1)

(1)

式中，c為傳播速度，無干擾時為真空光速；t1為衛(wèi)星發(fā)生信號時刻；t2為用戶接收機接收信號時刻；t2與t1的差為信號傳播時間。

衛(wèi)星信號包含導(dǎo)航電文、偽距碼和載波三要素。偽距碼和載波具有固定結(jié)構(gòu)，可用來計算傳輸時間。根據(jù)傳輸時間計算方法不同，可分為偽距碼相位測距和載波相位測距。導(dǎo)航電文按照固定結(jié)構(gòu)幀發(fā)送，偽距碼相位測距中，t1為

t1=T0+(n+f)·τ

(2)

τ=N·Tc

(3)

式中，T0為參考發(fā)射時間；τ為偽距碼周期；n為完整偽距碼總片數(shù)；f為偽距碼小數(shù)部分；N為一個偽距碼周期；Tc為碼片長度。

載波相位測距中，t1和t2分別為

(4)

式中，k為常數(shù)，將相位轉(zhuǎn)換為相應(yīng)起始時刻的時間；n1、n2為未知整數(shù)，表示從任意參考時刻開始經(jīng)過的2π弧度整數(shù)；φ1、φ2為相應(yīng)相位分數(shù)部分。由于n1、n2無法直接測量，二者之差被稱為“整周期模糊度”，需借助一個就近初始值迭代完成解算。

偽距碼相位測距和載波相位測距誤差比為

(5)

式中，E為測距誤差比，也可表示信號傳播時間計算誤差比；△pcod為偽距碼相位測距誤差；△pcar為載波相位測距誤差；fc為載波頻率；rc為碼片速率。因衛(wèi)星載波頻率比碼片速率高很多倍，故載波相位測距比碼片相位測距準確度高。但載波相位測距存在“整周期模糊度”問題，增大了測距計算復(fù)雜度，需要長期數(shù)據(jù)積累后計算，不適合實時定位解算。

1.2 監(jiān)測點定位

導(dǎo)航電文根據(jù)控制段修正值、衛(wèi)星運行狀態(tài)生成并進行播發(fā)，包括衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)、時間戳、修正位置、預(yù)測狀態(tài)、修正時間、測距誤差、攝動參數(shù)、時鐘漂移等。不考慮誤差的理想狀況下，在任意時刻j，用戶接收機觀測并接收衛(wèi)星i的導(dǎo)航電文后，可計算出該衛(wèi)星位置Sij為

Sij=[xij,yij,zij]

(6)

需要求解的監(jiān)測點用戶接收機位置Uj為

Uj=[xuj,yuj,zuj]

(7)

Sij與Uj的距離pj為

(8)

優(yōu)選4顆衛(wèi)星，建立四元非線性方程組，可解算用戶接收機位置。

1.3 應(yīng)用方法

海外礦山位移安全監(jiān)測中，根據(jù)生產(chǎn)條件選定監(jiān)測點，建設(shè)以用戶接收機為核心的位移監(jiān)測站，實現(xiàn)位移監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容包括水平位移和高程位移。蒙育瓦銅礦L礦建設(shè)8套監(jiān)測站，S&K礦建設(shè)11套監(jiān)測站，分別實現(xiàn)采區(qū)、排土場、破碎站、堆場等位移安全監(jiān)測。位移監(jiān)測站基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括輔助立柱、高精度接收機、測量型天線、太陽能供電系統(tǒng)和客戶前置(Customer Premise Equipment, CPE)。其中，CPE通過無線傳輸模式與礦區(qū)長期演進技術(shù)(Long Term Evolution, LTE)基站形成通信鏈路[8]，實現(xiàn)位移監(jiān)測站信息完整傳輸。

圖1 監(jiān)測站結(jié)構(gòu)

2 高精度定位

2.1 誤差分析

在實際應(yīng)用中，不能忽略用戶接收機觀測過程誤差，否則定位將出現(xiàn)重大偏差，影響位移監(jiān)測效果。位移安全監(jiān)測時的常見誤差如表1所示，其中常數(shù)誤差在信號發(fā)射前就存在，相關(guān)誤差與用戶位置和地理位置存在相關(guān)性，非相關(guān)誤差與用戶位置有關(guān)、與地理位置不存在相關(guān)性。

