GPS-RTK在山区煤矿测绘与测设中的应用

王 刚，郭广礼，李 伶

（1.国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室（中国矿业大学），江苏 徐州 221116；2.江苏省资源环境信息工程重点实验室（中国矿业大学），江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

GPS-RTK在山区煤矿测绘与测设中的应用

Application of GPS-RTK technology in coal mine mapping and surveying in mountain area

王 刚1,2，郭广礼1,2，李 伶3

（1.国土环境与灾害监测国家测绘局重点实验室（中国矿业大学），江苏 徐州 221116；2.江苏省资源环境信息工程重点实验室（中国矿业大学），江苏 徐州 221116；3.中国矿业大学，江苏 徐州 221116）

GPS-RTK实时动态测量技术是一种新兴的矿区测量技术，本文通过对GPS-RTK技术的工作原理和影响GPS-RTK技术定位精度的因素进行分析，探讨GPS-RTK技术在矿山测量中的应用，重点研究GPS-RTK实时动态测量技术在矿区地表移动观测站放样工作中的优势，得出GPS-RTK实时动态测量技术完全能满足矿区地表移动观测站放样的精度要求。

GPS-RTK；矿山测量；地表移动观测站；放样；应用

1 前言

平原地区地面情况较简单，矿区测量工作常常使用普通测量仪器就能满足对矿区范围内的各种构筑物、地界、三下采煤观测、放样施工等施测的要求。山区地形地貌复杂以及矿区范围内的各种沉陷造成地面测量控制点破坏、控制点不通视等实际情况，传统的测量技术不再适用，因此，必须寻求一种快速高效的测量手段以满足山区矿山测量的要求。

GPS-RTK实时动态测量技术是一种全新的GPS测量方法，是GPS发展的里程碑，它的出现，使山区矿山测量成为可能。传统的静态、快速静态、动态测量等测量方法都需要测后利用随机软件进行解算才能获得结果，而GPS-RTK技术采用了载波相位动态实时差分方法，它能够在野外实时达到厘米级的定位精度。目前，随着GPS-RTK技术的不断发展和成熟，GPS-RTK已经广泛应用于测绘的各个行业，如电力、公路、铁路的勘测设计和施工放样，土地勘界、地籍测量、房产测绘、地质探矿等领域。与常规的观测方法相比，GPS-RTK技术有作业效率高、定位精度高、作业自动化、集成化程度高、作业条件要求低、操作简便，容易使用，数据处理能力强等优点，具有很好的发展前景。

2 GPS-RTK工作原理及构成

2.1 GPS-RTK工作原理

GPS测量主要由GPS接收机、数据传输系统、软件系统三部分组成。它的工作原理是：至少使用2台GPS接收机（1台基准站，1台流动站），并且必须同时工作，利用载波相位差分技术实时处理由这2个测站的载波相位观测量进行差分处理。RTK定位技术就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。基准站接收机通常设在1个固定的点上（已知点或未知点均可），通过基准站系统采集可用卫星的原始数据，由串行端口送至无线电发射台，发射电台对包装后的原始数据进行广播，由流动站电台接收基准站发来的包含基准站接收到的GPS原始数据的信息，电台将收到的基准站原始数据经由串口转往流动站接收机。与此同时,流动站GPS接收机会在其当前位置采集本机的原始数据。来自基准站GPS接收机与流动站GPS接收机的原始数据汇集在流动站接收机中统一进行处理，从而计算出2个接收机之间精确到厘米级的基线向量，最后，流动站接收机利用已知基准站的位置和基线向量计算流动站的坐标。根据基准站和流动站的工作原理，作业人员携带流动站系统在测区又快又准确地进行定位测量、放样和地形测量等其它测量工作。

2.2 GPS-RTK构成

RTK测量系统主要由GPS接收设备、数据传输系统和软件系统构成。

（1）GPS接收设备。由于双频观测值不仅精度高，而且有利于快速准确地解算整周未知数，所以在基准站和用户站上都设置双频GPS接收机。当基准站为多个用户服务时，则接收机的采样率应与用户接收机的最高采样率相一致。

（2）数据传输设备。数据传输设备也称数据链，由基准站的无线电发射电台与用户设备的接收机组成，其频率和功率的选择主要取决于用户站与基准站的距离、环境质量以及数据的传输速度。

