利用卫星定位进行矿区控制测量的研究与实践

2013-07-10李明

顺德职业技术学院学报 2013年2期

李明

（河南省煤田地质局二队，河南洛阳 471023）

安阳鑫龙煤业（集团）红岭煤业有限公司位于安阳市西北38公里处，南距水冶镇15公里，北边为主焦煤矿，井田地理坐标为北纬36°14′16″-36°18′36″，东经114°05′38″-114°08′30″。矿区面积7.0 km2，区内有省道221线穿过测区，交通尚属便利。该公司于1975年建井，后经小煤矿整合和技术改造，设计年产煤炭达90万t。为保证矿井的正常生产，需要对整个矿区的井上下测量控制系统进行设计和实测。关于矿区控制测量的研究，冯文丰、柴华彬、李胜余[1]结合龙王庄矿将卫星定位技术应用于风井和副井口附近的近井网设计，通过外业观测、内业数据处理及精度评定等，获得了龙王庄矿近井控制网各控制点的坐标，从平差和精度评定的结果来看，近井控制网精度较高，满足工程要求；刘卫军、王宝山、张献伟[2]认为矿区控制网的建立是矿区一项重要的工作，通过建立禹州矿区首级(E级)GPS控制网、控制测量、平差计算，论述了GPS在矿山控制测量中的应用。这些研究成果，对近井网设计和控制网建设提供了应用案例，本文研究目的则是在红岭煤业地面选择控制点，应用卫星定位技术实测，用随机软件平差计算，求出地面控制点三维坐标并评定测量精度，其意义在于为煤矿生产提供有效的地面控制系统，为矿山生产、数字矿山、智慧矿山、矿山物联网、矿山六大系统的建设及矿山防灾减灾提供基础地理框架。为保证控制系统的先进性和技术特色，根据本井田面积和生产规模设计整个控制测量系统，需要实测E级卫星定位点12个，其中已知点3个，新点9个；井下7秒导线路线长4 000余m，需要实测7秒导线54个；井下15秒导线总长1.635 5 km，需要实测15秒导线30个，为提高井下控制测量的精度，另施测陀螺定向边3条。

1 卫星定位控制测量系统的建立

1.1 已有资料的分析及利用

矿区原有资料系采用1954年北京坐标系和1956年黄海高程系。1977年6月焦作矿业学院在矿区布设了四等三角网，其中红小房、小琢点、小五里涧三点位于矿区周围，经过实地踏勘，此三点均遭到破坏，无法利用。河南省煤田地质局物探测量队于2004年所施测的伦掌乡C级网3个点（GC03、GC04、GC05），点位保存良好，经分析(见1.3.2)认为可以为本次E级卫星定位网的起算依据。红岭矿区工业广场原有近井点3个，本次作为新点重新与新网进行了联测，统一进行平差计算，保证整个矿区控制网精度一致。

1.2 卫星定位网布设与施测

本次卫星定位测量采用整体布网。该网使用2个平面坐标起算数据，3个水准起算数据，布设E级卫星定位新点9个。为保证图形结构强度和平差计算精度，以边连接按同步图形扩展方式[3]。矿区生产区的4个卫星定位点位均选在建筑物上，东风井三点选于风井周边，南风井两点一个选在建筑物上，另一个选于西柏涧水库大堤上，两点间距离约400 m。

卫星定位网观测使用4台南方测绘仪器公司生产的接收机，其中3台为双频接收机灵锐S86，一台为单频接收机9600，观测精度要求[4]见表1。

表1 E 级卫星定位网的精度要求

1.3 卫星定位网观测数据的处理

1.3.1 基线解算

基线解算一般采用差分观测值，若在某一历元中，对k 颗卫星数进行了同步观测，则可以得到k-1个双差观测值；若在整个同步观测时段内同步观测卫星的总数为l 则整周未知数的数量为l-1[3]。

