GPS在矿山工程控制测量中的应用

2018-02-05彭东方

智能城市 2018年10期

彭东方

湖北非金属地质公司，湖北武汉 430030

1 GPS系统组成和应用原理

1.1 GPS系统组成

GPS全球定位系统主要由空间卫星群和地面监控系统两部分组成，另外也包括测量用户的卫星接收设备。GPS的用户部分由GPS接收机、数据处理软件和计算机、气象仪器等构成，作用是接收GPS卫星发出的信号，并利用信号进行导航定位。随着科学技术的发展，目前GPS相关装置朝着体积小、重量轻以及精确度高的方向上发展，为矿山工程测量控制带来了很大的便利。

1.2 GPS技术应用原理

GPS技术在正式定位测量过程中主要使用的定位方法是静态相对定位，该定位方法精确度最高，所以本文只针对该定位测量方法的应用原理进行简要分析。

静态相对定位在测量应用中，主要是通过在基线两侧测站上安装接收机，然后保持位置不动，同步观测GPS卫星信号，并通过数据处理软件确定基线两端点在地心地固坐标系中的相对位置。在这一过程中采用的是载波相位观测量，因为载波波长短，所以测量的精确度要高于伪距测量精度，然后通过不同载波相位观测量线性组合，减少信号传播误差和接收机钟不同步误差对于定位的影响。此外，在该测量方式中一个端点测站的坐标已知，可以利用基线向量测算另一个测站点的坐标。该理论依据是因为两个或以上测站是在同一时间范围内同步观测相同卫星信号的，所以接收机钟差、卫星轨道误差以及电离层和对流层的折射误差等对于载波相位观测量影响是有一定关联性的。通过不同观测量组合求差进行相对定位，可相应降低误差影响，并提高相对定位的精确度。

2 GPS技术应用特点和优势

2.1 GPS定位精确度高

相比于传统的平面测量控制方式，GPS测量具有定位精确度高的优点。目前在大于800km的基线上设置观测点进行静态相对定位，其精度可以达到10-8，而在小于50km的基线上进行静态相对定位，其精度可以达到1-2*10-6，在100-500km的基线上，静态相对定位的精确能达到10-6-10-7。

2.2 GPS作业时观测站之间不需要通视

在传统平面测量控制中，一方面要求保证测量控制网的几何结构，另一方面需要有良好的通视条件，一般很难同时满足这两项要求。而在控制测量中应用了GPS测量技术以后，所设立的观测站点之间不需要进行相互通视，这就大大降低了建造麻烦，省却了测量成本，而且还能灵活选择测量点。不过在选择测点上必须保证接收机天线上空比较开阔，以免使接收机GPS卫星信号受到干扰。

2.3 GPS数据处理结果能够提供三维坐标

利用GPS技术进行数据处理，其处理结构可以提供三维坐标，这就将平面坐标和高程分开来观测和计算。这样在利用GPS进行测量控制的过程中一方面可以获得精确测定的测站点平面位置，另一方面也可以测得高程点位的三维坐标。

2.4 GPS能够全天候作业

利用GPS进行控制测量一般不会受到外界气候环境的影响，也就是说可以全天候开展测量控制作业，即使是在恶劣气候条件下也可以进行。同时可以在全球任意点位和任意的时间进行连续性测量。

2.5 GPS接收机轻巧，操作方便

GPS接收机体积小，重量轻，不管是携带还是运输都很方便。此外，在GPS测量控制作业中，测量人员的重点工作是在基线两侧的测站点安装GPS接收机天线、开关仪器和监视仪器，对于其他卫星捕获、跟踪观测和记录和数据分析都是通过相应仪器设备自动化完成，自动化程度高，操作方便。

2.6 观测时间短

利用GPS进行观测，不仅可以满足精度上的要求，而且观测的时间也很短。一般根据观测卫星数量的不同以及精度标准的不同，观测的时间在0.5～3h不等。采用静态定位测量方法可以完成一条基线的测量工作。目前对于短基线的测量控制只需要几分钟就能完成相对定位。

3 GPS在矿山工程控制测量中的应用

3.1 工程概况

某矿区面积大约为90km2，主要以矿区和山区为主，有公路和铁路均匀分布在各个测区之间，交通比较便利，有利于施测。对该工程进行控制测量，可用于后续1∶2000地形图的测量。但是考虑到在工期前期施工中，测量控制网有所破坏，地形又比较复杂，工期较紧，测区通视困难，所以应采用GPS技术进行测量控制。

3.2 控制网的布设原则

在布设测量控制网时要根据甲方要求按照GPS测量规范来实施。其设计原则如下：首先，控制网必须要有足够的闭合环，也就是控制网要有足够的独立观测边构成闭合图形，这样可以增强图形的强度和平差检验条件；其次，要有一定数量的点位重合，这是为了便于由已知测站点坐标来推算待测点的坐标。也就是说GPS控制网点要和原有地面上已知控制网点进行足够重合，并使重合点在控制网中均匀分布。网站点还应和一定水准点重合，这是为了给地面水准计算研究提供参考依据。另外，在设置控制网时，要确保GPS网点在视野开阔的地方，尤其是要保证测站点高度150°角以上没有障碍物。在采用联测方法或者扩展控制网时最好还要注意各个测点之间的通视条件。

3.3 GPS网的基本精度要求

GPS网基本精度要求要根据实际工程需要来确定，因为本工程进行GPS测量控制的作用是为了之后矿山测图所用，所以根据甲方要求基本精度要达到D级别。GPS平面网的精度指标确定还要根据本项工程精度的需要、所采用的仪器设备以及技术条件的影响等，然后根据《全球定位系统（GPS）测量规范》中关于GPS D级网相邻点间距离标准差指标要求来确定。

3.4 GPS测量的外业实施

在GPS测量外业实施中，由于各个测站点之间不需要进行通视，图形结构灵活，所以点位的选择也比较方便。不过考虑到GPS测量的特殊性以及为了后期测量方便，选点时应该注意：首先，每一个点最好要和某一点进行通视，这样是为了便于后续测量使用；其次，选点周围高度角150°以上不能有障碍物，也就是要保证测站点接收机天线上空开阔，避免影响GPS信号接收；此外，点位要远离大功率无线电发射源和高压电线等，这是为了避免电磁场对信号的干扰，还要选择在交通便利、视野开阔和易于保存的地方。最后，在选点结束后要根据相应规定现场浇筑混凝土桩作为标记并做好相关记录。

在施测结束后，需要利用相关数据处理软件完成基线解算和网平差等数据处理，然后获得GPS控制点的三维坐标，并保证同步观测精度、异步环观测精度和复测基线观测精度等精度指标要符合设计要求。

4 GPS在矿山工程测量控制中的应用前景

4.1 优化工程测量控制模式

GPS技术在矿山工程测量控制中的应用，使得工程测量控制模式得到了优化，通过GPS技术可以获得三维坐标。而所获得的三维坐标可以便于后期测量工作的开展，以及应用到其他煤矿工程中。随着GPS在矿山测量控制中应用越来越广泛，在未来可以为其他煤矿应用提供参考依据，成为煤矿开采工程中一项重要的技术。

4.2 进一步提升测量困难区域的测量精度

在应用GPS测量技术进行矿山工程测量控制之后，其测量的结果精确度提升，只要按照要求选点就不会受到障碍物、磁场等对信号的干扰。在未来发展中，该技术应被应用于更加复杂和困难的测量区域中。因为GPS全球定位系统在测量作业中受到距离和其他外界因素影响较小，所以能够适应复杂区域的测量，并且使得复杂的、测量困难区域的测量结果精确大大提升。