矿区简易CORS系统的建立及应用①

王延国，孙善一，常屹冉，刘 洋

（1.安徽理工大学 测绘学院，安徽 淮南232001；2.中国地质大学 地球物理与空间信息学院，湖北 武汉430074；3.吉林师范大学 计算机学院，吉林 四平136000）

0 引 言

为矿井安全开展建筑物下、水体下、铁路下等三下采煤工作，安全、合理地留设保护煤柱、解放压煤量、节约煤炭资源，从而进一步恢复与重建矿区生态环境，煤矿测量规程规定［3]，对于首采面必须建立地表移动观测站，以掌握由于采动而引起的地表移动变形特征与规律，为实现上述目标及研究重复采动时的地表移动变形规律提供基础资料。现已在淮南A矿区建立首采面的地表移动观测站，欲通过数据采集，分析处理获得可靠的地表移动变形参数，为下一步的生产决策服务。

地表移动观测数据采集工作主要分两部分：一是垂直方向位移测量，由于地表移动变形规律对高程变化量及精度要求较高，从目前国内高程测量方法精度来看，几何水准测量仍然保持其较高的精度，其测量方法为高精度高程测量工作所采用。主要探讨地表水平位置移动数据采集方法，即简易CORS模式作业方式［4]。这种作业方式与以往GPS动态作业方式（RTK）相比，因其参数是由多个分布合理的大区域高等级控制点解算而来，精度相对要高。优点在于在保证精度的基础上，因其系统建设成本低，作业模式简单，经过多个矿区实验论证后，适合大规模推广应用，具有广阔的应用前景。

1 CORS基准站建立及系统布网情况

1.1 基准站建立

基准站位置一般选在四周比较开阔，无信号干扰，且便于维护的地方。A矿区的CORS系统建设既要满足其精度要求，而且还要节约成本。选择矿区办公楼顶，该处空旷，无信号干扰，地势优越。基准站是带有强制对中装置的水泥墩（如图1所示）。

图1 基准站

1.2 CORS系统布网及观测情况

1.2.1 GPS静态作业观测要求

系统布网及观测工作是GPS测量的非常重要外业工作，在观测工作开始前，需要仔细拟定观测计划，对于顺利完成观测任务，保障测量成果的精度，是极为重要的。拟定观测计划的依据主要是：GPS网的规模大小情况，精度的要求，GPS卫星星座分布，GPS接收机数量，测区地形及交通运输状况等［5]。

观测工作主要包括：GPS接收机安置，观测作业，观测记录和观测数据的质量评定等。

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1）采用静态相对定位模式进行GSP网同步观测时，技术要求如下：

①卫星截止高度角≧15°；有效观测卫星数≧4；观测时段长≧120min；数据采样间隔5s；PDOP≦6.

2）在静态观测过程中，具体作业要求

①天线高测量，需要每时段在测前和测后各自测量一次（量取至mm位）。每次须从天线的不同部位各量取三次，互差不得超过3mm.取前后两次测量均值作为天线高终值。

②仪器正常工作后，应及时逐项填写测量手簿中各项内容。如年月日，测站名，站时段号、接收机类型等信息。

③观测过程中不应在接收机旁使用手机、对讲机、收音机等无线电设备，必要时应该尽量远离使用。

④观测结束后，应及时将数据转存至计算机硬、软盘上，以确保观测数据不丢失。

1.2.2 CORS系统D级控制网（如图2）布网情况

图2 GPS控制网

系统基准控制网采用GPS定位技术按D级要求进行，采用GPS技术建立基准网时，应布设成分布均匀，结构合理的网行。经实地考察分析，选择附近区域苏庄西（SZHX）、平峨山（PESH）、南圩子（PY5）、潘二矿（PEK）等高等级控制点，其中苏庄西（SZHX）、平峨山（PESH）为国家Ⅲ等控制点，其他则为矿区较高等级控制点。在施测过程中，高等级控制点应与矿区内地表移动观测站控制点联测，以便在日常观测时使用。

2 GPS基准网质量评价

2.1 基线向量解算精度分析

GPS基准网质量评价主要从控制网流程图（图3）中各环节因素精度进行评定。

图3 GPS控制网流程图

基线解算时应首先采用双差相位观测值多站、多时段自动处理方法进行，采用的数据类型为L1／L2伪距与载波相位。通过对基线向量的残差分析及解算精度分析，若自动处理方式的成果较差，则对较差的基线向量利用数据开窗处理技术，并采取截取合适的时间段、选取合适的卫星截止高度角和删除有关卫星等措施进行人工处理，直到基线向量解算结果合乎要求。