1）初始平差。

①待定参数：

②待定参数的协因数阵：

③单位权中误差：

通过初始平差，所解算出的整周未知数参数XN本应为整数，但由于观测值误差、随即模型和函数模型不完善等原因，使得其结果为实数。为了获得较好的基线解算结果，必须准确地确定出整周未知数的整数值[5]。

2）整周未知数的确定。

目前所采用的确定整周未知数的整数值的方法基本上是以搜索法为基础的[5]。具体步骤如下：

②从所确定出的每一个整周未知数的备选整数值中一次选取一个，组成整周未知数的备选组，并分别以它们作为已知值，代入原基线解算方程，确定出相应的基线解[5]：

③从所解算出的所有基线向量中选出产生单位权中误差最小那个基线向量结果，作为最终的解算结果[5]。

但是出现公式（6-7）时，整周未知数不可解，目前还没有好的方法得到整数解基线向量。

ζFf,f;1-α/2是置信水平达到1-α 的F分布的接受区间，其自由度为f 和f0。公式中：

tr(Q)称为RDOP值。

3）RATIO。

定义

显然，RATIO≥1.0。

RATIO 反映了所确定的整周未知数参数的可靠性。

4）RDOP。

所谓RDOP 值指的是在基线解算时待定参数的协因数阵的迹（tr（Q））的平方根[5]，即

RDOP 值与卫星的几何分布、运行轨迹和基线位置相关，实践中RDOP 值和观测时段有关。

RDOP 度量了GNSS卫星状态对定位的影响，观测值质量对RDOP 没有影响。

5）RMS。

RMS 的实质是均方根误差，定义为：

其中：V 为观测值残差；

P 为观测值的权值；

n 为观测值总数。

RMS 表明了观测值的质量，观测值质量越好，RMS 越小，反之，观测值质量越差，则RMS 越大，它不受观测条件（观测期间卫星分布图形）好坏的影响[5]。

根据统计规律观测值误差达到RMS 的1.96倍的区间内的概率是95%。

6）应用。

RATIO、RDOP 和RMS 这几个质量指标只具有某种相对意义，它们数值的高低不能绝对的说明基线质量的高低。若RMS 偏大，则说明观测值质量较差，若RDOP 值较大，则说明观测条件较差[5]。

本次观测中，观测值残差控制在±0.25周以内；卫星定位基线解算RMS 值控制在0.02 m以下；RATID 设置为95%；RDOP 值只要保证足够的观测时间段就能够满足基线解算要求，本次外业观测中我们每个时段观测量都大于45 min；基线解算过程中，万一观测值改正数超过设定值，就认定该观测值可能有粗差，根据软件自动将其删去，此次卫星定位基线解算同时段数据剔除基线数为2条，符合《规程》10%的要求。

卫星定位网基线解算，首先将所有基线向量按多基线解算模式进行基线解算，然后依据质量控制指标对所有基线向量进行优化（如删除时间段，改变卫星高度角、删除卫星等），剔除不合格的基线，最后在处理合格的基线中重新用多基线解算模式处理，本卫星定位网基线解算对所有同步观测的基线一并解算。

1.3.2 卫星定位网平差

1）卫星定位网的无约束平差。

基线解算合格后，开始对所选的基线进行无约束平差，具体方法见文献[4,6]。

2）卫星定位网的约束平差。

起算数据的检查采用比较检查点法。由于起算的控制点埋设时间较长，且处于矿区附近，某些点位不排除有变形存在，因此，在进行平差解算时，不将所有起算点坐标设为定值，保留一个以上的已知点作为检核条件，平差后根据该点的平差值和已知值的比较差值评定起算点质量。

本次检测以GC03为起算点分别计算出GC04和GC05点的坐标来比较判断，检测结果如表2、表3。通过比较检查解算，可以看出GC05相对于GC04点精度偏低，为尽量提高精度，此点不再作为起算数据。只采用GC03和GC04作为起算点。