GPS—RTK技术在矿山测量中的应用

翟志鹏

【摘 要】阐述了GPS-RTK系统构成及基本工作原理，根据笔者工作经验介绍了GPS-RTK技术在矿山测量中的实际应用及作业流程，分析了GPS—RTK技术的优点和缺点，最后对整篇文章进行了总结，并提出了相关建议。

【关键词】GPS-RTK技术 矿山测量 定位精度 作业效率

【中图分类号】 TN948.61【文献标识码】 A【文章编号】1672-5158（2013）07-0018-02

前言

GPS全球定位系统经过近20年的实践应用，以全天候、高精度、自动化、效率高等显著的优点，赢得了广大用户的信赖，并成功应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科。

近年来，GPS（Global Positioning System）在矿山测量中得到了迅速的推广应用，例如矿区控制网的建立、基建工程的放样、地籍测量、地面原矿及精矿收方等。常规的GPS测量方法，如静态、快速静态、动态测量都需要测后利用随机软件进行解算才能获得成果，而RTK（Realtime Kinematic）实时动态差分法采用了载波相位动态实时差分方法，能够在野外实时得到厘米级定位精度，是GPS应用的重大里程碑，该项技术具有作业效率高、定位精度高、作业条件要求低、操作简便等优点，具有很强的应用性。

1 GPS—RTK系统基本原理及构成

1.1 GPS—RTK系统基本原理

GPS全球定位系统是以24颗卫星（21颗工作卫星+3颗备用卫星）为基础的无线电导航定位系统。GPS系统有三大部分组成，即空间部分、地面监控部分、用户设备部分（接收机）。GPS的定位原理：卫星连续发送卫星星历参数和时间信息，用户设备（接收机）接收到信息后，经过计算求出接收机的三维位置（X，Y，Z）、三维方向以及运动速度等数据。

GPS—RTK系统由GPS接收设备、数据传输系统和软件系统构成，是以载波相位观测量为根据的实时差分测量技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。

基本工作原理是在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续地观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，实时地发送给用户观测站。基准站通过数据链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站。流动站（用户站）不仅通过数据链接收来自基准站的数据，还要采集GPS观测数据，并在系统内组成差分观测值进行实时处理，同时给出厘米级定位结果，历时不足一秒钟。流动站用户站可处于静止状态，也可处于运动状态；可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业，也可在动态条件下直接开机，并在动态环境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知数解固定后，即可进行每个历元的实时处理，只要能保持四颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的几何图形，则流动站可随时给出厘米级定位结果。根据基准站和流动站的工作原理，测量人员携带流动站在测区可以既快又准确地进行定位测量、放样、地形测量等测量工作。

RTK技术的关键在于数据处理技术和数据传输技术，RTK定位时要求基准站接收机实时地把观测数据及已知数据传输给流动站接收机，数据量比较大，一般要求9600以上的波特率，这在无线电条件下容易实现。

1.2 GPS—RTK系统的构成

RTK测量系统主要由GPS接收设备、数据传输系统和软件系统构成。

（1）GPS接收设备

在基准站和用户站上，分别设置双频GPS接收机。由于双频观测值不仅精度高，而且有利于快速准确地解算整周未知数。当基准站为多用户服务时，其接收机的采样率应与用户接收机采用率最高的相一致。

（2）数据传输设备

数据传输设备也称数据链，由基准站的无线电发射台与用户站的接收机组成，其频率和功率的选择主要取决于用户站与基准站的距离、环境质量、数据的传输速度。

（3）软件系统

支持实时动态测量的软件系统的质量和功能，对于保障实时动态测量的可行性、测量结果的可靠性和精确性，具有决定性作用。这种软件系统突出的功能是能够快速解算整周未知数，能选择快速静态、准动态、和实时动态等作业模式，实时完成对解算结果的质量分析和评价。

2 GPS—RTK技术在矿山测量中的作业流程

2.1 内业准备

在实施GPS-RTK测量作业前，应事先对测区进行踏勘，根据矿山测量的特点完成内业的准备工作，主要包括以下几个方面的内容：

（1）设定工程名称；

（2）参数设置：基准站的数据采样率一般为4～5S，流动站的数据采样率一般为1～2S，高度截止角通常设定为10度。

（3）若已知坐标转换参数，则输入手簿。

（4）实施工程或征地界址点放样前，内业输入每个放样点的设计坐标，以便野外实时、准确放样。对于观测条件不好的地段，可配合全站仪使用。

2.2 求定测区转换参数

矿山测量是在北京坐标系或独立坐标系上进行的，存在着WGS-84坐标与北京坐标系或独立坐标系的坐标转换问题。由于RTK作业要求实时给出碎步点坐标，这使得坐标转换工作非常重要。主要有以下两种方式：

