新安江村煤田GPS控制测量的实践

李 明

（河南省煤田地质局二队，河南 洛阳 471023）

0 引 言

由于GPS导航定位具有定位精度高、操作简便、性能稳定、观测时间短速度快、测站间无需通视、可提供三维坐标、全天候作业、功能多、应用广的特点，被广泛用于各种工程的控制测量。早期，路伯祥等[1]1995年针对隧道控制测量的特点，阐述了应用GPS技术时应考虑的问题，提出了布点原则和应用方案，通过实例验证，得出了一些有益的结论；雒应[2]结合在国道210线建立GPS控制网的实例，论述GPS技术在公路控制测量中的应用；岑敏仪等[3]则提出利用江河每边岸上相邻水准点间的高程异常差进行GPS高程拟合的方法，经虎门大桥实验验证，在海面宽＞3km的两岸上获得的高程系统差的精度满足特大型公路桥梁的高程控制要求，这对沿海平坦地区的铁路桥梁跨河水准测量都有参考作用；近年来，居向明等[4]提出了GPS在工程控制测量中应注意的几个问题，所得结论对GPS在工程控制测量中的实践具有较好的参考价值；尚亮等[5]在矿区地形控制测量中应用GPS定位技术建立矿区地形监测网、监测方法、数据处理等问题；赵庆志等[6]则重点讨论了静态相对定位技术在城市区域控制测量中的应用；刘绍堂等[7－9]也先后研究了GPS定位技术在建设用地勘测定界、跨海大桥桩基定位和煤田地质勘探区测图中的应用。一系列的研究表明，GPS测量的技术特点是测站之间无需通视，定位精度高，一般双频GPS接收机基线解精度为5mm＋1ppm；同时GPS测量观测时间短，每个测站上的观测时间一般在30～40min，采用快速静态定位方法，观测时间更短；GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程。为此本文针对河南省煤田地质局二队测量分队在河南新安县江村煤炭预查区进行的测量实践，探索GPS控制测量在煤炭预查区应用的关键技术。

1 GPS网布设

江村勘查区为低山丘陵地，总体地势南高北低，海拔最高点461.2m，位于测区南边界附近，最低点约为280m，位于北部边界的沟谷中，相对高差181.2m，地面一般标高350m左右，植被较多、沟壑纵横交错、无水系，面积30km2。根据工程特点和布点原则，决定采用GPS E级控制网作为勘查区的首级控制。以满足地形测绘和煤田地质勘探工程测量的需要。GPS网精度要求见表1。

表1 GPS网测量精度要求Table1 GPS measurement accuracy requirements

GPS点位选择在交通方便、安全可靠的地方，尽量远离障碍物，按要求埋设标石。E级GPS控制网由分布于勘查区的3个国家等级三角点切坡QP（Ⅰ）、大山寨DSZ（Ⅲ）、蝎子山XZS（Ⅳ）作为起算点，标石保存完好，平面和高程分别为1954年北京坐标系统，1985国家高程基准，中央子午线111°，高斯正形投影3°带第37带，以边连接方式组成。为保证后续地质勘查测量工作的顺利进行，布设的GPS点应尽可能做到相互间通视。点位分布见图1。

图1 江村煤田GPS控制网图Fig.1 GPS control network of Jiangcun coal field

2 GPS观测

为了获得高质量的外业数据，观测时应该注意以下几个方面：天线高度一般应距地面＞1m；仪器高的丈量按规定始、末各量测一次，并及时记录在测量手簿上。一个时段观测过程中，不允许的操作：关闭又重新启动接收机；改变卫星高度角；改变数据采样间隔等。

GPS施测的依据为 《全球定位系统（GPS）测量规范》GB／T 18314-2001和 《地质矿产勘查测量规范》GB／T 18341-2001。数据采集使用5台套南方S86型静态双频接收机，外业观测满足表2要求。

表2 GPS测量基本技术要求Table2 Basic technical requirements for GPS measurement

在勘查区内较为均匀的布设40个E级GPS点，联测了3个起算点，使用5台GPS接收机，按计划时间以边连接方式进行同步观测，采集同一组卫星数据，由西向东顺序向前推进。布设的E级控制网闭合环总数为251个，同步环总数为164个，异步环总数为87个，重复基线11条，观测基线166条，平均边长为1393.6m（限差0.2～5km），最小边长295.8m（限差0.1km），最大边长9671.3m（限差10.0km）。

GPS控制网需要观测最少观测期数、网的等级、点的数量和用于观测的接收机的数量必须满足下式：

式中Smin为最少观测期数；R为最少重复设站次数；n为网的点数；m为参与观测的接收机数。

3 数据处理

基线解算的过程主要是一个平差的过程，平差所采用的观测值主要是双差观测值。在基线解算时，平差要分3个阶段：

1）进行初始平差，解算出整周未知数参数（实数）和基线向量的实数解（浮动解）；

2）将整周未知数固定成整数；

3）将确定了的整周未知数作为已知值，仅将待定的测站坐标作为未知参数，再次进行平差解算，解求出基线向量的最终解——整数解（固定解）。

以初始平差为例，根据双差观测值的观测方程，组成误差方程，然后组成法方程，求解待定的未知参数的精度信息，其结果为：

待定参数：

通过初始平差，所解算出的整周未知数参数XN本应为整数，但由于观测值误差、随机模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数，因此，此时与实数的整周未知数参数对应的基线解被称作基线向量的实数解或浮动解。

