GPS-RTK技术在广西大新锰矿露天矿山测量中的应用

刘 莺

(中信大锰矿业有限责任公司大新分公司，广西大新 532315)

0 前言

RTK(Real Time Kinematic)实时动态定位技术，是一项以载波相位观测为根据的实时差分 GPS测量技术，它以 GPS测量技术与数据传输技术相结合，是 GPS测量技术发展中的一项新突破[1]，在1～2 s时间内测量精度可达到厘米级，同时，在RTK测量中，通过实时计算的定位结果，可监测基站与用户站观测成果的质量和解算成果的收敛情况，从而实时的判定解算结果是否成功，以减少冗余观测，缩短观测时间，因此，RTK测量技术以其精度高、实时性和高效性，在测绘中得到广泛的应用。

实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置1台 GPS接收机，对所有可见 GPS卫星进行连续观测，并将观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给流动站，流动站在接收卫星信号的同时，通过内置电台接收基准站的观测数据，根据相对定位原理，将载波相位观测值实时进行差分处理，得到基准站和流动站坐标差△x，△y，△z；坐标差加上基准站坐标，得到流动站的W GS-84坐标，通过坐标转换参数转换得出流动站每个点的三维坐标。

1 GPS-RTK在露天矿山测量的应用

广西大新锰矿矿区长约9 km，宽2～2.5 km，为低山丘陵及中低山地貌，地形起伏较大，地势西高东低。自1958年建矿以来，已发展成为一个拥有4个露天采区，3个在用大型排土场的大新露天矿山，年露天采剥总量达800多万吨，矿区范围广，控制点少，使用常规测量方法和仪器劳动强度大，工作效率低，满足不了矿山日常生产建设需要，因此引进测量新设备改变现状显得及其必要。

RTK技术在广西大新锰矿主要用于矿区大比例尺地形图的测绘，露天采场采剥量的验收、排土场测量、征地边界、开采台阶终了边坡等工程放样等。所使用的仪器为美国光谱公司生产的EPOCH25型RTK1+1双频接收机，其精度指标为：实时RTK平面精度1 cm+1×10-6(×基线长度)[2]，高程精度为2 cm+1×10-6(×基线长度)，作业距离可达15 km。

1.1 内业准备

在实施 GPS外业测量前，应事先对测区进行踏勘，搜集矿区控制点资料，包括控制点坐标、高程、等级、中央子午线、坐标系、控制网类型、控制点的位置及周围地形是否适合作动态GPS的参考站。

1)根据工程项目，设定工程名称，输入可用控制点坐标；

2)参数设置：对数据采样点观测时间进行设定，基准站的地形点为5 s，控制点15 s，流动站的地形点2 s，控制点15 s；高度截止角设定为13(°)(广西大新锰矿测区相对固定，一般1次设定参数，即可默认到每1个新建工程文件直接调用)；

3)实施工程放样前，内业输入每个放样点的设计坐标，以便野外实时、准确放样。对于较多的放样点，EPOCH25 RTK手簿可将坐标文件以CSV格式通过数据传输软件直接导入。

1.2 基准站的安置

基准站安置是否顺利是进行 GPS-RTK测量的关键，在选定基准站站址时应注意：

1)避免在大功率无线电发射源干扰强烈的地区，如电视台、微波站等，其距离不小于200 m；远离高压输电线和微波无线电传送通道，其距离不小于50 m，以避免电磁场对 GPS信号干扰[3]；

2)为了防止数据链丢失以及减弱多路径效应的影响，周围应无 GPS信号反射物，如大面积水域、大型建筑物等；

3)基准站站址应设在易于安装设备、视野开阔的较高点上；

4)视场周围15(°)以上不应有障碍物，以减少GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；

5)基准站电台不宜放在离 GPS接收机过近的地方，否则电台信号会干扰 GPS卫星信号。同时电台信号线和电源线过长时不宜卷起来，这样会因为涡流而产生磁场，干扰 GPS信号。

1.3 GPS-RTK施测及放样

GPS-RTK测量是在WGS-84坐标系中进行的，而大新锰矿矿区测量是在北京54坐标系上进行的，存在坐标转换问题。尤其是征地边界、开采台阶边坡放线时要求实时给出当地坐标，这使得坐标转换工作非常重要。

首先在对空视野开阔、四周无各种强电磁干扰源的位置架设基站，输入基准点坐标和天线高，然后连接流动站，点击手簿中 RTK流动站模块，进入RTK点的采集功能，选择控制点类型，联测测区3个以上高等级控制点，通过手簿软件SPFS v1.20中 GPS点校正方法，求解坐标转换参数，并得出校正在东/北/高方向的标准偏差。当校正结果合格、对已知控制点进行检查无误后，流动站即可返回RTK流动站模块，进行地形地物点的采集，或点击手簿中的放样模块进行征地边界或开采台阶边坡的放样作业。1个人对1个流动站进行操作，在连续保持固定解的情况下，在沿线碎部点上只需停留2 s时间就可以获得每点的三维坐标。在RTK放样模块，选择要放样的点，放样对话框中便实时的显示当前点和放样点的差异：东坐标/北坐标/高程/距离S(东坐标、北坐标差的矢量结果)和方位角，根据这些导航数据，测量员可快速找到点位并获得定位精度。