（1）对于较大型的测区事先测定转换参数，在RTK作业时，直接输入参数和基准站坐标。

（2）在RTK作业时临时求得转换参数。首先在对空视野开阔的地方设立基准站并采集单点定位WGS—84坐标，然后流动站联测3个以上的高等级的控制点，求解坐标转换参数。

2.3 基准站的安置

为保证观测的精度和提高工作效率，基准站的安置应满足下列条件。

（1）基准站可设立在高等级已知点上，也可设立在条件较好的未知点上。

（2）基准站安置应选择在地势较高、通视无遮挡、电台有良好覆盖区域的地方，首选是测区的中间地带。

（3）为防止多路径效应和数据链的丢失，基准站200米范围内应无高压电线、电视差转台、无线电发射台等干扰源，周围应无GPS信号反射源。

（4）基准站电台的天线应架设在GPS接收机主机的北方。

2.4 点位施测及放样

在测区首级控制的基础上，利用点校正方法，求解坐标系统转换参数；选择对天通视较好，四周无各种强电磁干扰源的地方设置基准站。设置好流动站后，当测区可见GPS卫星数在5颗以上、PDOP值小于6时，一般只需5～15秒就可完成初始化而得到固定解。每台移动站只需一人即可进行测量作业，每次开始作业应对已知控制点进行检查，确保系统无误后，应用GPS电子手簿即可进行地形地物点、勘探工程点、征地界址点、工程施工的放样作业，每点采集记录时间约1～10秒。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系统，直接下载到计算机内。可进行图形编辑，也可经整理、分类、判断形成文件后直接打印出来。利用GPS-RTK放样，无需对讲机传递测量数据和方向，GPS电子手簿导航画面可以让测绘人员快速上点、上线，极大提高了工作效率，减轻了测量人员的工作强度。

3 GPS—RTK应用及定位精度分析

3.1 可用于矿山控制测量。

常规控制测量要求点间通视，费时费工，而且精度不均匀，外业不知道测量成果的精度。使用RTK技术进行控制测量既能实时知道定位结果，又能实时知道定位精度。这样可以大大提高工作效率。笔者曾就职的金山店铁矿的地形图测绘由武汉勘察研究院有限公司测绘公司承担。四等GPS控制测量和一级GPS测量，采用了美国Trimble5500接收机和Leica GPS GX1230接收机进行了测量，仪器标称精度为5mm+1ppm。通过几年的实践证明，点位精度完全满足矿山测量的要求。

3.2 可应用于地籍圈定范围测量和界址点放样。

在地籍和圈定范围测量中，应用RTK技术测定每一宗土地的权属界址点以及测绘地籍与圈定范围图，能实时测定有关界址点及一些地物点的位置并能达到要求的厘米级精度。将GPS获得的数据处理后直接录入电脑，可及时准确地获得地籍和圈定范围图。但在影响GPS卫星信号接受的遮蔽地带，应采用全站仪等测绘仪器，进行碎步测量或放样。2008年笔者参与了金山店铁矿铁灵线的界址点放样工作，铁灵线周边的地形地貌非常复杂，初始采用全站仪放样，每天只能完成数十个界址点，而采用了RTK测量系统后，每天可完成上百个界址点的放样工作。从而看出使用RTK放样速度快，降低了人力物力成本，大大提高了工作效率，并且精度也满足了要求。

3.3 可用于地面原矿收方作业。

矿山采用的原矿及精矿收方大多是全站仪观测，需要观测员、记录员各一名，跑尺人员两名，共4人。而在同样条件下采用RTK技术，在基准站架设完成后，只需一人即可完成作业，且大大缩短了观测时间，从而保证了工作效率的提高。

3.4 可用于矿区露天回填区及尾矿坝变形测量等。

3.5 可用于放样土地权属界线、矿区工程测量、纵横断面图的测量、钻孔放样等。

3.6 定位精度分析。

参考两种RTK测量系统提供的参数，如表1：

由表1可以看出，满足矿山测量要求。

4 GPS—RTK技术的优缺点

4.1 GPS—RTK技术优点：

（1）测站之间无需通视，观测距离远，这一特点使得选点更加灵活方便。

（2）测量精度高，误差之间互相独立、不积累、不传递。只要能满足RTK测量的基本要求，在规定的作业半径范围内，RTK的测量精度都能达到厘米级。

（3）集成化、自动化程度高、数据处理能力强。

（4）操作简便，对作业条件要求不高，数据传输、处理、存储能力强，与计算机、全站仪等测量仪器通信方便。

（5）作业人员少，定位速度快，综合效益高。接收机仅需一个人操作，在待测点等待l～2秒即可获得该点的坐标；内业便于计算机处理。GPSRTK测量作业效率是传统测量的2到4倍，传统测量人力设备的投入是GPS-RTK测绘手段的3倍左右。

