张海港

0 引言

采用GPS静态定位技术进行矿山测量具有精度高、灵活性强、工作效率高等特点。GPS静态定位技术自1992年首次在山西阳泉矿区应用以来,我们应用GPS静态定位技术完成了多项大型的矿山测量工作,其中包括五矿12 km特大型贯通近井点测量工程、晋南分公司45个资源整合小煤窑近井网控制测量、中小企业集团地籍测量等重点工程的控制测量等。通过多年应用GPS技术到矿山测量的生产实践,积累了丰富的经验。下面重点总结一下在如何提高静态GPS测量的质量,提高其测量精度方面的一些做法和体会,以供同行参考。

1 提高GPS控制测量质量及精度的做法

1.1 布网方案的要求

GPS网应根据任务的要求、测区自然状况、交通情况进行设计,既要考虑近期矿井建设的需要,又要考虑矿区长远规划的需要及矿区工业广场数字化测图图根点加密的需要,本着确保测量精度、效率高、费用省的原则布设。

1)首先根据静态GPS控制网的等级确定其规范要求的精度和基线的边长。例如四等GPS平面控制网要求平均基线边长为2 km,最弱边相对误差为1/45000,所以在布设四等GPS网时就要考虑基线在2 km左右。

2)布网设计中要考虑旧有控制点及其标石的利用。特别是作为GPS网平差的约束点、校核点的利用和在网内的位置是否有利于平差精度的控制,如起算点要均匀地分布在四周有利于精度的控制。

3)布网应从起算点开始,最好以边连式连网方式组成整体网。连接后,应便于组成较长的同步环、异步环及复测基线,使GPS网具有较强的几何强度和多余观测及尽量做到重复设站,使GPS网具有一定的可靠性,为GPS网的整体精度提供保证,特别是进行大型贯通测量时不同井口之间的控制点最好组成同步观测环。

4)根据测区大小和测区的地形情况,控制网要联测足够多数量的水准点,提高全网高程的精度。依据经验,平原地区联测水准高程点数不宜少于6个,山区参加高程联测点数不少于10个,要求水准高程点在测区内均匀分布。

1.2 选点要求

1)点位要选在通视良好,易于扩展的制高点上,以便于低等点的加密。周围应便于安置接收设备和操作,视野开阔,视场内障碍物的高度角不易超过15°。

2)地面基础稳定,易于点的保存,要充分考虑下覆采空区的影响及近期规划的需要。点的位置要尽量选在村庄、铁路、公路留设保护煤柱范围内,以保证所埋标石能长期保存。

3)点的位置要保证观测工作的方便进行,应选在土质坚实且排水良好的高地上,离开公路、铁路、高压电线、水域和其他高大建筑有一定距离。远离大功率无线电发射源(如电视台、电台、微波站等),其距离不小于200 m;远离高压输电线和微波无线电信号传送通道,其距离不小于50 m。

4)充分利用旧有控制点。利用旧点时,应检查旧点的稳定性、可靠性和完好性,符合要求方可利用,尽量利用原来点名。

5)点位应考虑日后用常规加密的方便,点位之间最好通视,或至少有一个方向通视。布点还应兼顾到RTK作业模式以及连续运行参考站使用方面的便利,有无网络信号等情况。

1.3 外业观测

外业观测的质量是保证GPS测量原始数据的质量的重要环节。为提高其观测精度,在外业观测前要对所有参加作业的仪器进行鉴定。并根据接收机的数目制定详细的观测计划,便于作业组织调度,提高工作效率,具体还应满足如下要求:

1)根据星历预报每个同步观测时间均应安排在每天的最佳观测时段,每时段最少跟踪4颗卫星,精度因子PDOP值均小于6。

2)在测站上,天线严格整平对中,天线固定标志大致朝北,天线高在测前、测后精确量取,误差不得超过3 mm,采用平均值,读数精确到1 mm。

3)每时段观测时间根据规范要求,其时间长短,应根据基线的长短而定,基线长小于9 km时,观测时间取60 min为宜,数据采集间隔一般采用15 s。

4)观测过程中,观测者应观察数据接收情况,如卫星数、精度因子变化及点位周围环境、观测边的长度等因素,灵活掌握观测时间。

5)为确保数据安全,每天的观测数据应及时传输至微机存盘保存并做好备份工作,每天测站的点名、点号、天线高的输入应准确无误。

1.4 GPS的数据处理及GPS网的平差

1)数据处理。

当天观测数据最好当天进行基线处理,数据处理一般利用随机软件来进行解算,若需要使用其他软件进行处理,需要对不兼容的数据格式进行转换。基线解算主要通过改变卫星高度截止角、电离层模型改正方式、编辑周跳等,使基线解算方式为固定,当然如果基线长度超过20 km也可以采用浮点解。衡量基线解算质量的三个参数为比率(ratio)、参考变量(reference factor)、均方根(rms),比率大于3为好,越大越好。参考变量越小越好。均方根越小越好。基线处理完后通过查看基线报告中的同步环、异步环、重复基线等多项检核来检验观测数据的精度和有效性,对误差超限的基线进行适当处理或进行复测,以确保外业观测数据的质量和精度。

2)GPS网平差处理。

在WGS-84大地坐标系中的三维无约束平差是以全网的坐标起算点起算,以GPS基线向量为观测值,在 WGS-84坐标中进行三维无约束平差。平差后提供了WGS-84坐标系下的大地坐标及相应的精度指标,主要包括基线向量三个坐标差观测值的总改正数、基线边长几点位和边长的精度信息。通过对精度指标是否超限来考察GPS网的内部附合精度。如平差后的最弱边相对精度必须符合规范规定的限差要求。

2 提高静态GPS控制测量质量及精度的体会和建议

1)为提高GPS网的精度,起算点应均匀分布测区周围,测区较大时必须联测一定数量水准高程点,提高GPS高程拟合精度。

2)GPS控制网中的已知点精度的匹配问题。由于各个矿区高等控制点因采动影响而被破坏,仅有的控制点可能是不同的年代采用不同的方法所得,所以起算点内附合精度较低,所以在约束平差前要对GPS网中已知点的坐标的精度进行认真的分析和检验,检验方法是对已知点进行分组约束平差试算,找出匹配的平差精度高的已知点。

3)对GPS控制网的成果的检验。一些大型贯通工程因为本身精度要求较高,为检查GPS控制网的精度,可以采取全站仪测量导线的方法对GPS的边长和角度进行检查,根据检查的结果必要时对GPS控制网进行约束角度及重新平差。

4)GPS作业人员要有高度的责任心。这对确保观测数据质量和平差计算成果的精度是至关重要的。具体要求是在静态测量中,要保证测站点名、点号、仪器高、天线高输入的正确并认真做好外业记录。在内业平差计算时,对坐标系的选择、投影的设置、约束点的坐标进行反复校对,保证其正确无误。

[1]王建忠.GPS静态定位技术在测量控制网建立中的应用[J].山西建筑,2009,35(14):354-355.