GPS-RTK在矿区测量中的应用

石卫青

（山西阳煤寺家庄煤业有限责任公司， 山西 昔阳 045300）

引言

在煤矿开采过程中不可避免地会对原地质环境造成影响，地下形成大规模采空区可能会造成岩体变形、地面塌陷、地下水疏干等地质灾害，煤矿企业需及时做好环境测绘、监测和记录，尤其是地面的沉降。随着科技水平的提升，煤矿测绘技术也不断发展，传统的测量技术与工具已逐渐被新式测量技术与工具取代[1]。

1 GPS-RTK技术

GPS-RTK测量技术是一种全新的测量方法（如图1所示），采用载波相位差分实时差分，可以实现野外实时动态测量且精度达到厘米级，已经被广泛应用到电力、公路、铁路、房产测绘、地质勘探等行业。

图1 GPS-RTK测量原理图

GPS-RTK测量系统主要由GPS接收机、数据传输系统和软件系统组成。其中GPS接收机至少有两台，一台作为基准站，一台作为流动站，两台接收机同时进行GPS定位，利用载波相位差分技术对两个接收机的观测量进行差分处理。RTK技术就是利用实时差分计算，提供测站点在特定坐标系中的具体三维坐标且精度能达到厘米级。数据传输系统负责将基准站（通常为固定点）的观测数据包装后进行无线电发送，传递到流动站。流动站接收机接收到基准站传递来的原始GPS信息后，与本机此时采集的观测数据进行集中汇集处理，利用软件系统计算出基准站与流动站接收机间的基线向量，利用已知的基准站位置信息计算精确到厘米级的流动站坐标，并进行坐标转换转换到当地坐标系，从而快速准确地在测区进行定位测量、地形放样等工作。

GPS-RTK测量技术的优势主要有以下几个方面：

2）GPS-RTK测量技术所需要投入的人力和设备较传统测量方法大大减少，操作简便，作业效率可以提高3倍左右。

3）基准站与流动站之间无需通视，观测距离远，可以实现24 h作业。

4）GPS-RTK测量结果能在野外提高并进行校核，即便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。

2 提高测绘精度的方法

2.1 基准站的选择

基准站是测量的基准点，能否达到测量目的与基准站的选择有很大关系，因此在选择基准站时必须慎重，为了保证测量精度，提高测量效率，基准站的选择应考虑一下几个方面：

1）基准站尽量设置在已知坐标或未知坐标但条件相对较好的坐标点上，例如周围通视良好，地势相对较高，电台完全覆盖的测区中央。

2）基准站200 m范围内应无高压线、无线电发射台、电视差转台等干扰源及GPS信号反射源，以防出现多路径效应和数据链丢失现象。

3）为了避开南北极附近卫星空洞区，基准站的天线应架设在基准站接收机的北方。

为了比较九襄地区堆积体与其它不同类型的具有代表性的沉积物在粒度参数上的差异，作者选取河流[18]、黄土[19]、冰川[20]、海洋[21]、湖泊[22]、冰水这6组不同类型沉积物。其中冰水沉积物样品为作者实地采样勘测所得数据，但受制于客观条件，其余类型的沉积物只能借助其他学者的相关研究成果和数据。由于不同类型沉积环境所取样品粒度的分布存在差异，因此分析其粒度特征在一定程度上能够区分和分析沉积类型、沉积作用、并且能够复原古环境。

2.2 转换参数

实际工作中使用的坐标系一般为1954北京坐标系，而GPS-RTK测量出的坐标是WGS-84坐标系中的坐标，这两个坐标系由于定义参数不同，在坐标上差异很大，因此在测量工作中需要进行两个坐标系的坐标转换。在实际测量过程中，应事先测定整个矿区的基准转换参数，若转换参数不准确，则会对测量结果精度造成很大影响。

2.3 仪器设备的使用

GPS-RTK测量技术的测量精度主要取决于仪器性能和抗干扰能力，另外使用人员的使用水平、工作经验和熟练程度也会影响测量精度。GPS测量主要依靠接收机接收卫星信号来确定坐标，误差来源于GPS卫星、卫星信号的传播过程和接收机，其中GPS卫星和信号传播过程中的误差属于系统误差，操作人员无法采取措施进行消除，只能提高操作水平，认真进行技术培训，正确使用接收装置，做好卫星星历预报，选择合适的观测时间，保证观测时GPS接收机的POOD值不大于6，减小接收机的定位误差，从而提高测量精度及效率。

3 GPS-RTK在矿区沉降观测的应用

以某矿区为例，使用GPS-RTK测量技术对沉降情况进行观测，同时采用传统全站仪测量沉降情况，验证GPS-RTK测量方法的适用性[2]。

3.1 理论基础

3.1.1 全站仪测量精度分析

3.1.1.1 平面度精度

测区的走向线长度为10 km，采用附合导线进行测量，最弱点在附合导线中点。使用的全站仪精度为2″，测距为（2+2D×10-6）mm。假设导线每条边长均相等，即导线边长l=500 m，测站数n=16，按照四等测角精度，测角中误差mβ=2.5″，可以得到：

每公里测距中误差mD=2+2×1=4 mm；

3.1.1.2 高程精度

测区高程最弱点也在附合水准线中点，L=10 km，水准测量按四等水准要求测量，每公里的高差中误差mh=10 mm，可以得到：

3.1.2 GPS-RTK测量精度分析

1）平面度精度：使用GPS-RTK进行测量，平面精度为（3+0.5D×10-6）mm，最弱点在离基准站距离最远处，D=10 km，可以得到：最弱点误差m=

2）高程精度：高程精度约为（5+0.5D×10-6）mm，最弱点同样在离基准站距离最远处，可以得到最弱点高程误差

3.1.3 分析结论

通过以上分析可知，GPS-RTK的测量精度无论是水平面精度还是高程精度均优于全站仪测量，说明了GPS-RTK测量技术在煤矿沉降观测中的可行性。

3.2 测区概况

测区面积约20 km，以山地为主，随着开采规模的不断扩大与开采年限的增长，很多地区开始出现不同程度的地面沉降，存在一定的安全隐患，为了保证煤矿安全生产，需要对沉降地区进行监测。采用传统的全站仪测量方法和GPS-RTK测量方法进行观测，对两者的测量结果进行对比分析，在测区中选定11个观测点，如图2所示，其中B001和B005为已知基准点。

图2 测区观测点分布

3.3 平面精度分析

分别使用GPS-RTK和全站仪对测区测点进行观测，记录水平坐标数据，结果如表1与下页表2所示。

从表1和表2中可以看出，两者采集的数据是基本一致的，偏差很小。

表1 平面坐标X值对比

表2 平面坐标Y值对比

3.4 高程精度分析

沉降区高程的变化是沉降观测的重点，同样对高程观测数据进行采集，对比结果如表3所示。两者的数据也是基本一致的。

3.5 分析结论

由以上对比分析可知，GPS-RTK测量方法的观测结果与传统全站仪的观测结果保持一致，水平精度和高程精度均能满足观测要求，因此可以替代效率较低的传统全站仪观测进行煤矿沉降观测。

表3 高程数值对比

4 结语

GPS-RTK测量技术与传统测量方法相比，精度高、操作简便、作业效率高，即便遇到障碍物失锁也可重新捕获卫星并在数分钟后继续测量，且已逐步在矿区测量中得到应用，具有良好的应用前景。