（6）全天候作业。GPS观测可在任何地点，任何时间连续地进行，一般不受天气状况的影响。

4.2 GPS—RTK技术缺点：

（1）在山谷深处、原始森林等区域，RTK技术使用将受到限制。笔者这几年在武钢集团公司主导投资的利比里亚邦矿项目中使用RTK测量就遇到此类问题，因树木高大茂盛，高度截止角达不到要求，只能采用全站仪测量。

（2）受卫星状况限制。GPS系统的总体设计方案是在 1973年完成的，受当时的技术限制，总体设计方案自身存在很多不足。随着时间的推移和用户要求的日益提高，GPS卫星的空间组成和卫星信号强度都不能满足当前的需要。例如在中、低纬度地区每天总有两次盲区，每次20～30 min，盲区时卫星几何图形结构强度低，RTK测量很难得到固定解。同时由于信号强度较弱，在对空遮挡比较严重的地方 GPS无法正常应用。

（3）受电离层影响。白天中午，受电离层干扰大，共用卫星数少，因而初始化时间长甚至不能初始化，也就无法进行测量。经验表明，每天中午l2～l3点RTK测量很难得到固定解。

（4）受数据链电台传输距离影响。数据链电台信号在传输过程中易受外界环境影响，如高大山体、建筑物和各种高频信号源的干扰在传输过程中衰减严重，严重影响外业精度和作业半径。另外，当 RTK作业半径超过一定距离时，测量结果误差超限。

（5）受高程异常问题影响。RTK作业模式要求高程的转换必须精确，但我国现有的高程异常分布图在有些地区，尤其是山区存在较大误差，在有些地区还是空白，这就使得将GPS大地高程转换至海拔高程的工作变得比较困难，精度也不均匀，影响 RTK的高程测量精度。

（6）不能达到 100%的可靠度。RTK确定整周模糊度的可靠性为95%～99%，在稳定性方面不及全站仪，这是由于 RTK较容易受卫星状况、天气状况、数据链传输状况影响的缘故。

5 提高RTK作业效率的方法

如上所述，虽然RTK技术应用有一定缺陷，但经大量的工程实践证明，其优点远远大于缺点，况且有些优点是常规测量方法所不能比拟的，因此RTK测量技术才风靡全国，在测量界引发了一场技术革命。针对RTK技术的缺点，通过几年的工程项目实践，我们摸索出下面几条优化施测方法，以弥补RTK技术的不足，提高作业效率。

（1）摸清仪器特性

通过在各种条件下反复试验，摸清仪器各种特性，如能否达到标称精度，在各种条件下的测量误差和作业半径，摸清仪器的稳定性和各种条件下的初始化能力及所耗时间等等，以便应用时得心应手。

（2）注重基准位置的选择

基准站尽量设置在点位较高的控制点上，以利于接收卫星信号和数据链信号，控制点问距离应小于RTK有效作业半径的2/3倍。为方便对RTK测量成果进行控制检核和避免出现作业盲点，应在测区内环境不良地区增设一些控制点，选点还应避免无线电干扰和多路径效应。

（3）合理选择作业时问

通过下载星历文件了解测区的卫星分布情况，编制可行的作业计划，尽量避开卫星信号盲区和中午电离层干扰大的时段，提高作业效率。

（4）选择合理的作业流程

在植被茂密等对空通视受限的测区，通过采用常规方法和GPS技术相结合的生产流程可以极大地提高生产效率。如辅助相应的软件，RTK可与全站仪联合作业，充分发挥RTK与全站仪各自的优势。

6 总结和建议

在科学技术飞速发展的今天，GPS—RTK技术给矿山测绘工作者带来了革命性的变化，它改变了传统的测量模式，它能够实时达到厘米级定位精度和在不通视的情况下远距离测量坐标，它具有需要的测量人员少、速度快、不需要同时观测、精度高等特点，能够极大地提高工作效率。但是它的作业方式是依赖于有足够的卫星数、稳健的数据链等外界条件，在矿山测量中显得很突出，有时会出现无法正常作业的情况，这就需要不断完善GPS—RTK技术，并且与其它测绘设备、手段相结合，寻求更加先进的作业方式，高效能地完成矿山测量的各项工作任务。

参考文献

[1] 徐绍铨等，GPS测量原理及应用，武汉测绘科技大学出版社，1998年10月第一版

[2] 于兴旺、王普红等，不同GPS接收机RTK定位精度比较分析，测绘信息与工程，2007年8月

[3] 夏广岭、王美英，GPS—RTK放样内外一体化的实现，煤炭工程，2007年第8期

[4] 张华海、李景芝，GPS定位技术在矿区地面形变测量中的应用，测绘通报，2000年第4期