（3）软件系统。支持实时动态测量软件系统的质量和功能，对于保障实时动态测量的可行性、测量结果的可靠性和精确性具有决定性意义。

3 GPS-RTK技术的优越性

（1）具有实时性。这是一般的测量设备所不具备的，而且放样精度能达到厘米级别。

（2）RTK测量作业效率高。根据有关资料对比分析，GPS-RTK测量作业效率是传统导线测量的2～4倍。GPS-RTK的人力和设备的投入都比较少，常规测量手段需要的人力和设备的投入是GPS-RTK测绘手段的3倍左右。

（3）GPS-RTK测量成果在野外观测时是实时提供的，因此能在现场进行校核数据，这是传统测量所不能及的。

（4）GPS-RTK测量的关键技术之一是快速解算载波的整周未知数，达到了快速、高精度，而且即使遇到障碍物失锁也可在重新捕获卫星并在数分钟后继续测量。

（5）基站与移动站之间不需要通视，观测距离远，全天24小时都可作业。

（6）完成基站设置后,整个系统可以由一个人操作即可，也可同时设置几个流动站，大大提高了效率。实践证明GPS-RTK的精度取决于GPS系统、RTK设备、测量环境、用户的使用水平和采用的方法,只要严格按照规范操作，完全能保证测量质量。

4 影响GPS-RTK测量精度的要素

4.1 基准站的选择

基准站的选择是GPS-RTK测量的关键环节。GPS-RTK测量能否成功实现，在很大程度上取决于基准站系统是否正确安置在合适的站点上。为保证观测的精度和提高工作效率，基准站的安置应满足下列条件。

（1）基准站应设立在精确坐标的已知点上或条件较好的未知点上。

（2）基准站安置的地方应具有地势较高、通视无遮挡、电台覆盖良好等特点，最好是测区中央地区。

（3）为防止多路径效应和数据链的丢失，基准站200m范围内应无高压电线、电视差转台、无线电发射台等干扰源，周围应无GPS信号反射源。

（4）基准站电台的天线应架设在GPS接收机主机的北方，以避开南北极附近卫星的空洞区。

4.2 转换参数

GPS-RTK测量的是测点在WGS-84坐标系统中位置，而实际工作中使用的坐标系统一般为1954北京坐标系。这两个坐标系由于各自椭球体定位的参数不同，在坐标上有很大的差异，有的矿区甚至能相差几百米，而且还存在着方向的旋转。鉴于此，在进行GPS-RTK测量时，首先应测定整个矿区的基准转换参数。在GPS-RTK测量过程中，基准转换参数也将对GPS-RTK测量成果的精度产生很大的影响，如果基准参数误差过大，则无论观测工作多么好，其定位的精度也将会很差。

4.3 观测时间的选择

GPS测量是利用接收机接收卫星播发的信息来确定点的三维坐标。测量结果的误差将来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和地面接收设备。在这些误差来源中，来自GPS卫星和卫星信号传播过程中的误差是用户无法消除的。用户使用的只是GPS接收机，因此在实际工作中，应做好卫星星历预报，选择有利的观测时段，保证观测时GPS接收机的PDOD值小于6，这对保证GPS的定位精度、减小GPS的误差起很大作用。

5 GPS-RTK技术在矿山测量中的应用

5.1 矿区控制网的建立和使用

常规控制测量要求控制点之间相互通视，作业工序复杂，而且精度不均匀，外业中也不知道测量成果的精度。而用GPS-RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果，又能实时知道定位精度，这样可以大大提高作业效率。

在精度方面，根据文献[1～2]中的记载，GPS-RTK的精度完全满足矿区控制网的要求。文献[1]中记载了在栾川钼矿田腹地之一的冷水南泥湖钼矿床境内布设控制网，该区地物地貌较为复杂，部分区域和方向有遮挡，测区内原有BJ54坐标系的E级控制点2个，根据工程需要在矿区均匀加密了7个控制点，根据平差成果统计，点位精度平面均高于2.2mm，高程均高于10mm，因此可以满足矿区加密施工控制网的精度要求。文献[2]中记载了柴里矿区控制网的布设情况，柴里矿区经过40多年的开采,大部分测量控制点已破坏殆尽，该矿区在2004年建立了3个基控点，一个建立在该矿区工厂内的科技中心院内，另外两个分别建立在柴里矿袁堂井工厂和柴里矿东北角，三个点采用GPS控制网基本覆盖整个矿区，施测精度也满足了整个矿区的工程测量需要。由以上试验可知，应用GPS-RTK技术进行实时定位可达厘米级的精度。因此，GPS-RTK技术运用于矿区的控制网布设，不但测量精度能够达到规范的要求，而且快捷方便、省时省力。

