单基站CORS在矿山测量中的精度分析及应用

石长伟 ，何晴晴 ，陈长坤 ，肖明 ，苏迪

(1.安徽理工大学 测绘学院,安徽 淮南 232001;2.河南理工大学 测绘与国土信息工程学院,河南 焦作 454100)

0 引 言

随着GNSS技术的快速发展,连续运行参考站系统(CORS)在我国也得到了迅速的推广与应用。CORS是由一个或若干固定、连续运行的GPS参考站,利用计算机技术、数据通信和互联网技术组成的网络,实时地向用户提供GPS观测值、改正数、状态信息及其他有关服务项目的系统[1-3]。现代化的CORS技术已经在城市规划、工程测量、市政建设、资源普查等方面得到了广泛应用,为采集基础空间地理信息数据提供了极大的便利。在某些区域,由于受到经济和自然因素的影响,建造多基站CORS系统比较困难,于是单基站CORS系统应运而生。单基站CORS系统除了具备CORS系统的功能外,主要特点是建造成本低、建造速度快、系统结构简单、便于维护和管理。在矿山测量中,为了保障工作面的安全生产、生态环境治理及研究开采的地表移动变形规律,《煤炭测量规程》要求,对于首采面和重要的建筑物应该布设地表移动观测站,通过采集其数据来掌握地表移动变形规律[4]。由于布设的监测站多,数据采集阶段测量频繁,耗费时间长,劳动强度大,成本高,针对上述问题我们在淮南朱集东矿建立了单基站CORS系统,并将其应用在点位的放样及监测点平面信息的采集。

1 单基准站CORS的建立

1.1 系统组成

单基站CORS系统由GPS基准站、数据中心、通信模块和流动站四个部分组成。基准站又包括GPS接收机、避雷针、天线、电源;数据中心既进行系统控制又进行数据处理,通信采用GPRS/CDMA数据传输终端模块。

1.2 基站位置的选取

在选取基准站时,要考虑到流动站固定解的解算与基准站的公共卫星数的关系,因此要把基准站架设在视野开阔的地方,在高度角15°以上的视场周围没有障碍物;不应有强磁场的存在;为了避免多路径效应对信号的影响,不能选择有大面积水域的地区;要选择稳定、交通便利且易于保存的地带,避免人为的破坏[5-8]。综上所述,本矿区的单基准站CORS系统的基准站选择在矿区办公楼的楼顶,观测墩建成永久性观测墩,如图1所示。

联系人: 石长伟E-mail:864827159@qq.com

图1 CORS基准站示意图

1.3 基准站的施测及精度分析

根据朱集东矿的实际情况和已知控制点信息建立单基准站CORS系统的控制网,如图2所示。平面坐标系统采用BJ-54坐标系,高程系统采用1985国家高程基准。控制网按D级GPS网的要求、使用5台中海达V9三系统接收机,采用静态相对定位的模式进行观测。该控制网中包括四个C级GPS点,四个具有BJ-54坐标系下的C级点作为坐标转换的基础,一个单基准站CORS系统的基准站(CZHJDM)和十个内插检核点。对静态数据进行解算,其中重复观测边、同步环闭合差和异步环闭合差检核数据如表1所示;点位中误差、基线向量中误差和基线向量相对中误差统计情况如表2、表3、表4所示。得出控制网的外业观测质量符合精度要求。

图2 基准站控制网图

精度1～2ppm2～3ppm3～5ppm>5ppm重复边127310比率/%96.952.290.760同步环数266795337461比率/%65.7723.519.221.50异步环数123345477273540比率/%59.9226.6013.290.19

表2 点位中误差统计表

表3 基线向量中误差统计表

表4 基线向量相对中误差统计表

1.4 精度检核

在单基站CORS系统建成后,还要对其准确性进行测试,在测区内选择10个E级GPS已知点使用实时动态(RTK)方法对其进行测量,将得到WGS-84坐标系下的坐标转换为高斯平面坐标和大地高,然后利用四参数转换模型和曲面拟合模型将其转换为BJ-54坐标系下的平面坐标和正常高,并与已知点进行比较,检核结果如表5所示。

表5 精度检核表

由此可以得出,平面点位中误差最大值为1.6 cm,最小为0.9 cm;高程中误差最大值为3.5 cm,最小为0 cm;平面测量的精度比高程测量精度高。

2 单基准站CORS系统在矿区的应用

2.1 应用背景

朱集东矿1222(1)工作面有一条走向观测线、半条倾向观测线,设计布设9个控制点和129个监测点,由于工作面的切眼东北侧和设计停采线东北侧各有一个村庄会受到地下开采的影响,对其村庄准备布设了6个控制点和23个监测点,为了及时准确地掌握工作面开采对村庄的影响并研究地表移动变形规律,采用传统全站仪和常规RTK测量难以在规定时间内完成点位布设任务和获取地表移动监测数据采集任务,决定采用单基站 CORS系统对监测点位进行放样和平面信息的采集。

