姚苗利

(大同煤礦集團有限責(zé)任公司地質(zhì)勘測處,山西省大同市，037003)

同煤集團目前存在礦井分布范圍廣、地形起伏大、地面沉陷導(dǎo)致地面控制點破壞、控制點恢復(fù)和維護成本高等問題，導(dǎo)致傳統(tǒng)測量模式已無法滿足日常測量的需要，隨著全球定位系統(tǒng)技術(shù)的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，衛(wèi)星定位連續(xù)運行基準(zhǔn)站(Continuously Operating Reference Station,簡稱CORS)成為現(xiàn)代GPS的發(fā)展熱點之一，同煤集團連續(xù)運行參考站系統(tǒng)(即TMCORS)正是在這一背景下建設(shè)起來的。該技術(shù)利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位(GNSS)技術(shù)，在一個區(qū)域內(nèi)，按一定距離建立一個或若干個長年連續(xù)運行的固定定位參考站，利用數(shù)據(jù)通信設(shè)備、計算機和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實時地通過GSM/GPRS無線電話或互聯(lián)網(wǎng)向不同類型、不同需求、不同層次的用戶自動地提供經(jīng)過檢驗的不同類型的 GPS 觀測值(載波相位、偽距)、各種改正數(shù)、狀態(tài)信息以及其他有關(guān) GPS 服務(wù)項目的系統(tǒng)。CORS系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)全天候、高精度、高時空分辨率、高效率、高覆蓋率的作業(yè)，能夠?qū)崟r、快速、高精度地獲取空間數(shù)據(jù)和地理特征，給礦山測繪行業(yè)帶來了深刻的變革。

1 概況

1.1 TMCORS簡介

同煤集團TMCORS系統(tǒng)于2013年5月開始選址建設(shè)，目前已建成5個GNSS連續(xù)運行基準(zhǔn)站,基準(zhǔn)站網(wǎng)絡(luò)最長邊長50 km，最短邊長20 km，形成同煤集團在大同煤田和寧武朔南煤田范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)全覆蓋，TMCORS基準(zhǔn)站分布如圖1所示。該系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站子系統(tǒng)(RSS)、系統(tǒng)管理中心(SMAC)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)(DCS)、用戶數(shù)據(jù)中心子系統(tǒng)(DTS)和用戶應(yīng)用子系統(tǒng)(UAS)五部分，系統(tǒng)采用徠卡公司SmartTrack+和SmartCheck+技術(shù)，配備5臺GRX1200型參考站接收機和系統(tǒng)管理軟件Leica GNSS Spider，滿足實時和事后不同行業(yè)、不同用戶和不同精度的要求。

圖1 TMCORS基準(zhǔn)站分布圖

通過TMCORS配套的徠卡GPS SpiderNET 軟件，可實現(xiàn)對基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)的連續(xù)實時網(wǎng)絡(luò)分析和誤差建模，在消除電離層、對流層等影響后，為長基線、高精度的網(wǎng)絡(luò) RTK 提供標(biāo)準(zhǔn)RTCM V3.0主輔站網(wǎng)絡(luò)改正信息，相比傳統(tǒng)RTK技術(shù)，在更遠(yuǎn)距離和更大范圍覆蓋內(nèi)實現(xiàn)了均一精度下的可靠性。同時，可實現(xiàn)連續(xù)不斷的原始數(shù)據(jù)流傳輸，并根據(jù)設(shè)定的時間間隔自動下載基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可用于GPS控制網(wǎng)的平差計算。

1.2 燕子山礦近井控制網(wǎng)

燕子山礦始建于1978年，原井上下測量系統(tǒng)是老舊的1964礦區(qū)獨立坐標(biāo)系統(tǒng)，該坐標(biāo)系統(tǒng)是基于54坐標(biāo)系(橢球坐標(biāo)參數(shù)：長半軸a=6378245 m，短半軸b=6356863.0188 m，扁率α=1/298.3)建立的國家二等三角網(wǎng)。燕子山礦經(jīng)歷20多年開采后，由于開采沉陷、點位移動和破壞、開采工作面變化等情況，現(xiàn)地面近井控制網(wǎng)已不能滿足井上井下生產(chǎn)建設(shè)需要，因此需在現(xiàn)有地面近井控制網(wǎng)的基礎(chǔ)上恢復(fù)重建D級GPS近井控制網(wǎng)。高程控制網(wǎng)采用水準(zhǔn)測量的方式重建，本文暫不討論。

