尹智慧 钟东升 林 桦

(安徽理工大学空间信息与测绘工程学院,安徽 淮南232001)

1 概述

我国矿产资源丰富,现有矿产储藏种类多达数百种。近年来,随着社会经济的快速发展,对于矿产资源的需求急剧增加,矿山开采愈加频繁。矿山的开采一方面为国民的经济发展提供了保障,但另一方面对周围的生态环境造成一定的影响。所以对开采后的矿山进行动态变形监测是非常必要的,矿山变形监测主要表现为:地表移动变形监测、尾矿库变形监测等[1]。传统变形监测主要有水准仪、全站仪等,其缺点主要为:出错率高；不能对监测的数据进行实时处理；不能对矿区的变形进行实时监测与预警；需要大量的人力财力。为解决上述传统变形监测的缺点,将BDS-3卫星导航、数据分析与通信等技术相结合,为矿山提供高精度、实时、连续、可靠的变形监测服务,为保障矿区生产安全,提高生产效益发挥重要作用,从而进一步推动我国卫星导航产业和服务创新发展。

2 研究现状

过度开采矿产资源造成的地质灾害大多具有隐蔽性的特点,采用传统人工监测方法已经难以发现此灾害。随着现代测绘技术的快速发展,各种各样的监测技术层出不穷,如雷达遥感、无人机遥感、远距离三维激光扫描、无人机倾斜摄影、激光雷达、全球卫星导航系统等,均已应用于矿山变形监测。但是对于不同的监测方法,既有各自的优点,也有其局限性。如:雷达遥感技术具有面积大、精度高、成本低、可全天候进行监测等优点,但受噪声、数据获取的时间间隔、地表植被的覆盖程度以及最大形变的梯度等因素影响,从而在获取由于过度采矿导致的塌陷区的信息存在一定的局限性；无人机遥感技术具有实时获取遥感影像、影像空间分辨率高[2]、对不良天气可以有效进行避开等优点,但容易受到气流以及航高、航时的限制,监测范围有限；远距离三维激光扫描具有数据处理的精度高、速度快等优点,但存在监测死角,只能监测到大部分矿区；无人机倾斜摄影测量技术具有速度快、精度高、监测的范围大等优点,但不论是对于多旋翼无人机还是复合翼无人机[3],都对高位细小地区的三维重新建模效果不好以及对矿区地面变形较小地区,无人机无法监测到；激光雷达具有扫描速度快、精度高、穿透性强、实时性等特点[4],但其对设备的要求高以及不能获取污染土壤的污染元素的局限性；全球卫星导航系统(GNSS)具有高精度、速度快、可以进行连续实时的动态监测,但对于深坑的环境容易出现信号中断以及多路径效益严重[5]。由于对矿区的动态监测的影响因素众多,针对以上的研究与不足,提出将BDS-3卫星导航技术应用于矿山变形动态监测。

3 BDS-3 卫星导航技术定位原理

3.1 BDS-3伪距单点定位原理

BDS-3伪距单点定位的观测方程为:

3.2 BDS-3精密单点定位原理

BDS-3精密单点定位的观测方程为:

其中,N0为整周模糊度,λ 为波长。

4 BDS-3 卫星导航技术在矿山动态监测中的应用研究

4.1 BDS-3卫星导航技术在矿山动态监测应用中的可行性分析

对矿山变形监测系统的实际要求主要为:监测结果具有较高的精度,变形监测的各项指标基本都需要达到毫米级甚至亚毫米级的精度;能实时获取动态监测数据,可以反映矿山地表连续的形变特征；受监测环境的影响小,能进行全天候变形监测,减少外部环境对监测结果的影响；能获取丰富的监测数据,所获的数据能涵盖矿山地表形变的全部信息。

