GPS 在矿山测量中的工作原理及应用分析

张应学

（贵州格目底矿业有限公司玉舍中井煤矿，贵州 水城 553000）

1 前言

传统的大地测量、工程控制测量采用三角网、导线网方法来施测，费工费时，要求两点间通视，且精度分布不均匀，外业测量时不知精度如何。而采取GPS RTK 进行控制测量，能够实时知道定位精度，当点位精度满足要求了，很快便可以采集所需要点的坐标值。在测量工程中第一步是确定现有已知点和定出起始点。GPS测量容易比较3个点之间的坐标差而不是角度和距离，用坐标差值来检核起始点。以前的测量中选定至少3个控制点作为已知点来确定这些点的可靠性。当用GPS测量时，确定起始点就能够检验现有已知点间的关系和可靠性；它能在GPS参考框架WGS 一84 坐标系和当地的国家坐标系之间建立重要的联系 (GPS设备具有现场坐标系的转换功能)。

利用以往传统矿山测量工作需要多次的搬站，操作过程复杂、相互制约，适应性差，致使误差累计，降低精度。利用GPS能在快速动态初始化下实时计算出系统坐标并将坐标直接记录保存，无需通视、相互联系各自独立，快速、准确的得到测量结果。GPS作业有着极高的精度与工作效率及质量，更不受人为因素的影响。

GPS设备的缺点：采集测点时GPS依赖于可见到的卫星，在开阔地区，信号失锁问题不会出现。随着GPS测量的进行，接收机可能被迫放弃对卫星的自动跟踪，这就会迫使接收机重新初始化，需要重新观测每一个新的坐标点，作为野外检核。在露天采场底部遮蔽地带使用会受到一些限制，它不能精确的进行角度和悬空测量。为此，还需要全站仪等测量工具配合。辅助相应的软件，充分发挥GPS与全站仪各自的优势。在GPS测量应用领域应进一步完善其测量规程和国家GPS鉴定标准。

2 GPS技术的发展现状及工作原理

全球定位系统GPS(Global Positioning System)是美国陆海空三军联合研制的卫星导航系统，具有全球性、全天候、连续性、实时性导航定位和定时功能，为各类用户提供精密的三维坐标、速度和时间。

随着俄罗斯的全球导航卫星系统(GLONASS)的不断完善，利用GLONASS 来改善GPS性能的双星座系统 (GLONASS+GPS)已由美国研制成功，这种高精度的系统为用户提供了更完善的接收设备。

(1)根据算法模型，设计了静态、快速静态以及RTK 等作业模式。静态作业模式主要用于地壳变形观测、国家大地测量、大坝变形观测等高精度测量；快速静态测量以其高效的作业效率与厘米级精度广泛应用于一般的工程测量；而RTK 测量以其快速实时，厘米级精度等特点广泛应用于数据采集 (如碎部测量)与工程放样中。对常规测量而言相对测地定位是主要的应用方式。

(2)GPS RTK的工作原理。利用差分技术来完善GPS定位功能。差分GPS定位技术是用2台或2台以上的GPS接收机同时接收卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站(基准站可安置在任意位置)，其他的用来测定未知的坐标-移动站。工作原理是基准站根据改正点的准确坐标求出到卫星的距离的改正数并将这一改正数发给移动站，移动站接收到这一改正数来改正其定位结果。

(3)RTK 利用载波相位差分技术，实时处理测站载波相位观测量的差分方法。RTK 在定位时要求基准站接收机实时地把观测数据(如伪距或相位观测)以及已知数据(如基准站坐标)实时传给移动站，移动站快速求解周模糊度，在观测到卫星后，可以实时地求解出厘米级的动态位置。与传统测量相比，RTK 技术受通视条件、能见度、季节等因素的限制较小。RTK 只需要满足电磁波通视，便可以快速的、高精度的定位作业。