重建的燕子山礦GPS近井控制網(wǎng)共20個點位，其中原有平面控制點4個，分別為夏家河、紙坊頭、舊高山南、新高山，但由于點位移動等原因，精度已無法滿足測量要求，新埋設(shè)點位16個，聯(lián)測TMCORS塔山(tash)、鐵峰(tief)、燕子山(yzsh)3個基準(zhǔn)站，利用3個站點的礦區(qū)獨立坐標(biāo)來恢復(fù)重建燕子山礦GPS近井控制網(wǎng)，恢復(fù)重建的燕子山礦GPS控制網(wǎng)網(wǎng)型如圖2所示。

圖2 燕子山礦GPS控制網(wǎng)網(wǎng)型示意圖

2 數(shù)據(jù)觀測

按照《全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范》以及項目設(shè)計書要求進行選點、埋石和儀器檢驗，觀測設(shè)備為徠卡GS09、GS08和中緯Znith45、Znith15等8臺儀器和3個CORS基準(zhǔn)站，采用GPS 靜態(tài)測量方法進行同步觀測，同時段觀測 1 h，共觀測 4 個時段，平均重復(fù)設(shè)站為 1.9，滿足國家GPS測量規(guī)范D級GPS觀測網(wǎng)觀測時段不小于1.6的要求。

野外觀測按照D級GPS網(wǎng)的基本技術(shù)規(guī)定進行，根據(jù)觀測計劃對野外作業(yè)進行統(tǒng)一調(diào)度。用三腳架安置天線時，其對中誤差不應(yīng)大于1 mm，在檢查接收機電源電纜和天線等各項連接無誤后，方可開機，并檢查有關(guān)指示燈與儀表顯示是否正常。接到調(diào)度指令開始記錄數(shù)據(jù)后，觀測員要防止接收設(shè)備震動，更不得移動，防止人員和其他物體碰動天線或阻擋信號，觀測期間，不應(yīng)在天線附近50 m范圍以內(nèi)使用電臺，不應(yīng)在10 m范圍以內(nèi)使用對講機，不得改變接收機的設(shè)置，如發(fā)生特殊情況應(yīng)及時通知調(diào)度員。觀測人員應(yīng)及時做好記錄，提前了解所用接收設(shè)備的天線高量取方法，每時段觀測前后應(yīng)各量取天線高一次，兩次量高之差不應(yīng)大于3 mm，取平均值作為最后的天線高。

觀測開始前應(yīng)檢查基準(zhǔn)站點接收機，以及基準(zhǔn)站點與數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器連接情況，確保數(shù)據(jù)可以正常接收并回傳至數(shù)據(jù)處理中心。觀測結(jié)束后，應(yīng)及時將GPS接收機數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)站相同觀測時段的數(shù)據(jù)下載，并進行觀測數(shù)據(jù)的完整性、正確性和可靠性檢核，經(jīng)檢核無誤后方可進行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

2.1 基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)下載

TMCORS可以將實時觀測數(shù)據(jù)回傳至數(shù)據(jù)處理中心進行結(jié)算，同時具備在站點服務(wù)器中連續(xù)存儲基準(zhǔn)站觀測數(shù)據(jù)的功能，并將觀測數(shù)據(jù)以1 h為間隔打包回傳至數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器保存。因此可利用FTP訪問的方式，通過Leica GRX1200+ GNSS Web Interface網(wǎng)頁從站點服務(wù)器上下載相應(yīng)時段的觀測數(shù)據(jù)，或者直接從本地服務(wù)器磁盤上下載，下載的基準(zhǔn)站數(shù)據(jù)格式為RTCM格式，無需轉(zhuǎn)換可直接參與數(shù)據(jù)解算，F(xiàn)TP方式訪問站點服務(wù)器界面如圖3所示。

圖3 FTP方式訪問站點服務(wù)器

2.2 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

為保證數(shù)據(jù)處理順利進行，需利用Leica Geo Office(LGO)軟件將其他觀測儀器觀測的GPS觀測數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換為RINEX標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式。打開LGO軟件，新建項目后選擇“輸入”菜單導(dǎo)入原始觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)軟件處理后選擇“輸出”菜單導(dǎo)出rinex格式數(shù)據(jù)，LGO軟件操作界面如圖4所示。

圖4 LGO軟件操作界面

3 數(shù)據(jù)解算

數(shù)據(jù)解算采用美國天寶公司隨機配備的商用數(shù)據(jù)處理軟件 Trimble Business Center(TBC)進行解算，該軟件是Trimble的新一代后處理軟件，該軟件能夠自動識別 GNSS 文件格式，支持導(dǎo)入帶非標(biāo)準(zhǔn)格式的 ASCII 文件，可以快速處理靜態(tài)基線，處理包括 GPS 的 L1/L2/L5 以及 GLONASS 的數(shù)據(jù)，可以高效處理基線和網(wǎng)平差，并能夠?qū)С鲈敿?xì)的各類處理報告。

