浅谈GNSS技术在煤田地质勘探中的应用

张纯志

(四川省煤田地质局一三七队,达州 635711)



浅谈GNSS技术在煤田地质勘探中的应用

张纯志

(四川省煤田地质局一三七队,达州 635711)

本文以“四川省开江县明月峡矿区河井沟北矿段煤炭普查设计”项目为例,主要针对控制点布设与观测、数据解算,精度评价等方面进行分析。对GNSS RTK技术在煤田地质勘探中的应用提供参考。

GNSS控制网;平面控制网;平差原理;精度;RTK

0　引　言

由于四川省煤炭产业集团有限责任公司(以下简称“川煤集团”)多年持续高强度的开采,川煤集团辖区内煤矿资源已面临枯竭,急需寻找后备资源。川煤集团特委托四川省煤田地质局一三七队编制四川省开江县明月峡矿区河井沟北矿段煤炭普查设计。为满足煤田地质勘探的需要,完成了该矿区范围的E级GNSS点控制及GNSS RTK的图根测量。

1　坐标系建立

1.1设计方案

普查区中心位于四川省开江县城东南方向,地理坐标:北纬30°56′55″～31°1′35″,东经107°44′44″～107°51′55″.本次布设控制网需要在原有矿区内1:10000万地形图上进行,而原有矿区地形图坐标系为1980西安坐标系和1985国家高程基准。同时经过实地踏勘,矿区附近有三等点DXD02、四等点DXD28、DXD03以及原煤矿井口近景点DXE174、DXE155,经检查,上述各点保存良好,精度优良,为本次GNSS E级控制网的基础控制点。

1.2GNSS E级网布设

在普查区内按照GNSS E级要求布设了39个E级点,采取边连式布网,以高等级控制点DXD02、DXD28、DXD03 为起算点,按E级网要求进行布设,如图1所示。

1.3外业观测

本项目采取边连式同步观测模式[4],使用了6台双频Topcon Hiper+接受机(3+0.5ppm)对39个E级点进行观测,观测记录前应进行预热和静置,待接收机指示灯正常后开始记录。

观测员认真做好观测记录,满足观测卫星截止高度角为15°,同时观测有效卫星颗数≥4,观测时段数≥1.6,时段长度≥40 min,采样间隔15 s.

1.4平差处理

1.4.1数据预处理

数据预处理采用HGO数据软件进行卫星广播星历解算基线,并提取基线向量,为下一步的GNSS平差作准备,基线提取满足5点要求:1) 必须选取相互独立的基线[2]。2) 所选的基线应构成闭合的几何图形。3)选取质量好的基线向量,可以通过基线的均方根误差、RDOP、双差固定解、同步闭和环差、异步环闭和差及重复基线较差判定[3]。

4) 选取能构成边数较少的异步环的基线向量。

5) 选取边长较短的基线向量。

1.4.2基线向量的解算

通过数据预处理后,对观测的基线向量进行解算,解算主要基线是否达到要求,如基线的时长是否超过了15 min,解算模型是不是固定解,基线的双差解Ratio是否大于3,基线的均方根误差RMS≤0.01 m等参数。并且基线解算后还要对解算的结果进行观测值残差和基线长度精度的分析,以及对基线环闭合差的计算及检核。在实际工作中通过建立双差观测值模型解算基线向量[1]

(1)

1.4.3E级网平差

1) 无约束平差

经过严密的基线处理后,对三维基线向量及其协方差阵进行无约束平差,并将高级GNSS点的坐标作为网平差时的位置基准,建立误差方程[5]。

(2)

通过无约束平差,不会引入使GNSS网的尺度和方位发生变化的起算数据,能够评定GNSS网的内符合精度和探测处理粗差。

2) 约束平差

在GNSS网约束平差时引入了会使GNSS网的尺度和方位发生变化的外部起算数据,实际过程中就是以国家(或地方)坐标系的两个已知点或是一个已知点和一个已知基线的方向为起算数据,平差时将GNSS基线向量观测值及其方差阵转换到国家(或地方)坐标系的二维(或球面)上,然后在国家(或地方)坐标系中进行二维约束平差。

2　静态GNSS数据的实例分析

2.1数据预处理

表1　重复基线最大值统计

表2　同步环和异步环相对误差最大值

2.2GNSS网平差

2.2.1无约束平差

在整个GNSS网基线解算合格后,选取网内任意一点作为起算点,不再引入其他点而进行无约束平差,平差后最弱点 点位中误差为37.8mm(A17),最弱点高程中误差为3.1mm(A17)。并且无约束平差中,基线分量的改正数绝对值(VΔX、VΔY、VΔZ)满足VΔX≤3σ、VΔY≤3σ、VΔZ≤3σ(σ为基线测量中误差,单位为(mm)),说明基线向量合符要求。

2.2.2约束平差

2.3精度分析

2.3.1常规精度分析

经过数据预处理、基线解算、平差等步骤,开江县明月峡矿区河井沟煤炭普查GNSS E级网精度统计如表3、表4所示。

表3　GNSS点解算精度统计

根据表3可知,在整个测区控制范围内,空间坐标系控制点精度为:X方向精度优于7 mm,Y方向精度优于6 mm,Z方向优于10 mm.并且X-Y、X-Z、Y-Z相关系数精度均小于10 mm.