1.4 内业处理

实时动态 RTK数据处理相对简单，外业测量采集的实测坐标通过手簿的数据传输软件，直接下载到计算机内，转换成DAT格式，结合数据点采集时输入的点特征编码及属性信息，即可用南方CASS软件进行内业处理。

在EPOCH25接收机的实际应用中，通过观测已知控制点的坐标进行比对检核，误差在厘米级，满足矿山测量的精度要求。

2 RTK技术的优点

1)降低了作业条件要求

大新锰矿矿区一带地形一般都为山区，在地形复杂、地物障碍的通视困难地区进行大比例尺地形测量或者征地边界放线时，传统测量受到限制，需要增加大量控制点和多次搬站，而RTK技术不要求点间通视，受通视条件、能见度、气候、季节等因素的影响和限制较小，只要把基准站放在测区中心视野开阔的较高点上，流动站在满足其基本工作条件下，就可以在几千米的范围内采集，并轻松地进行快速、高精度的定位作业。

2)作业效率高

以往采区验收测量时，采用1台全站仪，3个人需要2 d时间，而采用RTK在中部采区地势较为开阔的点架设基站，1个人1 d时间就可以完成4个采区的采剥量验收测量，大大减少了传统测量所需控制点数和测量仪器搬站次数；同样，在台阶边坡和征地边界放线时，采用全站仪等常规仪器，往往需要对讲机指挥来回移动目标，而且要2～3人操作，在放样过程中还要求点间通视情况良好，有时在放样过程遇到困难的情况要借助于其他方法。采用RTK技术只需将设计好的点位坐标输入电子手薄中，根据手薄动态直观的导航数据走到放样位置，1个人就可以完成，既迅速又方便，还可以设置放样不通视或难以跨越2点间连线上的点。因此，无论是测点还是放线，RTK的作业速度都较快，劳动强度低，节省了时间和人力，提高了劳动效率。

3)操作简便且数据处理能力强

只要在设站时进行简单设置，就可边走边获得测量结果。数据输入、存储、处理、转换和输出能力强，能方便快捷地与计算机、其它测量仪器通信。

4)点位精度均匀稳定和整体精度连续性强

全站仪等仪器在多次搬站后，都存在误差累积，搬站越多，累积越大，影响测量点或放样点的精度，而采用GPS-RTK技术采集的每1个点都为独立观测点，不存在误差积累。

3 存在的问题及其解决办法

3.1 存在的问题

在应用EPOCH25接收机测量过程中存在一些问题。

1)卫星信号局限性

RTK初始化时，需要5颗以上卫星。随矿区露天开采进行，采场不断向下延伸，地势较周围越来越低，进行RTK测量时，卫星接收信号受到限制，无法初始化或得不出固定解。同样，地形起伏高差较大的山区和密林区，卫星接收信号也受到限制。这些信号隐蔽地区，需配合常规测量方法测量。

2)天空环境影响

中午受电离层干扰大，共用卫星数少，常接收不到5颗卫星，因而初始化时间长甚至不能初始化，就无法进行测量。在大新锰矿矿区，同样条件和同样地点，中午时分通常很难进行RTK测量，而上午11点前和下午3点30后，接收卫星可达到8颗以上，RTK测量结果快而准，因此选择作业时段很重要。

3)数据传送问题

能否连续地、可靠地接收基准站发射的信号，是RTK测量的关键，但是RTK的数据链传输易受到障碍物如高大山体、各种高频信号源的干扰，传输过程中衰减严重，因此，除了布设好的基准站位置(如选取较高点、远离干扰源)，还必须进行质量控制。

3.2 质量控制方法

1)已知点检核比较法

在布测控制网时用静态 GPS或全站仪多测出一些控制点，然后用RTK测出这些控制点坐标进行比较检核，发现问题即采取措施改正[4]。

2)重测比较法

每次初始化成功后，先重测1～2个已测RTK点或高精度控制点，确认无误后才进行RTK测量。

以上方法中，可靠的是已知点检核比较法，但控制点的数量总是有限的，所以没有控制点的地方需要用重测比较法来检验测量成果；在使用重测比较法时发现，RTK成功初始化后马上进行测量，高程误差较大，为3～4 dm，因此需要 RTK稳定 1～2 min后再进行测量。

4 结语

GPS-RTK测量技术给现代矿山测量带来重大的技术变革，极大方便了矿山测量工作者。其作业方式依赖于接收足够的卫星数、稳健的数据链等外界条件，有时会出现无法正常作业的情况，但具有测量人员少、速度快、观测点间不需通视、精度高等特点，在作业面积范围大、通视条件差的区域，仍然具有常规测量无可比拟的优势。随着科技的不断进步，RTK技术必将不断成熟，更好地服务于矿山测量。

[1]蒋辉，潘庆林，刘三枝.数字化测图技术及应用[M].北京：国防工业出版社，2006：45-48.

[2]Spectra Precision.Epoch 25双频 GPS系统用户指南[Z].[S.l.]：Spectra Precision，2006.

[3]徐绍栓，张华海，杨志强，等.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2003：112.

[4]余兵.RTK在工程测量中的应用初讨[J].科技创新导报，2010(20)：101.