表1 常見誤差分析

考慮誤差，任意時刻j實際觀測距離Rj與pj的關(guān)系為

Rj=pj+c·△tu+c·△ts+△reph+△rion+△rtrp+△m+ε

(9)

式中，△tu為接收機鐘差；△ts為衛(wèi)星鐘差；△reph為星歷誤差帶來的測距誤差；△rion為電離層延時引起的測距誤差；△rtrp為對流層延時引起的測距誤差；△m為由多徑等引起的測距誤差；ε為用戶接收機本身噪聲引起的測距誤差。

2.2 差分定位

差分定位分為位置差分和距離差分，可消除共性誤差、減小相關(guān)誤差。位移安全監(jiān)測系統(tǒng)中，采用式(9)進行距離差分，即借助事先已知精確位置的高精度基準站，通過基準站測量值及其相關(guān)信息，減弱或消除星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、對流層延時誤差等對監(jiān)測站定位的影響。

因測距方法不同，差分定位可分為偽距差分定位和載波相位差分定位。載波相位差分定位精度高于偽距差分定位，但基準站和監(jiān)測站需采集和存儲足夠數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)后處理產(chǎn)生修正值來修正監(jiān)測站誤差，得到后驗精確位置。在露天礦山位移安全監(jiān)測中，偽距差分定位更適合實時定位解算和位移監(jiān)測，載波相位差分定位更適合以后處理解算為基礎(chǔ)的位移趨勢分析。

偽距差分定位分為絕對差分定位和相對差分定位。相對差分定位中，基準站向監(jiān)測站不僅播發(fā)誤差信息，還提供距離觀測量；偽距差分定位中，相對差分結(jié)果為載波相位差分提供初始值，求解“整周期模糊度”，實現(xiàn)位移趨勢監(jiān)測、預(yù)測和預(yù)警。

服務(wù)范圍及定位精度要求決定了基準站數(shù)量。為保證精度，系統(tǒng)將基準站附近5 km區(qū)域定義為服務(wù)范圍，超出基準站服務(wù)范圍后，監(jiān)測站精度將不能滿足位移監(jiān)測要求。

2.3 電離層誤差

即使在基準站服務(wù)范圍內(nèi)，監(jiān)測站和基準站電離層誤差仍不同，差分定位不能消除電離層誤差，需要依靠接收機雙頻或多頻接收能力。這是通過GDS和GLONASS校正BDS的原因之一。

設(shè)接收機存在兩個或以上接收頻率，分別選擇f1和f2兩個頻率，在任意時刻j，f1實際觀測距離為R1j，f2實際觀測距離為R2j，用戶位置pj為

(10)

(11)

2.4 應(yīng)用方法

蒙育瓦銅礦選擇以BDS為主、GPS和GLONASS為輔的用戶接收機作為基準站和監(jiān)測站主要設(shè)備，實現(xiàn)多頻接收、消除定位誤差。不同類型接收機數(shù)據(jù)格式可基本保持一致，但監(jiān)測站接收機和基準站接收機之間的噪聲差異也會產(chǎn)生誤差，無法完全抵消，選擇同型號設(shè)備有利于減小噪聲誤差影響。接收機主要指標如表2所示，基準站和監(jiān)測站的區(qū)別在于使用的天線類型不同。

L礦和S&K礦距離超過8 km，因此在L礦和S&K礦各建立了一個高精度基準站，結(jié)構(gòu)如圖2所示，用于向所在區(qū)域播發(fā)信息。基準站通過有線網(wǎng)絡(luò)接入礦區(qū)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[9]。

表2 接收機主要技術(shù)參數(shù)

續(xù)表2

圖2 基準站結(jié)構(gòu)

同時，采用專用解算軟件實現(xiàn)載波相位差分定位計算：基準站和監(jiān)測站將觀測信息發(fā)送至專用解算軟件進行數(shù)據(jù)接收、存儲和解算，通過偽距差分實現(xiàn)監(jiān)測站實時定位精度水平誤差約20 mm、高程誤差約30 mm[10]；通過載波相位差分實現(xiàn)監(jiān)測站后處理定位精度水平誤差約2 mm、高程誤差約3 mm，利于分析長期位移趨勢。