为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值。实际操作中基线解算采用随机配备的 《南方测绘GPS数据处理4.0》软件，GPS网进行三维无约束平差及约束平差之前，要先进行基线向量解算，目的是剔除含有粗差的基线向量。影响基线解算的因素很多，主要有观测卫星的数量以及卫星几何位置分布，卫星星历误差，大气折光等因素。解算基线向量往往不能一次成功，可能会出现各种问题，需要认真分析和解算才能获得满意的基线解算成果。若某颗卫星的观测时间太短，可剔除此卫星的观测数据，不让它参加基线解算；若卫星观测值中有周跳情况，剔除周跳情况严重的时间段或经常发生周跳卫星的观测值，以改善基线解算结果的质量。计算出符合规范要求的同步环、异步环闭合差，重复基线边较差；若基线向量改正数小、点位误差小、相对精度高时，可进行约束平差计算，否则，应该删除改正数大、点位误差大、相对精度低的基线后再进行平差计算。

GPS网中已知点的精度直接影响到定位结果的精度，选择在测区范围内的已知点作为约束平差的数据，通过使用不同的起算点进行约束平差计算，可以排除质量较差的点，而最终使用坐标准确度高的起算点作为基线解算的起点。

以网形中部的 “切坡”的坐标值代入进行平差，求得其它各已知点的计算坐标及其和原成果坐标的偏离值 ，以各点的偏离值除以相关边长计算出相应的边长相对误差，确定各控制点是否满足起算要求的边长相对误差。见表3、表4。

表3 坐标比较表Table3 Coordinate comparison

表4 边长对照表Table4 Distance comparison

从上表可知，此3点满足规程要求起始边长相对中误差≤1／40000，满足本项工程对起算点的要求。

4 精度统计

GPS网的精度主要为点位精度和相对精度。本次E级GPS控制网观测的最差同步环最大闭合差为6.8×10－6，环线长3886.460m，为9.62 mm，限差为16.66mm；E级GPS控制网观测的最差异步环最大闭合差为21.8×10－6，环线长3728.937m，为88.07mm，限差为152.55mm。经平差计算GPS E级网的精度统计见表5。

表5 GPS网精度统计Table5 Accuracy statistics of GPS network

按照规范要求，E级GPS控制网的最弱点点位中误差允许±10cm；最弱点高程中误差±200／20＝±10cm；从以上数据可知，E级GPS控制网点位分布较为均匀，观测时间＞45min，观测数据处理较好，获得的GPS网平差后精度较高，完全能够满足煤田地质勘查测量工作的需要。

5 结 语

以上实践表明，只有正确设计观测方案和作业计划、严格对基线解算的质量进行检验和对观测粗差进行探测分析，才能得到质量可靠、精度优良的GPS控制网和高精度的定位成果，满足煤田地质勘查测量工作的需要，为煤田地质勘查工作提供可靠的技术保障。研究结果证明了GPS测量技术具有操作简单，自动化程度高，精度高，效率高的优点；只需要有足够的观测时间和必要的检核，点和点间不通视也可以观测，在范围面积大，作业较为困难的地区测量也能运用自如，其与常规测量方法相比，节约了大量的人力、物力和财力。

[1]路伯祥，许提多，黄丁发，等.GPS在铁路隧道平面控制测量中的应用 [J].铁道学报，1995，（2）：60-66.

[2]雒 应.GPS技术在公路控制测量中的应用 [J].西安公路交通大学学报，1997，（3）：54-59.

[3]岑敏仪，瞿国万，刘成龙，等.GPS桥梁高程控制测量 [J].测绘学报，1998，（3）：31-37.

[4]居向明，徐忠阳，李俊玲.GPS在工程控制测量中应注意的几个问题 [J].测绘学院学报，2003，（1）：18-21.

[5]尚 亮，赵春阳.GPS在矿区地形控制测量中的应用[J].地理空间信息，2012，（2）：56-58，180.

[6]赵庆志，张书毕.GPS静态相对定位技术在城市区域控制测量中的应用 [J].全球定位系统，2012，（4）：64-66.

[7]刘绍堂.RTK在郑州东新区建设用地勘测定界测量中的应用 [J].北京测绘，2005，（3）：55-56.

[8]刘绍堂，肖海红，赵站杨.GPS RTK在杭州湾跨海大桥桩基定位中的应用 [J].西南科技大学学报：自然科学版，2005，（4）：42-45.

[9]刘绍堂，赵让乾，许成功.某煤田地质勘探区大比例尺测图GPS测量技术 [J].地质装备.2008，（5）：29-31.