張純志

(四川省煤田地質(zhì)局一三七隊,達(dá)州 635711)

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淺談GNSS技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用

張純志

(四川省煤田地質(zhì)局一三七隊,達(dá)州 635711)

本文以“四川省開江縣明月峽礦區(qū)河井溝北礦段煤炭普查設(shè)計”項目為例,主要針對控制點(diǎn)布設(shè)與觀測、數(shù)據(jù)解算,精度評價等方面進(jìn)行分析。對GNSS RTK技術(shù)在煤田地質(zhì)勘探中的應(yīng)用提供參考。

GNSS控制網(wǎng);平面控制網(wǎng);平差原理;精度;RTK

0　引　言

由于四川省煤炭產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司(以下簡稱“川煤集團(tuán)”)多年持續(xù)高強(qiáng)度的開采,川煤集團(tuán)轄區(qū)內(nèi)煤礦資源已面臨枯竭,急需尋找后備資源。川煤集團(tuán)特委托四川省煤田地質(zhì)局一三七隊編制四川省開江縣明月峽礦區(qū)河井溝北礦段煤炭普查設(shè)計。為滿足煤田地質(zhì)勘探的需要,完成了該礦區(qū)范圍的E級GNSS點(diǎn)控制及GNSS RTK的圖根測量。

1　坐標(biāo)系建立

1.1設(shè)計方案

普查區(qū)中心位于四川省開江縣城東南方向,地理坐標(biāo):北緯30°56′55″～31°1′35″,東經(jīng)107°44′44″～107°51′55″.本次布設(shè)控制網(wǎng)需要在原有礦區(qū)內(nèi)1:10000萬地形圖上進(jìn)行,而原有礦區(qū)地形圖坐標(biāo)系為1980西安坐標(biāo)系和1985國家高程基準(zhǔn)。同時經(jīng)過實(shí)地踏勘,礦區(qū)附近有三等點(diǎn)DXD02、四等點(diǎn)DXD28、DXD03以及原煤礦井口近景點(diǎn)DXE174、DXE155,經(jīng)檢查,上述各點(diǎn)保存良好,精度優(yōu)良,為本次GNSS E級控制網(wǎng)的基礎(chǔ)控制點(diǎn)。

1.2GNSS E級網(wǎng)布設(shè)

在普查區(qū)內(nèi)按照GNSS E級要求布設(shè)了39個E級點(diǎn),采取邊連式布網(wǎng),以高等級控制點(diǎn)DXD02、DXD28、DXD03 為起算點(diǎn),按E級網(wǎng)要求進(jìn)行布設(shè),如圖1所示。

1.3外業(yè)觀測

本項目采取邊連式同步觀測模式[4],使用了6臺雙頻Topcon Hiper+接受機(jī)(3+0.5ppm)對39個E級點(diǎn)進(jìn)行觀測,觀測記錄前應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱和靜置,待接收機(jī)指示燈正常后開始記錄。

觀測員認(rèn)真做好觀測記錄,滿足觀測衛(wèi)星截止高度角為15°,同時觀測有效衛(wèi)星顆數(shù)≥4,觀測時段數(shù)≥1.6,時段長度≥40 min,采樣間隔15 s.

1.4平差處理

1.4.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理采用HGO數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行衛(wèi)星廣播星歷解算基線,并提取基線向量,為下一步的GNSS平差作準(zhǔn)備,基線提取滿足5點(diǎn)要求:1) 必須選取相互獨(dú)立的基線[2]。2) 所選的基線應(yīng)構(gòu)成閉合的幾何圖形。3)選取質(zhì)量好的基線向量,可以通過基線的均方根誤差、RDOP、雙差固定解、同步閉和環(huán)差、異步環(huán)閉和差及重復(fù)基線較差判定[3]。

4) 選取能構(gòu)成邊數(shù)較少的異步環(huán)的基線向量。

5) 選取邊長較短的基線向量。

1.4.2基線向量的解算

通過數(shù)據(jù)預(yù)處理后,對觀測的基線向量進(jìn)行解算,解算主要基線是否達(dá)到要求,如基線的時長是否超過了15 min,解算模型是不是固定解,基線的雙差解Ratio是否大于3,基線的均方根誤差RMS≤0.01 m等參數(shù)。并且基線解算后還要對解算的結(jié)果進(jìn)行觀測值殘差和基線長度精度的分析,以及對基線環(huán)閉合差的計算及檢核。在實(shí)際工作中通過建立雙差觀測值模型解算基線向量[1]