系統(tǒng)中差分定位所需高精度基準站已知位置是由接收機14 d不間斷接收獲取衛(wèi)星星歷后，通過解算專業(yè)軟件和離線高精度定位解算對比獲得，并非來自傳統(tǒng)測量。這要求高精度基準站選址地點要非常牢固，避免因基準站位移帶來位移安全監(jiān)測失?。煌瑫r，基準站應(yīng)該選擇在地勢開闊位置，避免多徑誤差。

2.5 衛(wèi)星選擇

在減小或消除誤差的基礎(chǔ)上，由式(7)求解Uj需要接收機至少觀測到4顆以上衛(wèi)星，單一衛(wèi)星信號強度應(yīng)高于30 dbm，且衛(wèi)星越分散，定位精度越高。在實際應(yīng)用中，可觀測衛(wèi)星數(shù)量和類型越多，越便于基準站和監(jiān)測站選擇最優(yōu)組合以提高定位精度。

應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，蒙育瓦銅礦內(nèi)不同位置GPS可觀測衛(wèi)星數(shù)量在5～12顆，信號在30 dbm上下波動，周跳引起接收機累計值重置明顯，對載波差分定位有影響；BDS在可觀測衛(wèi)星數(shù)量、信號穩(wěn)定性和完整性等方面則更優(yōu)。

3 系統(tǒng)集成

根據(jù)分析，建立系統(tǒng)集成邏輯結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)邏輯結(jié)構(gòu)

(1)客體感知層屬于外部信號采集環(huán)節(jié)，主要包括高精度基準站、位移監(jiān)測站等。高精度基準站還可為蒙育瓦銅礦的大地測量、車輛定位、無人機遙感等提供高精度基準數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)傳輸層負責(zé)系統(tǒng)內(nèi)信息傳遞，包括將基準站誤差修正數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)測站接收機，將基準站和監(jiān)測站數(shù)據(jù)發(fā)送給解算軟件，向最終用戶傳輸監(jiān)測和預(yù)警數(shù)據(jù)等。衛(wèi)星通信誤差不會造成測距誤差，但數(shù)據(jù)傳輸層延時過大會導(dǎo)致位移監(jiān)測站不能及時獲得基準站誤差修正數(shù)據(jù)，影響測距效果。短暫過大網(wǎng)絡(luò)延時或丟包會造成偽距差分定位短時誤差增大并出現(xiàn)誤報，對載波相位差分定位后處理結(jié)果影響不大。蒙育瓦銅礦工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中有線網(wǎng)絡(luò)延時5 ms以內(nèi)、無線網(wǎng)絡(luò)延時180 ms左右，可滿足監(jiān)測要求。

(3)應(yīng)用處理層接收客體感知層數(shù)據(jù)，保存實時衛(wèi)星星歷和監(jiān)測結(jié)果，進行載波相位差分后處理，根據(jù)實時監(jiān)測和后處理結(jié)果觸發(fā)預(yù)警信息，生成歷史記錄。應(yīng)用處理層部署于蒙育瓦銅礦私有云平臺[11]，保證系統(tǒng)連續(xù)、穩(wěn)定、安全運行。其中，綜合應(yīng)用軟件實時讀取解算軟件結(jié)果，支持根據(jù)位移速度、加速度和計量值的預(yù)警。蒙育瓦銅礦采場位移監(jiān)測預(yù)警分為三級，例如：采場邊坡計量值三級預(yù)警閥值分別為20、40、60 mm，位移速度三級預(yù)警閥值分別為1、2、3 mm/d，預(yù)警方式包括軟件界面預(yù)警和即時通信預(yù)警。

4 結(jié)論

(1)基于北斗高精度空間信息技術(shù)，提出一種由高精度基準站、位移監(jiān)測站和相關(guān)軟件為主構(gòu)成的海外露天礦山北斗高精度位移安全監(jiān)測系統(tǒng)。

(2)該系統(tǒng)原理明確、結(jié)構(gòu)清晰，可消除或減小用戶接收機定位誤差，適用于海外露天礦山大范圍、多點位、分散式、高精度定位場景，滿足實時在線連續(xù)監(jiān)測預(yù)警要求，具有較強的實用價值。

(3)結(jié)合蒙育瓦銅礦介紹應(yīng)用經(jīng)驗，證明北斗系統(tǒng)海外應(yīng)用的優(yōu)越性，對海外露天礦山構(gòu)建高精度位移安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有重要的參考意義。