5.2 求取坐标转换参数

要将GPS接收机中原始大地经纬坐标系统转换为当地坐标系统，就必须先计算出坐标转换参数，而求取坐标转换参数必须已知至少3个高精度控制点的当地坐标值X、Y、H。如文献[3]中所记载，根据已知控制点均匀分布在测区的原则，在贵州站街煤矿测区内选择4个已知的静态GPS控制点，坐标数据见表1。

表1 坐标数据表

利用随机软件求出坐标转换参数。比例：S-1000014，旋 转 度 ：JR=-0.101454，高 程 参 数 ：a=-0.000047323，b=0.000023643，c=1.373809185。

5.3 GPS-RTK用于山区地表移动观测站的测点放样

对于山区地表移动观测站而言，由于地形地貌的复杂性，平原地区的地表移动观测站布设方法不再适用。近年来，随着GPS-RTK技术的出现和发展，山区地表移动观测站的布设有了很大的改进，特别对测点进行放样。放样时，只需提前将观测点的设计坐标输入GPS-RTK手簿，在矿区内的已知点上架基准站，根据流动站手簿的提示，利用流动站就能迅速找到观测点的实地位置。根据观测点的设计坐标，其实地位置可能位于悬崖边或河水中，此时应作适当调整，将其迁移到合适的地方，同时记录新点与原设计点的位置关系，并对原观测站进行重新设计。

5.4 GPS-RTK用于山区地表移动观测站的观测

在开阔地方，可以在已知点上架基准站，通过流动站利用GPS-RTK实时动态测量技术直接获取观测点的坐标。而在山谷或树木较多的地方，由于卫星信号失锁，无法进行GPS-RTK测量，此时可以考虑“全站仪+GPS-RTK”测量方式，如图1所示，观测点a位于对天通视困难的区域，如使用GPS-RTK测量则精度达不到要求，b、c两点位于宽阔地带，是由GPS-RTK实施测量的点位，精度可以达到要求[4]。此时可先用GPS-RTK测量的b、c点作为控制点，将全站仪安置在b点，后视Ⅲ点定向，利用极坐标法测量a的坐标。

图1 “全站仪+GPS-RTK”观测点测量示意图

6 结语

与传统的观测方法比较，RTK技术具有集成化、自动化高的特点，适应矿区动态测量和经常化的要求，因此，GPS-RTK在矿山工程测量上具有很大的发展前景。

（1）GPS-RTK作业精度高且不受环境和距离的限制，在地形条件困难地区、局部重点工程地区等施测也很方便。

（2）GPS-RTK能实时地得出所在位置的空间三维坐标，这将彻底改变矿山测量的模式。

（3）只要科学设计、精心施测，GPS-RTK完全可以满足矿区控制网的布设和矿区变形监测的要求。

（4）山区地表移动观测站的放样和观测可以采用“全站仪+GPS-RTK”的模式，经实地验证是完全可行的。

[1]李巧莲,刘 军.GPS（RTK）技术在矿山测量中的应用[J].采矿技术，2006，6（3）:611-613.

[2]于国强,岳建英,邸 伟等.GPS-RTK技术在矿区测量中的应用[J].山东煤炭科技，2008，（4）:1-3.

[3]程广博，赵玉兰，董亚林等.GPS-RTK在矿山测量中的应用[J].山东煤炭科技，2009,（1）:4-6.

[4]陈学娣，李全海，谷 川等.全站仪配合RTK放样方法应用及精度分析[J].铁道勘察，2009，（4）:50-52.

TD173＋.4

B

2010-10-30

2010-11-08

王 刚（1986-），男，重庆万州人，硕士研究生，主要研究方向为开采沉陷与“三下采煤”。

国家自然科学基金重点项目（50834004）；国家公益性行业基金资助项目（200811050）。

Abstract:GPS-RTK technology is a new measuring technology in mining area.The application of GPS-RTK in mine surveying is discussed by analyzing the working principle of GPS-RTK and the factors affecting its positioning accuracy.The advantages of GPS-RTK in laying-out work at surface movement observation station are mainly studied,which proves that GPS-RTK technology can completely meet the demand of lofting precision at surface movement observation station in mining area.

Key words:GPS-RTK;mine surveying;surface movement observation station;lofting;application

1672-609X（2011）02-0041-04