从表1中可以看出，该GPS连接测量控制网的最大点位中误差不超过1.0cm，平均约为0.5 cm，达到相应等级GPS网的要求。

表2中列出了采用抗差估计（RS估计）时，A矿地表移动观测站GPS控制网的基线向量中误差统计信息。

表1 GPS控制网点位中误差统计表

表2 GPS控制网基线向量中误差统计表

从表2中可以看到，GPS经空间无约束平差后，基线向量中误差均匀，均在0.5cm以内。

在组成GPS控制网的135条基线向量（含重复基线和同步基线）中，平均边长13 979.350 4m，最长边（SZHX～PY5）为16 745.062 7m，最短边（PB01～PBCS01）为1 440.874 9m，最长边和最短边的边长中误差为别为2.1mm和2.4mm，边长相对中误差分别为1／7 151 000和1／601 000，边长相对中误差均可满足建立平面控制网的要求［6]。

2.2 GPS网空间平差成果的换算和投影

A矿地表移动观测站GPS控制网经空间无约束平差后，投影到高斯平面上的平面点位中误差统计信息列入表3中。

表3 GPS网无约束平差投影到高斯平面上的点位中误差统计表

从表3可以看出，GPS控制网经过坐标换算和投影后，仍然保留了其高精度的特点，且点位精度均匀，这就为GSP网的坐标系统转换提供了可靠的数据源。

2.3 GPS网平面坐标系统转换

GPS网平面坐标系统转换，通常是采用坐标联测来实现。所谓坐标联测，即采用GPS定位技术，重测部分地面网中的高等级国家控制点。A矿区GPS控制网测量中，有四个坐标联测点，即PESH（平峨山）、SZHX（苏庄西）、PEK（潘二矿）、和PY5（南圩子）。这四个联测点具有BJ－54坐标系下的坐标。

表4 GPS网在BJ－54坐标系下的点位中误差统计表

从表4中可以看出GPS网转换到BJ－54坐标系下后，在高斯平面上的最大点位误差约为3.1 cm，平均约为2.5cm.可见GPS网转换后的平面点位精度能够满足相应等级的精度要求。

3 CORS参数计算及实地应用

3.1 参数解算

CORS控制基准网实测完毕，对于CORS参数的计算求取是非常重要的一项工作，它关系到今后日常观测测量数据的准确可靠性，同时对测量数据的精度影响至关重要。

CORS系统是基于 WGS－84坐标系建立起来的，通常利用CORS基准网内控制点的 WGS－84坐标与BJ－54下的坐标构成观测方程，按照最小二乘法解出布尔莎七个转换参数。有了这些参数，就可将待测未知点进行换算，得出BJ－54坐标或其他当地坐标，如表5所示。

表5 布尔莎参数解算控制点列表

基于以上控制点坐标，选用中海达HDS2003数据处理软件包对参数进行解算，转换时务必注意当地中央子午线经度、投影带及选用的椭球等信息，经解算，得出以下参数，见表6.

表6 布尔莎七参数

3.2 应用

采用中海达公司GPS设备，在施测前，需对基准站进行设置，包括选择合适的椭球、坐标系统，输入基准站位置及解算出的布尔莎参数等，其中基站位置是通过前期GPS控制网平差解得，最好输入基准站大地坐标。基站设置完成后则需要对流动站进行设置，设置步骤比较简单，关键需保持电文差分格式与基准站设置一致。基准站与流动站是通过移动通讯方式进行连接，只需在基准站和流动站GPS接收机上安装上GIM卡即可，这样就能保证流动站接受卫星信号的同时，也在时时接受基准站发来的差分信号。当参数设置完成后，随即选取矿区周围分部比较均匀的4个控制点进行测量，然后与真值进行比较，如表7所示。

表7 实测坐标差值及精度分析表

由表7可以得出，最大坐标差值均不超过1.5 cm，平均坐标差值为1.15cm，所测坐标在X及Y方向上的中误差不超过1.4cm，具有较高精度。

4 结 论

通过简易CORS系统的建立及实践应用，此操作模式能保证其具有较高的精度，满足相应等级的作业要求。其最大优点在于，操作简单，能极大的节约建造CORS系统成本及测绘成本，特别适合中小测绘公司及中短周期测量采用［7]。不足之处在于，在此种作业模式下，还未对高程拟合功能进行加载，不过相应的模型建立及高程拟合参数解算工作已经完成，在经过试验后，将对此简易CORS系统功能进行完善。

［1]党亚民，秘金钟，成英燕.全球导航卫星系统原理与应用［M].北京：测绘出版社，2007.

［2]何国清，杨 伦.矿山开采沉陷学［M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

［3]刘经南，刘 晖，邹 容，等.建立全国CORS更新国家地心动态参考框架的几点思考［J].武汉大学学报·信息科学版，2009，34（11）：1261－1265.

［4]郝长胜，马占一，乔大良.基于GIS的煤矿开采沉陷预测分析系统研究［J].煤炭技术，2010，29（6）：85－87.

［5]赵永强，杜明成，孙国强.关于CORS系统的布设及精度探讨［J].测绘与空间地理信息，2011，34（4）：64－66.

［6]李昌贵，吕志平，赵冬青，等.CORS网络互联及虚拟CORS关键技术［J].测绘通报，2007，（1）：56－71.

［7]贺 平，王东攀，高保彬.后松散层地表移动变形预计的双曲函数法［J].煤矿开采，2005，10（2）：3－5.