表4　GNSS基线向量精度统计表

根据表4可知,通过对合格基线向量的构建,相邻起算点向量精度:X方向的精度优于5 mm,Y方向的精度优于5 mm,Z方向的精度优于15 mm.开江县明月峡矿区河井沟煤炭普查GNSS E级网从设计→实施→平差及精度评定,满足了E级点的要求,为煤炭勘查及以后的建设提供了可靠的数据。

2.3.2同步观测图形对精度的分析

为提高GNSS首级控制的精度,采用同步的单三角和同步的多边形进行观测,保障联测两个高等级控制点[6],并通过计算平差得到如表5所示的结果。

表5　平差结果

通过表5的数据可以推出同步多边形平差出来的结果均优于同步单三角,原因之一,从GNSS构网角度看,多边形构网强度强于单三角形;其二,在多变形观测满足多基线解算模式下的基线向量估值及验后方差-协方差阵解算。

3　静态GNSS RTK实例分析

GNSS RTK实时动态定位技术是一项以载波相位观测值为基础的实时GPS测量技术。它的主要设备为:一台基准站接收机、一台或多台流动站接收机以及用于数据传输的电台。基准站不间断地对可见卫星进行观测,根据基准站已知精密坐标,计算出基准站到卫星的距离改正数,并由基准站实时将这一改正数通过电台发送出去。流动站在观测GPS卫星观测的同时,也接受基准站的改正数,并在系统内组成差分观测值进行实时处理,并对其定位结果进行改正,并提高精度,求取待定点的三维坐标(X,Y,Z).

本次河井沟勘探用的图根点就是采用的GNSS RTK实测,通过任意架设基准站,求取矿区内分布均匀的基准点(DXD02、DXD28、DXD03)七参数法,即X,Y,Z的平移参数,X,Y,Z的旋转参数,K尺度,如表6所示。

表6　七参数转换表

根据参数转换表6,七参数值比较合理,并通过检查其已知点的平面精度小于0.05 m,高程精度小于0.10 m,完全满足本次勘探的测量精度,通过GNSS RTK实测,大大提高了实测精度和效率。

4　结束语

四川省开江县明月峡矿区河井沟北矿段煤炭普查设计GNSS E级网采用了GNSS静态单点定位方式,观测采用了同步图形扩展的布网形式,通过科学合理的计算各项指标,如重复基线、同步环、异步环等均达到规范要求,特别是在GNSS点布网和合理基线的构建上,大大地提高整个控制网精度。另外,在施测图根点采用了GNSS RTK,充分利用定位精度高、速度快、全天候特点,大大缩短了整个项目的工期,为煤田地质勘探提供了测绘保障。

[1] 胡丛玮,楼立志. GPS/GNSS卫星定位原理与应用双语课程建设初探[J]. 测绘通报,2009(9):74-77.

[2] 张宝成. GNSS非差非组合精密单点定位的理论方法与应用研究[J]. 测绘学报,2014(10):1099.

[3] 徐绍铨， 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.

[4] 李征航， 黄劲松. GPS测量与数据处理[D].武汉:武汉大学,2005.

[5] 邹璇.张勇,王振辉,等,GPS数据高精度基线解算方法分析[J].地理空间信息,2006,4(5):53-55.

[6] 李玉宝.测量学[M].成都:西南交通大学出版社,2006.

Introduction to GNSS Technology Application in Coalfield Geology Exploration

ZHANG Chunzhi

(TeamofSichuanCoalfieldGeologyBureau,Dazhou635711,China)

Based on the′open jiang county of sichuan province bright moon gorge river well ditch north ore block coal mining area survey design′ project as an example, the analysis of GNSS and GNSS in coalfield geology exploration, the application of RTK technology mainly aimed at the control point layout and observation, data decoding, precision evaluation, etc.

GNSS control network; plane control network; adjustment principle; precision; RTK

2015-03-25

P228.4

A

1008-9268(2016)03-0097-04

张纯志(1977-),男,四川省邻水人,工程师、注册测绘师、主要从事工程测量、地籍测量、地理信息系统等工作。

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.03.020

联系人： 张纯志 E-mail: 269158646@qq.com