石長偉 ，何晴晴 ，陳長坤 ，肖明 ，蘇迪

(1.安徽理工大學(xué) 測(cè)繪學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國土信息工程學(xué)院,河南 焦作 454100)

0 引 言

隨著GNSS技術(shù)的快速發(fā)展,連續(xù)運(yùn)行參考站系統(tǒng)(CORS)在我國也得到了迅速的推廣與應(yīng)用。CORS是由一個(gè)或若干固定、連續(xù)運(yùn)行的GPS參考站,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)通信和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)組成的網(wǎng)絡(luò),實(shí)時(shí)地向用戶提供GPS觀測(cè)值、改正數(shù)、狀態(tài)信息及其他有關(guān)服務(wù)項(xiàng)目的系統(tǒng)[1-3]?，F(xiàn)代化的CORS技術(shù)已經(jīng)在城市規(guī)劃、工程測(cè)量、市政建設(shè)、資源普查等方面得到了廣泛應(yīng)用,為采集基礎(chǔ)空間地理信息數(shù)據(jù)提供了極大的便利。在某些區(qū)域,由于受到經(jīng)濟(jì)和自然因素的影響,建造多基站CORS系統(tǒng)比較困難,于是單基站CORS系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。單基站CORS系統(tǒng)除了具備CORS系統(tǒng)的功能外,主要特點(diǎn)是建造成本低、建造速度快、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)和管理。在礦山測(cè)量中,為了保障工作面的安全生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境治理及研究開采的地表移動(dòng)變形規(guī)律,《煤炭測(cè)量規(guī)程》要求,對(duì)于首采面和重要的建筑物應(yīng)該布設(shè)地表移動(dòng)觀測(cè)站,通過采集其數(shù)據(jù)來掌握地表移動(dòng)變形規(guī)律[4]。由于布設(shè)的監(jiān)測(cè)站多,數(shù)據(jù)采集階段測(cè)量頻繁,耗費(fèi)時(shí)間長,勞動(dòng)強(qiáng)度大,成本高,針對(duì)上述問題我們?cè)诨茨现旒瘱|礦建立了單基站CORS系統(tǒng),并將其應(yīng)用在點(diǎn)位的放樣及監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面信息的采集。

1 單基準(zhǔn)站CORS的建立

1.1 系統(tǒng)組成

單基站CORS系統(tǒng)由GPS基準(zhǔn)站、數(shù)據(jù)中心、通信模塊和流動(dòng)站四個(gè)部分組成?；鶞?zhǔn)站又包括GPS接收機(jī)、避雷針、天線、電源;數(shù)據(jù)中心既進(jìn)行系統(tǒng)控制又進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,通信采用GPRS/CDMA數(shù)據(jù)傳輸終端模塊。

1.2 基站位置的選取

在選取基準(zhǔn)站時(shí),要考慮到流動(dòng)站固定解的解算與基準(zhǔn)站的公共衛(wèi)星數(shù)的關(guān)系,因此要把基準(zhǔn)站架設(shè)在視野開闊的地方,在高度角15°以上的視場(chǎng)周圍沒有障礙物;不應(yīng)有強(qiáng)磁場(chǎng)的存在;為了避免多路徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)的影響,不能選擇有大面積水域的地區(qū);要選擇穩(wěn)定、交通便利且易于保存的地帶,避免人為的破壞[5-8]。綜上所述,本礦區(qū)的單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)的基準(zhǔn)站選擇在礦區(qū)辦公樓的樓頂,觀測(cè)墩建成永久性觀測(cè)墩,如圖1所示。