针对以上矿区监测的要求,对北斗卫星导航系统在矿山变形监测应用的可行性进行分析。

4.1.1 BDS-3的MEO卫星新增加了B1C、B2a两个新频点,BDS-3卫星仍继续播发B1I、B3I信号,此外BDS-3新增加两个频点(B1C、B2a),如表1所示,新频点的增加使得地面上的接收机可以接受到更多BDS-3卫星的信号,增强卫星在空间中的几何分布(即空间几何构型)和提高卫星定位的精度和可靠性,进而提高矿山变形监测的精度。文献[7]分析了基于新频点B1C、B2a的双频单点定位精度,表明BDS-3新信号在东、北、天三个方向的精度都可以达到分米级；文献[8]研究发现BDS-3的12颗MEO卫星的工作性能相当；文献[9]研究发现BDS-3数据的饱和度以及连续性方面优于GPS。

表1 BDS-3全球卫星导航系统信号信息

4.1.2 BDS-3可以采用多频相位模糊度解算(MCAR),整周模糊度的解算是进行精密定位的重要前提条件,在实时精密定位中,整周模糊度的快速可靠固定非常重要。目前对模糊度的快速可靠固定的方法有三频相位模糊度固定(TCAR)法、四频相位模糊度固定(FCAR)法等,而对于MCAR的研究较少。文献[10]通过对五频BDS-3数据进行试验,得出MCAR可以有效的进行单历元的模糊度固定,并且随着频率数量的增加可以显著的提高模糊度固定的成功率,进而提高精密单点定位的精度。

4.1.3 BDS-3接收机可采用分段Hermite插值方法,来减少卫星位置和速度的运算时间。文献[11]研究了牛顿插值多项式算法与三阶的Hermite之间的复杂度对比；文献[12]对几种常见的插值算法进行比较。以上研究皆是基于GPS或者BDS-2系统进行的,而对于BDS-3的多项式插值研究较少；文献[13]研究了将Hermite插值应用于BDS-3,并提出了一种基于卫星的位置和速度分别进行插值的分段三次Hermite方法,通过试验证明基于卫星位置和速度分别进行插值的分段三次Hermite方法耗时相对减少。

4.2 BDS-3卫星导航技术在矿山动态监测中的局限性

北斗三号卫星导航系统作为一种前沿的全球定位技术,具有许多优点,但同时在矿山动态监测中也具有一定的局限性:BDS-3平均可见卫星数随高度角的变化呈逐渐减少的趋势,BDS-3的4个频率定位精度大致呈现降低趋势。文献[14]研究结果表示高度角每增加10°,BDS-3平均可见卫星数减少1颗,当高度角为40°时,平均可见卫星数为6颗,BDS-3的4个频率的定位精度较差,当高度角为20°时,4个频率的定位精度最高；BDS-3的MEO卫星新增的B1C频点多路径误差较大,周跳现象严重,从而在进行B1C/B2a双频组合进行定位时,定位的精度较差。文献[15]通过对BDS-3的B1I/B3I旧频点和B1C/B2a新频点是双频精密定位和双频伪距定位进行研究,得出BDS-3新频点B1C的多路径误差较大,且周跳现象严重。

5 结论

5.1 本文针对目前矿山动态监测系统中存在的问题,如雷达遥感、无人机遥感、远距离三维激光扫描、无人机倾斜摄影、激光雷达等现代测绘技术所存在的局限性,以及矿区动态监测对测量技术的要求,分析了北斗系统应用于矿区动态监测的可行性,最后讨论了北斗系统存在的局限性。

5.2 对BDS-3技术应用于矿区动态监测的可行性进行分析,得出应用BDS-3具有的优势主要有:BDS-3的MEO卫星新增加了B1C、B2a两个新频点；BDS-3可以采用多频相位模糊度解算(MCAR)；BDS-3接收机可采用分段Hermite插值方法。从而可以提高矿区变形监测的精度和矿山监测的自动化程度等,为推进绿色矿山建设、矿山标准化管理提供保障。

5.3 基于BDS-3技术的矿山动态监测给矿山测量带来了重要的技术革新,方便了监测工作者的日常工作,随着BDS-3卫星导航系统的不断完善,必将给矿山动态监测带来更大的便利,其在矿山变形监测中的应用领域将更为广泛。