GPS數(shù)據(jù)平差步驟主要包括導(dǎo)入靜態(tài)觀測數(shù)據(jù)、基線處理、檢查閉合環(huán)報告、自由平差、約束平差和導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

3.1 基線處理

本次聯(lián)測共有重復(fù)基線214條，通過手動干預(yù)衛(wèi)星信號、禁用基線等方式剔除不良數(shù)據(jù)后，解算得到固定解?；€處理結(jié)果水平精度為0.002～0.008 m，垂直精度在0.002～0.032 m之間?；€處理完畢后，檢查GNSS回線閉合結(jié)果，GNSS回線閉合結(jié)果報告中長基線一般用PPM值限制，短基線用水平+垂直固定值限制，通過調(diào)整水平+垂直固定值通過GNSS回線閉合檢查。基線和GNSS回線閉合處理通過后，及時保存基線處理報告和GNSS回線閉合結(jié)果報告。通過統(tǒng)計本次解算的214條基線水平精度和垂直精度離散分布，可以直觀地了解基線水平精度和垂直精度的分布規(guī)律，進一步檢驗數(shù)據(jù)的可靠性，結(jié)果如圖5所示。

圖5 基線解算精度離散點分布圖

通過對基線精度數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，基線水平精度在5 mm以內(nèi)的占57.9%，10 mm以內(nèi)的占99.1%，垂直精度在20 mm以內(nèi)的占64.0%，30 mm以內(nèi)的92.1%，精度較低的基線，主要與其基線長度較長有關(guān)，因此控制網(wǎng)設(shè)計時應(yīng)特別注意對基線長度的控制。

3.2 網(wǎng)平差計算

利用 Trimble TBC 軟件進行GPS 控制網(wǎng)的平差計算。首先進行基線向量網(wǎng)在 WGS-84坐標(biāo)系中的三維無約束平差，也稱自由平差。平差后可能會出現(xiàn)卡方檢驗失敗的情況，這時需對平差參考因子重新加權(quán)重，點擊權(quán)重值之間的“*”號，軟件會估算一個權(quán)值，即可平差合格。無約束平差后東坐標(biāo)最大誤差0.003 m，北坐標(biāo)最大誤差0.004 m，最弱邊水平精度為1∶1502751。

無約束平差后，在礦區(qū)獨立坐標(biāo)系下進行約束平差。以TMCORS塔山(tash)、鐵峰(tief)、燕子山(yzsh)3個站點的礦區(qū)獨立坐標(biāo)作為起算數(shù)據(jù)，計算出礦區(qū)獨立坐標(biāo)下的成果，并與原有控制點坐標(biāo)進行對比，約束平差后點位誤差結(jié)果見表1。

表1 約束平差后點位誤差

表1數(shù)據(jù)表明，利用TMCORS 3個站點數(shù)據(jù)解算的坐標(biāo)誤差都小于0.010 m，整網(wǎng)精度較高，滿足D級GPS控制網(wǎng)的精度要求?？刂泣c解算坐標(biāo)與原有坐標(biāo)相差在0.06～0.13 m之間，分析其原因，一是原控制點礦區(qū)獨立坐標(biāo)受觀測設(shè)備和技術(shù)的限制，整網(wǎng)精度不高；二是基于TMCORS建立的礦區(qū)獨立坐標(biāo)與原礦區(qū)獨立坐標(biāo)系精度指標(biāo)上可能存在偏差。

4 結(jié)論

本文通過討論TMCORS在燕子山礦GPS近井網(wǎng)恢復(fù)重建中的應(yīng)用，表明TMCORS在數(shù)據(jù)兼容性、可靠性、觀測精度等方面完全可以滿足D級GPS控制網(wǎng)建設(shè)的要求，通過對控制網(wǎng)施測過程中問題的總結(jié)，可以為類似的控制網(wǎng)恢復(fù)重建提供建設(shè)經(jīng)驗。而隨著我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步應(yīng)用和國家CSCS2000坐標(biāo)系的全面啟用，利用TMCORS建立的統(tǒng)一基準(zhǔn)，可解決同煤集團大同礦區(qū)不同坐標(biāo)系的高精度轉(zhuǎn)換問題，保證整網(wǎng)的精度一致，對礦區(qū)老舊控制網(wǎng)的恢復(fù)重建工作有重要意義。