聯(lián)系人: 石長偉E-mail:864827159@qq.com

圖1 CORS基準(zhǔn)站示意圖

1.3 基準(zhǔn)站的施測(cè)及精度分析

根據(jù)朱集東礦的實(shí)際情況和已知控制點(diǎn)信息建立單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)的控制網(wǎng),如圖2所示。平面坐標(biāo)系統(tǒng)采用BJ-54坐標(biāo)系,高程系統(tǒng)采用1985國家高程基準(zhǔn)?？刂凭W(wǎng)按D級(jí)GPS網(wǎng)的要求、使用5臺(tái)中海達(dá)V9三系統(tǒng)接收機(jī),采用靜態(tài)相對(duì)定位的模式進(jìn)行觀測(cè)。該控制網(wǎng)中包括四個(gè)C級(jí)GPS點(diǎn),四個(gè)具有BJ-54坐標(biāo)系下的C級(jí)點(diǎn)作為坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的基礎(chǔ),一個(gè)單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)的基準(zhǔn)站(CZHJDM)和十個(gè)內(nèi)插檢核點(diǎn)。對(duì)靜態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算,其中重復(fù)觀測(cè)邊、同步環(huán)閉合差和異步環(huán)閉合差檢核數(shù)據(jù)如表1所示;點(diǎn)位中誤差、基線向量中誤差和基線向量相對(duì)中誤差統(tǒng)計(jì)情況如表2、表3、表4所示。得出控制網(wǎng)的外業(yè)觀測(cè)質(zhì)量符合精度要求。

圖2 基準(zhǔn)站控制網(wǎng)圖

精度1～2ppm2～3ppm3～5ppm>5ppm重復(fù)邊127310比率/%96.952.290.760同步環(huán)數(shù)266795337461比率/%65.7723.519.221.50異步環(huán)數(shù)123345477273540比率/%59.9226.6013.290.19

表2 點(diǎn)位中誤差統(tǒng)計(jì)表

表3 基線向量中誤差統(tǒng)計(jì)表

表4 基線向量相對(duì)中誤差統(tǒng)計(jì)表

1.4 精度檢核

在單基站CORS系統(tǒng)建成后,還要對(duì)其準(zhǔn)確性進(jìn)行測(cè)試,在測(cè)區(qū)內(nèi)選擇10個(gè)E級(jí)GPS已知點(diǎn)使用實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)(RTK)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)量,將得到WGS-84坐標(biāo)系下的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為高斯平面坐標(biāo)和大地高,然后利用四參數(shù)轉(zhuǎn)換模型和曲面擬合模型將其轉(zhuǎn)換為BJ-54坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)和正常高,并與已知點(diǎn)進(jìn)行比較,檢核結(jié)果如表5所示。

表5 精度檢核表

由此可以得出,平面點(diǎn)位中誤差最大值為1.6 cm,最小為0.9 cm;高程中誤差最大值為3.5 cm,最小為0 cm;平面測(cè)量的精度比高程測(cè)量精度高。

2 單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)在礦區(qū)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用背景

朱集東礦1222(1)工作面有一條走向觀測(cè)線、半條傾向觀測(cè)線,設(shè)計(jì)布設(shè)9個(gè)控制點(diǎn)和129個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),由于工作面的切眼東北側(cè)和設(shè)計(jì)停采線東北側(cè)各有一個(gè)村莊會(huì)受到地下開采的影響,對(duì)其村莊準(zhǔn)備布設(shè)了6個(gè)控制點(diǎn)和23個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),為了及時(shí)準(zhǔn)確地掌握工作面開采對(duì)村莊的影響并研究地表移動(dòng)變形規(guī)律,采用傳統(tǒng)全站儀和常規(guī)RTK測(cè)量難以在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成點(diǎn)位布設(shè)任務(wù)和獲取地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集任務(wù),決定采用單基站 CORS系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位進(jìn)行放樣和平面信息的采集。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位放樣

為了保障工作面的安全生產(chǎn)、礦區(qū)建筑物的安全及研究地表移動(dòng)變形規(guī)律,在開采工作面上方的地表要埋設(shè)大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn),為了使監(jiān)測(cè)點(diǎn)能夠滿足設(shè)計(jì)要求、達(dá)到預(yù)定目標(biāo),采用單基站CORS系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、快速地將監(jiān)測(cè)點(diǎn)放樣到設(shè)計(jì)的位置,提高放樣的工作效率和準(zhǔn)確度。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的數(shù)據(jù)采集及精度分析

