TMCORS在燕子山矿近井控制网恢复重建中的应用

姚苗利

(大同煤矿集团有限责任公司地质勘测处,山西省大同市，037003)

同煤集团目前存在矿井分布范围广、地形起伏大、地面沉陷导致地面控制点破坏、控制点恢复和维护成本高等问题，导致传统测量模式已无法满足日常测量的需要，随着全球定位系统技术的高速发展和广泛应用，卫星定位连续运行基准站(Continuously Operating Reference Station,简称CORS)成为现代GPS的发展热点之一，同煤集团连续运行参考站系统(即TMCORS)正是在这一背景下建设起来的。该技术利用全球卫星导航定位(GNSS)技术，在一个区域内，按一定距离建立一个或若干个长年连续运行的固定定位参考站，利用数据通信设备、计算机和互联网技术，实时地通过GSM/GPRS无线电话或互联网向不同类型、不同需求、不同层次的用户自动地提供经过检验的不同类型的 GPS 观测值(载波相位、伪距)、各种改正数、状态信息以及其他有关 GPS 服务项目的系统。CORS系统基于数据通信网络，可实现全天候、高精度、高时空分辨率、高效率、高覆盖率的作业，能够实时、快速、高精度地获取空间数据和地理特征，给矿山测绘行业带来了深刻的变革。

1 概况

1.1 TMCORS简介

同煤集团TMCORS系统于2013年5月开始选址建设，目前已建成5个GNSS连续运行基准站,基准站网络最长边长50 km，最短边长20 km，形成同煤集团在大同煤田和宁武朔南煤田范围内的网络系统全覆盖，TMCORS基准站分布如图1所示。该系统包括基准站子系统(RSS)、系统管理中心(SMAC)、数据传输子系统(DCS)、用户数据中心子系统(DTS)和用户应用子系统(UAS)五部分，系统采用徕卡公司SmartTrack+和SmartCheck+技术，配备5台GRX1200型参考站接收机和系统管理软件Leica GNSS Spider，满足实时和事后不同行业、不同用户和不同精度的要求。

图1 TMCORS基准站分布图

通过TMCORS配套的徕卡GPS SpiderNET 软件，可实现对基准站数据的连续实时网络分析和误差建模，在消除电离层、对流层等影响后，为长基线、高精度的网络 RTK 提供标准RTCM V3.0主辅站网络改正信息，相比传统RTK技术，在更远距离和更大范围覆盖内实现了均一精度下的可靠性。同时，可实现连续不断的原始数据流传输，并根据设定的时间间隔自动下载基准站观测数据，观测数据经处理后可用于GPS控制网的平差计算。

1.2 燕子山矿近井控制网

燕子山矿始建于1978年，原井上下测量系统是老旧的1964矿区独立坐标系统，该坐标系统是基于54坐标系(椭球坐标参数：长半轴a=6378245 m，短半轴b=6356863.0188 m，扁率α=1/298.3)建立的国家二等三角网。燕子山矿经历20多年开采后，由于开采沉陷、点位移动和破坏、开采工作面变化等情况，现地面近井控制网已不能满足井上井下生产建设需要，因此需在现有地面近井控制网的基础上恢复重建D级GPS近井控制网。高程控制网采用水准测量的方式重建，本文暂不讨论。

重建的燕子山矿GPS近井控制网共20个点位，其中原有平面控制点4个，分别为夏家河、纸坊头、旧高山南、新高山，但由于点位移动等原因，精度已无法满足测量要求，新埋设点位16个，联测TMCORS塔山(tash)、铁峰(tief)、燕子山(yzsh)3个基准站，利用3个站点的矿区独立坐标来恢复重建燕子山矿GPS近井控制网，恢复重建的燕子山矿GPS控制网网型如图2所示。

图2 燕子山矿GPS控制网网型示意图

2 数据观测

按照《全球定位系统(GPS)测量规范》以及项目设计书要求进行选点、埋石和仪器检验，观测设备为徕卡GS09、GS08和中纬Znith45、Znith15等8台仪器和3个CORS基准站，采用GPS 静态测量方法进行同步观测，同时段观测 1 h，共观测 4 个时段，平均重复设站为 1.9，满足国家GPS测量规范D级GPS观测网观测时段不小于1.6的要求。

野外观测按照D级GPS网的基本技术规定进行，根据观测计划对野外作业进行统一调度。用三脚架安置天线时，其对中误差不应大于1 mm，在检查接收机电源电缆和天线等各项连接无误后，方可开机，并检查有关指示灯与仪表显示是否正常。接到调度指令开始记录数据后，观测员要防止接收设备震动，更不得移动，防止人员和其他物体碰动天线或阻挡信号，观测期间，不应在天线附近50 m范围以内使用电台，不应在10 m范围以内使用对讲机，不得改变接收机的设置，如发生特殊情况应及时通知调度员。观测人员应及时做好记录，提前了解所用接收设备的天线高量取方法，每时段观测前后应各量取天线高一次，两次量高之差不应大于3 mm，取平均值作为最后的天线高。