(1)

1.4.3E級網(wǎng)平差

1) 無約束平差

經(jīng)過嚴(yán)密的基線處理后,對三維基線向量及其協(xié)方差陣進(jìn)行無約束平差,并將高級GNSS點(diǎn)的坐標(biāo)作為網(wǎng)平差時的位置基準(zhǔn),建立誤差方程[5]。

(2)

通過無約束平差,不會引入使GNSS網(wǎng)的尺度和方位發(fā)生變化的起算數(shù)據(jù),能夠評定GNSS網(wǎng)的內(nèi)符合精度和探測處理粗差。

2) 約束平差

在GNSS網(wǎng)約束平差時引入了會使GNSS網(wǎng)的尺度和方位發(fā)生變化的外部起算數(shù)據(jù),實(shí)際過程中就是以國家(或地方)坐標(biāo)系的兩個已知點(diǎn)或是一個已知點(diǎn)和一個已知基線的方向為起算數(shù)據(jù),平差時將GNSS基線向量觀測值及其方差陣轉(zhuǎn)換到國家(或地方)坐標(biāo)系的二維(或球面)上,然后在國家(或地方)坐標(biāo)系中進(jìn)行二維約束平差。

2　靜態(tài)GNSS數(shù)據(jù)的實(shí)例分析

2.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

表1　重復(fù)基線最大值統(tǒng)計

表2　同步環(huán)和異步環(huán)相對誤差最大值

2.2GNSS網(wǎng)平差

2.2.1無約束平差

在整個GNSS網(wǎng)基線解算合格后,選取網(wǎng)內(nèi)任意一點(diǎn)作為起算點(diǎn),不再引入其他點(diǎn)而進(jìn)行無約束平差,平差后最弱點(diǎn) 點(diǎn)位中誤差為37.8mm(A17),最弱點(diǎn)高程中誤差為3.1mm(A17)。并且無約束平差中,基線分量的改正數(shù)絕對值(VΔX、VΔY、VΔZ)滿足VΔX≤3σ、VΔY≤3σ、VΔZ≤3σ(σ為基線測量中誤差,單位為(mm)),說明基線向量合符要求。

2.2.2約束平差

2.3精度分析

2.3.1常規(guī)精度分析

經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算、平差等步驟,開江縣明月峽礦區(qū)河井溝煤炭普查GNSS E級網(wǎng)精度統(tǒng)計如表3、表4所示。

表3　GNSS點(diǎn)解算精度統(tǒng)計

根據(jù)表3可知,在整個測區(qū)控制范圍內(nèi),空間坐標(biāo)系控制點(diǎn)精度為:X方向精度優(yōu)于7 mm,Y方向精度優(yōu)于6 mm,Z方向優(yōu)于10 mm.并且X-Y、X-Z、Y-Z相關(guān)系數(shù)精度均小于10 mm.

表4　GNSS基線向量精度統(tǒng)計表

根據(jù)表4可知,通過對合格基線向量的構(gòu)建,相鄰起算點(diǎn)向量精度:X方向的精度優(yōu)于5 mm,Y方向的精度優(yōu)于5 mm,Z方向的精度優(yōu)于15 mm.開江縣明月峽礦區(qū)河井溝煤炭普查GNSS E級網(wǎng)從設(shè)計→實(shí)施→平差及精度評定,滿足了E級點(diǎn)的要求,為煤炭勘查及以后的建設(shè)提供了可靠的數(shù)據(jù)。

2.3.2同步觀測圖形對精度的分析

為提高GNSS首級控制的精度,采用同步的單三角和同步的多邊形進(jìn)行觀測,保障聯(lián)測兩個高等級控制點(diǎn)[6],并通過計算平差得到如表5所示的結(jié)果。