2.2 监测点位放样

为了保障工作面的安全生产、矿区建筑物的安全及研究地表移动变形规律,在开采工作面上方的地表要埋设大量的监测点,为了使监测点能够满足设计要求、达到预定目标,采用单基站CORS系统能够准确、快速地将监测点放样到设计的位置,提高放样的工作效率和准确度。

2.3 监测点位的数据采集及精度分析

为了获取地表移动监测数据,采用单基站CORS系统使用CORS-RTK移动终端进行测量,对每个监测点测量30次以上,当观测条件不好时(如树下,屋角),适当延长观测时间。计算后的点位中误差如表6所示。

表6 点位中误差

由此可以看出，点位中误差中小于1.5 cm的比率占总点数的94.61%，大于1.5 cm小于3 cm的占5.39%；高程中误差中小于1.5 cm的占27.55%，大于1.5 cm小于3 cm的占总点数的65.87%，大于3 cm小于5 cm的占5.99%，大于5 cm的占0.59%.由实测数据还可以得出：最大点位中误差为2.72 cm，最小中误差为0.6 cm，平均为1.08 cm；高程的最大中误差为5.25 cm，最小为1.13 cm，平均为1.89 cm.

在外业数据采集时,会受到周围树林、建筑物的影响,导致有些观测点的点位中误差较大,但对于采用单基准站CORS系统测得的94.6%的监测点符合矿山开采沉陷监测要求的精度,所以在实践中我们用单基准站CORS系统采集平面坐标信息,由于高程的中误差较大,不满足矿山开采沉陷监测最弱点高程中误差的要求,所以在实际矿山开采沉陷监测中使用Lecia Sprinter-150水准仪配合单基站CORS-RTK进行外业的数据采集。

3 单基准站CORS系统在矿山测量中的优势

本系统建设完成后,经检验可以在矿山开采沉陷监测中用于采集监测点位的平面坐标,与常规的RTK相比,单基准站CORS系统具有以下优势:

1) 建造成本低。可以利用现有的资源加少量资金在矿区建立单基准站CORS系统,满足矿山开采沉陷监测中平面坐标采集的需求。

2) 重复使用率高。对于矿区布设的单基准站CORS系统来说,可以在本区域内进行高精度的点位放样、地形测绘和其他工作面的变形监测中应用。

3) 数据稳定、可靠。实践表明,单基准站CORS系统在矿山测量的工作中数据传输稳定可靠,尤其是随着我国北斗导航定位系统的投入运行,其数据的质量将会更高。

4) 作业速度快、精度高、范围大。当单基准站CORS系统投入使用后,流动站初始化速度更快,固定后可以快速、准确地对监测点进行测量,由于采用GPRS/CDMA等信号取代了电台传输模式,数据传输的距离可以达到30 km[9].

4 结束语

矿山测量中采用单基准站CORS系统提高测量的速度和精度,具有明显的实用价值。但是在高程方面的精度还不足以达到地表移动变形监测的精度要求,在以后的工作中,将针对这一问题继续完善单基准站CORS系统。

[1] 余学祥,王坚,刘绍堂,等.GPS测量与数据处理[M].徐州:中国矿业大学出版社,2013.

[2] 王齐林.广州市CORS系统的精度分析和应用[J].全球定位系统,2007,33(5):37-39.

[3] 王智超.单基站 CORS-RTK精度测试与分析[D].大连:大连理工大学,2013.

[4] 吕伟才,高井祥,杭玉付,等.提高CORS-RTK测量精度的卡尔曼滤波算法[J].煤矿开采,2016,2(4):90-94.

[5] 王春林,高飞,李书群.单基站CORS在电力线路测量中的应用[J].测绘工程,2012(6):82-85.

[6] 屈利娜.单基站CORS的建设应用与管理[J].测绘通报,2015(S0):106-108.

[7] 魏瑞娟,李学军,任维成,等.单基站CORS的建设与应用研究[J].测绘通报,2010(6):23-26.

[8] 国家测绘局测绘标准化研究所、国家测绘局第一大地测量队、国家基础地理信息中心.GB/T 18314-2009.全球定位系统(GPS)测量规范[S].2009.

[9] 刘经南,刘辉.连续运行卫星定位服务系统——城市空间数据的基础设施[J].武汉大学学报(信息科学版),2003,28(3):9-14.