观测开始前应检查基准站点接收机，以及基准站点与数据处理中心服务器连接情况，确保数据可以正常接收并回传至数据处理中心。观测结束后，应及时将GPS接收机数据和基准站相同观测时段的数据下载，并进行观测数据的完整性、正确性和可靠性检核，经检核无误后方可进行数据预处理。

2.1 基准站数据下载

TMCORS可以将实时观测数据回传至数据处理中心进行结算，同时具备在站点服务器中连续存储基准站观测数据的功能，并将观测数据以1 h为间隔打包回传至数据处理中心服务器保存。因此可利用FTP访问的方式，通过Leica GRX1200+ GNSS Web Interface网页从站点服务器上下载相应时段的观测数据，或者直接从本地服务器磁盘上下载，下载的基准站数据格式为RTCM格式，无需转换可直接参与数据解算，FTP方式访问站点服务器界面如图3所示。

图3 FTP方式访问站点服务器

2.2 数据格式转换

为保证数据处理顺利进行，需利用Leica Geo Office(LGO)软件将其他观测仪器观测的GPS观测数据格式转换为RINEX标准数据格式。打开LGO软件，新建项目后选择“输入”菜单导入原始观测数据，经软件处理后选择“输出”菜单导出rinex格式数据，LGO软件操作界面如图4所示。

图4 LGO软件操作界面

3 数据解算

数据解算采用美国天宝公司随机配备的商用数据处理软件 Trimble Business Center(TBC)进行解算，该软件是Trimble的新一代后处理软件，该软件能够自动识别 GNSS 文件格式，支持导入带非标准格式的 ASCII 文件，可以快速处理静态基线，处理包括 GPS 的 L1/L2/L5 以及 GLONASS 的数据，可以高效处理基线和网平差，并能够导出详细的各类处理报告。

GPS数据平差步骤主要包括导入静态观测数据、基线处理、检查闭合环报告、自由平差、约束平差和导出数据。

3.1 基线处理

本次联测共有重复基线214条，通过手动干预卫星信号、禁用基线等方式剔除不良数据后，解算得到固定解。基线处理结果水平精度为0.002～0.008 m，垂直精度在0.002～0.032 m之间。基线处理完毕后，检查GNSS回线闭合结果，GNSS回线闭合结果报告中长基线一般用PPM值限制，短基线用水平+垂直固定值限制，通过调整水平+垂直固定值通过GNSS回线闭合检查。基线和GNSS回线闭合处理通过后，及时保存基线处理报告和GNSS回线闭合结果报告。通过统计本次解算的214条基线水平精度和垂直精度离散分布，可以直观地了解基线水平精度和垂直精度的分布规律，进一步检验数据的可靠性，结果如图5所示。

图5 基线解算精度离散点分布图

通过对基线精度数据的统计分析发现，基线水平精度在5 mm以内的占57.9%，10 mm以内的占99.1%，垂直精度在20 mm以内的占64.0%，30 mm以内的92.1%，精度较低的基线，主要与其基线长度较长有关，因此控制网设计时应特别注意对基线长度的控制。

3.2 网平差计算

利用 Trimble TBC 软件进行GPS 控制网的平差计算。首先进行基线向量网在 WGS-84坐标系中的三维无约束平差，也称自由平差。平差后可能会出现卡方检验失败的情况，这时需对平差参考因子重新加权重，点击权重值之间的“*”号，软件会估算一个权值，即可平差合格。无约束平差后东坐标最大误差0.003 m，北坐标最大误差0.004 m，最弱边水平精度为1∶1502751。

无约束平差后，在矿区独立坐标系下进行约束平差。以TMCORS塔山(tash)、铁峰(tief)、燕子山(yzsh)3个站点的矿区独立坐标作为起算数据，计算出矿区独立坐标下的成果，并与原有控制点坐标进行对比，约束平差后点位误差结果见表1。

表1 约束平差后点位误差

表1数据表明，利用TMCORS 3个站点数据解算的坐标误差都小于0.010 m，整网精度较高，满足D级GPS控制网的精度要求。控制点解算坐标与原有坐标相差在0.06～0.13 m之间，分析其原因，一是原控制点矿区独立坐标受观测设备和技术的限制，整网精度不高；二是基于TMCORS建立的矿区独立坐标与原矿区独立坐标系精度指标上可能存在偏差。

4 结论

本文通过讨论TMCORS在燕子山矿GPS近井网恢复重建中的应用，表明TMCORS在数据兼容性、可靠性、观测精度等方面完全可以满足D级GPS控制网建设的要求，通过对控制网施测过程中问题的总结，可以为类似的控制网恢复重建提供建设经验。而随着我国北斗卫星导航系统的逐步应用和国家CSCS2000坐标系的全面启用，利用TMCORS建立的统一基准，可解决同煤集团大同矿区不同坐标系的高精度转换问题，保证整网的精度一致，对矿区老旧控制网的恢复重建工作有重要意义。