表5　平差結(jié)果

通過表5的數(shù)據(jù)可以推出同步多邊形平差出來的結(jié)果均優(yōu)于同步單三角,原因之一,從GNSS構(gòu)網(wǎng)角度看,多邊形構(gòu)網(wǎng)強(qiáng)度強(qiáng)于單三角形;其二,在多變形觀測滿足多基線解算模式下的基線向量估值及驗后方差-協(xié)方差陣解算。

3　靜態(tài)GNSS RTK實(shí)例分析

GNSS RTK實(shí)時動態(tài)定位技術(shù)是一項以載波相位觀測值為基礎(chǔ)的實(shí)時GPS測量技術(shù)。它的主要設(shè)備為:一臺基準(zhǔn)站接收機(jī)、一臺或多臺流動站接收機(jī)以及用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)碾娕_?；鶞?zhǔn)站不間斷地對可見衛(wèi)星進(jìn)行觀測,根據(jù)基準(zhǔn)站已知精密坐標(biāo),計算出基準(zhǔn)站到衛(wèi)星的距離改正數(shù),并由基準(zhǔn)站實(shí)時將這一改正數(shù)通過電臺發(fā)送出去。流動站在觀測GPS衛(wèi)星觀測的同時,也接受基準(zhǔn)站的改正數(shù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時處理,并對其定位結(jié)果進(jìn)行改正,并提高精度,求取待定點(diǎn)的三維坐標(biāo)(X,Y,Z).

本次河井溝勘探用的圖根點(diǎn)就是采用的GNSS RTK實(shí)測,通過任意架設(shè)基準(zhǔn)站,求取礦區(qū)內(nèi)分布均勻的基準(zhǔn)點(diǎn)(DXD02、DXD28、DXD03)七參數(shù)法,即X,Y,Z的平移參數(shù),X,Y,Z的旋轉(zhuǎn)參數(shù),K尺度,如表6所示。

表6　七參數(shù)轉(zhuǎn)換表

根據(jù)參數(shù)轉(zhuǎn)換表6,七參數(shù)值比較合理,并通過檢查其已知點(diǎn)的平面精度小于0.05 m,高程精度小于0.10 m,完全滿足本次勘探的測量精度,通過GNSS RTK實(shí)測,大大提高了實(shí)測精度和效率。

4　結(jié)束語

四川省開江縣明月峽礦區(qū)河井溝北礦段煤炭普查設(shè)計GNSS E級網(wǎng)采用了GNSS靜態(tài)單點(diǎn)定位方式,觀測采用了同步圖形擴(kuò)展的布網(wǎng)形式,通過科學(xué)合理的計算各項指標(biāo),如重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)等均達(dá)到規(guī)范要求,特別是在GNSS點(diǎn)布網(wǎng)和合理基線的構(gòu)建上,大大地提高整個控制網(wǎng)精度。另外,在施測圖根點(diǎn)采用了GNSS RTK,充分利用定位精度高、速度快、全天候特點(diǎn),大大縮短了整個項目的工期,為煤田地質(zhì)勘探提供了測繪保障。

[1] 胡叢瑋,樓立志. GPS/GNSS衛(wèi)星定位原理與應(yīng)用雙語課程建設(shè)初探[J]. 測繪通報,2009(9):74-77.

[2] 張寶成. GNSS非差非組合精密單點(diǎn)定位的理論方法與應(yīng)用研究[J]. 測繪學(xué)報,2014(10):1099.

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[6] 李玉寶.測量學(xué)[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2006.

Introduction to GNSS Technology Application in Coalfield Geology Exploration

ZHANG Chunzhi

(TeamofSichuanCoalfieldGeologyBureau,Dazhou635711,China)

Based on the′open jiang county of sichuan province bright moon gorge river well ditch north ore block coal mining area survey design′ project as an example, the analysis of GNSS and GNSS in coalfield geology exploration, the application of RTK technology mainly aimed at the control point layout and observation, data decoding, precision evaluation, etc.

GNSS control network; plane control network; adjustment principle; precision; RTK

2015-03-25

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0097-04

張純志(1977-),男,四川省鄰水人,工程師、注冊測繪師、主要從事工程測量、地籍測量、地理信息系統(tǒng)等工作。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.020

聯(lián)系人： 張純志 E-mail: 269158646@qq.com