3 GPS的实施与应用分析

国家或区域性的高精度三维国家大地测量GPS控制网，相邻点的距离从数百千米至数千千米，以确定国家大地坐标系与世界大地坐标系的转换参数，为地学和空间科学等方面的科学研究工作服务，或研究地区性板块运动或地壳形变规律等问题。另一类是局部性的GPS控制网，包括矿区GPS网或其他工程GPS网。网中相邻点间距为几千米至几十千米，主要是为矿山生产或专项工程建设服务。

3.1 矿区控制网布设

自70年代以来，许多测绘部门先后在该地区布设不同等级控制网，高程系统及坐标系不在同一起算源与同一期网。矿山坐标系(3°带北京54 坐标系)与当地公路铁路及城市规划局坐标系各自独立，在各种管网给排水管道施工、征地放样工作中因坐标及高程系统不统一，难以满足精度测量施工放样要求。为此，我们采用在高等级的基础上全面布GPS网，选取原有地面国家控制点4个且在网中分布均匀，确定GPS网与地面网两者转换参数。通过独立观测边构成闭合图形，以增加检核条件提高网的可靠性

3.2 GPS RTK 在矿山工程测量的应用

在矿山坐标系GPS网的控制下测量计算出与公路高程系统差值、及与市规划局独立坐标系的转换参数。

(1)采剥现状与地形测量。过去测地形图时先要在测区范围建立控制点及图根点，然后在图根控制点上架全站仪或经纬仪配合小平板测图。后来发展到外业用全站仪和电子手薄配合地物编码，用大比例测图软件来进行测图，都要求在测站上测四周的地物地貌等碎部点，这些碎部点都必须与测站通视，而且至少要求2～3 人操作，在拼图时一旦发现出错还得到野外去重测。现在采用RTK，在一般的地形地势下，设站一次即可测完以10 多公里为半径的测区，大大减少传统测量所需的控制点数量和测量仪器的搬站次数，仅需一个操作，在地形地貌碎部点上待12s，可以得到该点的三维坐标值。同时输入地物编码，在测量过程中实时知道点位精度，这样使作业速度加快，节省了外业费用，也提高了劳动效率。RTK的平面精度和高程精度都能达到厘米级，并且误差没有累加，数据安全可靠。当一个测区测完后回到室内，由成图软件通过接口，就可以绘制输出所需求的地形图。

(2)钻孔、征地边界、境界线等工程放样。把设计好的点位在实地标定出来，用常规的放样如经纬仪交会放样，全站仪的边角等，一般要放出一个设计好的点时，往往需要来回移动目标，而且要2～3 人操作，同时在放样过程中还要求点间通视情况良好，有时放样过程遇到困难的情况要借助于很多方法才能放样，如距离较远时还必须支测点，从而使误差累加影响放样点的精度。

(3)土方工程量验收测量。徕卡GPS配合南方成图软件形成管理一体化数据链，减少数据转抄、输入等中间环节并实现CAD化。测量 2～4s/点 (精度 2～3cm)，4～5 人在 4d 时间内可完成8.8km月采剥工程平面图的数据采集、填绘更新工作。月底采集碎部点位超过5000 测点，现有人员用以往测量仪器无法实现大型露天矿月工程量验收的需要。目前正在考虑建立单基站CORS 系统实现无人值守，用VRS 技术提供GPS实时测量数据服务，满足非荫蔽区工程测量等项要求且连续可靠。随着周围相邻地级市单位单基站系统的建立，可共同组网，提高系统覆盖范围和精度，轻松升级成多基站CORS 系统。

4 结束语

随着国家经济发展，空间大地测量技术越来越受到重视，与此同时测量的方法与测量的仪器也有了质的变化。世界所有需要导航、定位的用户，都被GPS的高精度、全天候、全球覆盖、方便灵活所吸引。GPS在我国的应用从少数科研单位和军事部门迅速扩展到各个领域。GPS的广泛应用改变了测量行业的传统工作方式，突破了经典测量中的种种限制，达到全天候采集和不受空间通视条件等限制，尤其是在大型露天测量工作中更体现其独特优越性。

[1]杨德麟,等.大比例尺数字测图的原理、方法与应用[M].

[2]付水旺.浅谈GPS测量与误差分析[J].采矿技术.