為了獲取地表移動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),采用單基站CORS系統(tǒng)使用CORS-RTK移動(dòng)終端進(jìn)行測(cè)量,對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)測(cè)量30次以上,當(dāng)觀測(cè)條件不好時(shí)(如樹下,屋角),適當(dāng)延長觀測(cè)時(shí)間。計(jì)算后的點(diǎn)位中誤差如表6所示。

表6 點(diǎn)位中誤差

由此可以看出，點(diǎn)位中誤差中小于1.5 cm的比率占總點(diǎn)數(shù)的94.61%，大于1.5 cm小于3 cm的占5.39%；高程中誤差中小于1.5 cm的占27.55%，大于1.5 cm小于3 cm的占總點(diǎn)數(shù)的65.87%，大于3 cm小于5 cm的占5.99%，大于5 cm的占0.59%.由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)還可以得出：最大點(diǎn)位中誤差為2.72 cm，最小中誤差為0.6 cm，平均為1.08 cm；高程的最大中誤差為5.25 cm，最小為1.13 cm，平均為1.89 cm.

在外業(yè)數(shù)據(jù)采集時(shí),會(huì)受到周圍樹林、建筑物的影響,導(dǎo)致有些觀測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差較大,但對(duì)于采用單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)測(cè)得的94.6%的監(jiān)測(cè)點(diǎn)符合礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)要求的精度,所以在實(shí)踐中我們用單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)采集平面坐標(biāo)信息,由于高程的中誤差較大,不滿足礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)最弱點(diǎn)高程中誤差的要求,所以在實(shí)際礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)中使用Lecia Sprinter-150水準(zhǔn)儀配合單基站CORS-RTK進(jìn)行外業(yè)的數(shù)據(jù)采集。

3 單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)在礦山測(cè)量中的優(yōu)勢(shì)

本系統(tǒng)建設(shè)完成后,經(jīng)檢驗(yàn)可以在礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)中用于采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的平面坐標(biāo),與常規(guī)的RTK相比,單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢(shì):

1) 建造成本低。可以利用現(xiàn)有的資源加少量資金在礦區(qū)建立單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng),滿足礦山開采沉陷監(jiān)測(cè)中平面坐標(biāo)采集的需求。

2) 重復(fù)使用率高。對(duì)于礦區(qū)布設(shè)的單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)來說,可以在本區(qū)域內(nèi)進(jìn)行高精度的點(diǎn)位放樣、地形測(cè)繪和其他工作面的變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用。

3) 數(shù)據(jù)穩(wěn)定、可靠。實(shí)踐表明,單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)在礦山測(cè)量的工作中數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠,尤其是隨著我國北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的投入運(yùn)行,其數(shù)據(jù)的質(zhì)量將會(huì)更高。

4) 作業(yè)速度快、精度高、范圍大。當(dāng)單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)投入使用后,流動(dòng)站初始化速度更快,固定后可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,由于采用GPRS/CDMA等信號(hào)取代了電臺(tái)傳輸模式,數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x可以達(dá)到30 km[9].

4 結(jié)束語

礦山測(cè)量中采用單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)提高測(cè)量的速度和精度,具有明顯的實(shí)用價(jià)值。但是在高程方面的精度還不足以達(dá)到地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)的精度要求,在以后的工作中,將針對(duì)這一問題繼續(xù)完善單基準(zhǔn)站CORS系統(tǒng)。

[1] 余學(xué)祥,王堅(jiān),劉紹堂,等.GPS測(cè)量與數(shù)據(jù)處理[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2013.

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[8] 國家測(cè)繪局測(cè)繪標(biāo)準(zhǔn)化研究所、國家測(cè)繪局第一大地測(cè)量隊(duì)、國家基礎(chǔ)地理信息中心.GB/T 18314-2009.全球定位系統(tǒng)(GPS)測(cè)量規(guī)范[S].2009.

[9] 劉經(jīng)南,劉輝.連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位服務(wù)系統(tǒng)——城市空間數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(信息科學(xué)版),2003,28(3):9-14.