基于目前GPS技术应用于矿山山区控制测量思路分析

张彦军

[摘要]本文根据近年来自己从事矿山山区控制测量的相关工作的经验，以某矿山山区控制测量为背景，探讨了目前GPS技术应用于矿山山区控制测量的方法，分析了GPS技术应用于山区控制测量的整个技术流程，希望借此分析能对以后的工作有所帮助。

[关键词] GPS 矿山 控制测量

[中图分类号] P228.4 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2014）-7-223-2

1GPS技术的简介

GPS的别名是全球定位系统，是美国从20世纪70年代开始研制，并于1994年建成的，具有对海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位的新一代卫星导航与定位系统。GPS是由空间星座、地面控制和用户设备等三部分构成的。GPS的测量技术能够准确，快速高效的提供所查询目标的精确三维坐标以及一些其他的相关信息。这种技术现在被广泛的应用于军事，船舶、飞机、汽车等的导航和定位，同时还被应用到大地测量，野外考察探险以及日常生活等不同领域。GPS全站仪的发展在地形和土地测量以及各种工程、变形、地表沉陷监测中已经得到广泛应用，在精度、效率、成本等方面显示出巨大的优越性。

GPS技术使用的要求：（1）有效观测卫星数不小于4颗；（2）观测时段大于60分钟；（3）卫星高度截止角大于十五度；（4）卫星几何图形因子GDOP值小于6；（5）精度因子PDOP值大于6：（6）数据采集间隔为15s；（7）数据采集方式为实时采集。

GPS系统包括三大部分：空间部分—GPS卫星星座；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS信号接收机。

1.1GPS卫星星座

由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座记作（21+3）GPS卫星星座。这24颗卫星均匀的分布在6个轨道内，平面内轨道的倾角为五十五度，要保证每个轨道平面之间相距60度（轨道的升交点赤经各相差60度）。每个轨道平面内各颗卫星之间的升交角距相差90度一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应卫星超前30度。在两万公里高空的GPS卫星当地球对恒星来说自转一周时它们绕地球运行二周即绕地球一周的时间为12恒星时。在用GPS信号导航定位时为了结算测站的三维坐标必须观测4颗GPS卫星称为定位星座。

1.2GPS的地面监控系统

对于地面监控系统的导航定位来说，GPS卫星是一个动态已知点。测量点的位置是依据卫星发射的星历，描述卫星运动及其轨道的的参数算得的。每颗GPS卫星所发射出来的星历是由地面监控系统提供的。卫星上的各种设备能否正常工作以及卫星能否一直沿着预定轨道运行，都是要由地面设备进行监测和控制的。地面监控系统另一重要作用是保持各颗卫星处于同一时间标准—GPS标准时间系统。这就需要地面站监测各颗卫星的时间求出钟差。然后由地面注入站发给卫星卫星再由导航电文发给用户设备。GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。

1.3GPS信号接收机

GPS信号接收机的任务是：能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收机天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出观测站的三维位置位置甚至三维速度和时间。

GPS卫星发送的导航定位信号是一种可供无数用户共享的信息资源。对于陆地、海洋和空间的广大用户只要用户拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即GPS信号接收机。可以在任何时候用GPS信号进行导航定位测量。根据使用目的的不同用户要求的GPS信号接收机也各有差异。目前世界上已有几十家工厂生产GPS接收机产品也有几百种。这些产品可以按照原理、用途、功能等来分类。

静态定位中的GPS接收机在捕获和跟踪GPS卫星的过程中保持固定不变接收机高精度地测量GPS信号的传播时间，利用GPS卫星在轨的已知位置解算出接收机天线所在位置的三维坐标。而动态定位则是用GPS接收机测定一个运动物体的运行轨迹。GPS信号接收机所位于的运动物体叫做载体（如航行中的船舰空中的飞机行走的车辆等）。载体上的GPS接收机天线在跟踪GPS卫星的过程中相对地球而运动接收机用GPS信号实时地测得运动载体的状态参数（瞬间三维位置和三维速度）。

1.4GPS定位原理

GPS的基本定位原理是：卫星不间断地发送自身的星历参数和时间信息，用户接收到这些信息后，经过计算求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息。

1.5GPS定位的特点

GPS定位系统具有以下主要特点：测量精度高、全天候、效率高、多功能、操作简单、应用广泛等特点。

测时间短随着GPS系统的不断完善软件的不断更新目前20千米之内的，相对静的态定位只需要十五到二十分钟；快速静态相对定位测量，需要每个流动站与基准站相距在15千米以内，这时的流动站观测时间只需一到两分钟，然后可随时定位每个观测站也仅仅只需要几秒钟的时间。

观测站之间不需要进行通视，GPS测量不要求观测站之间进行互相通视，只需测站上空开阔即可因此GPS测量技术可节省大量的经费。由于不需要进行通视，定点位位置可以根据需要可稀可密的进行选点工作甚，可以省去大量的繁琐的测量工作。

2GPS在矿山山区测量中的应用，有以下几个优点

（1）矿山山区设置的各个观测站之间不需要进行通视观测，这样就能减少在矿山山区测量工作中的经费的使用同时还能节约时间，而且可以根据测量的需要任意的选择观测点。

（2）定位精度高。在矿山山区中进行测量的时候，不像在平地上那么好测量，山区的地形都是凹凸不平的，不好选择观测的地点，像一般的测量工具在这种凹凸不平的地表测出的数据就不是很精确。而GPS这种测量技术不管在什么地点都可以对地标进行精确的测量，测量出的数据都可以精确到点，像这样的测量精确度是一般测量手段很难达到的。

（3）观测时间短。在没有发明GPS技术之前，利用一般的的静态目标定位的方法，再根据需要的精度的不同，一般得花费1至3个小时。在静态目标定位方法发明之后，为了进一步的缩短观测时间，随后发明了短基线定位方法（这种方法的使用范围，在不超过20千米的间距中使用快速相对定位方法，这种观测方法只需要短短几分钟就能完成测量）。矿山山区山高坡陡还有茂密的森林，地形平均森灌坡度达20度至30度，因为这种坡度的存在，像要进行通视是非常困难的，给控制测量带来了很大的难度，为了适应这种难度系数高测量，出现了GPS测量技术。GPS测量技术控制网的布局满足了工程设计及施工的需要，GPS网点紧挨公路而设点，而且这种点位的设定要求分布均匀 ，每个测量点的设置至少要与一个测量点能够进行通视.某矿山山区控制测量数据的处理就采用的是GPS，V 数5.2软件，这款软件可以自 动处理输出的基线的基本指标，这样就可以知道基线的解算情况。有一天在操作的过程中，发现同步环4号点5号点6号点的闭合差超过限度，经过研究发现是定点的位置选择不恰当所导致，发现4号点选在5号点的山脊的北面 ，而6号却又选择在5号点山脊的南面，导致同步环上的各个观测点观测到的卫星不同步，这就需要调整个别号点的位置，这点也是在矿山山区中使用GPS这种技术所要注意的。在矿山山区中使用GPS这种技术观测时间要根据卫星星历预报来选择，比如当天卫星星历预报显示在矿山当地上午09： 30以前能接收到4颗以上健康卫星发出的信号，并且当时的图像强度因子（PDOP）值都小于6（当图像强度因子（PDOP）值都小于6时，观测的结果就不是很好），所以，一般不选择这个时间进行观测。为了保证在最佳时间内观测 ，每天的测量时间必须安排在5：30～ 9： 30这段时间进行测量来确保GPS网的测量精度，因为这个时间段内观测地点能接收到4颗以上健康卫星发出的信号，并且当时的图像强度因子（PDOP）值都大于6。

3结论

本篇论文以某个矿山山区控制测量为背景，探讨了目前基于GPS技术应用于矿山山区控制测量方法，发现GPS控制测量技术在山区控制测量中具有方便、灵活、效率高的作用，GPS控制测量技术的应用能减少山区的对树木的砍伐，对保护山区的生态环境有很大的帮助。

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