基于目前GPS技術(shù)應(yīng)用于礦山山區(qū)控制測量思路分析

張彥軍

[摘要]本文根據(jù)近年來自己從事礦山山區(qū)控制測量的相關(guān)工作的經(jīng)驗，以某礦山山區(qū)控制測量為背景，探討了目前GPS技術(shù)應(yīng)用于礦山山區(qū)控制測量的方法，分析了GPS技術(shù)應(yīng)用于山區(qū)控制測量的整個技術(shù)流程，希望借此分析能對以后的工作有所幫助。

[關(guān)鍵詞] GPS 礦山 控制測量

[中圖分類號] P228.4 [文獻碼] B [文章編號] 1000-405X（2014）-7-223-2

1GPS技術(shù)的簡介

GPS的別名是全球定位系統(tǒng)，是美國從20世紀(jì)70年代開始研制，并于1994年建成的，具有對海、陸、空進行全方位實時三維導(dǎo)航與定位的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設(shè)備等三部分構(gòu)成的。GPS的測量技術(shù)能夠準(zhǔn)確，快速高效的提供所查詢目標(biāo)的精確三維坐標(biāo)以及一些其他的相關(guān)信息。這種技術(shù)現(xiàn)在被廣泛的應(yīng)用于軍事，船舶、飛機、汽車等的導(dǎo)航和定位，同時還被應(yīng)用到大地測量，野外考察探險以及日常生活等不同領(lǐng)域。GPS全站儀的發(fā)展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監(jiān)測中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優(yōu)越性。

GPS技術(shù)使用的要求：（1）有效觀測衛(wèi)星數(shù)不小于4顆；（2）觀測時段大于60分鐘；（3）衛(wèi)星高度截止角大于十五度；（4）衛(wèi)星幾何圖形因子GDOP值小于6；（5）精度因子PDOP值大于6：（6）數(shù)據(jù)采集間隔為15s；（7）數(shù)據(jù)采集方式為實時采集。

GPS系統(tǒng)包括三大部分：空間部分—GPS衛(wèi)星星座；地面控制部分—地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分—GPS信號接收機。

1.1GPS衛(wèi)星星座

由21顆工作衛(wèi)星和3顆在軌備用衛(wèi)星組成GPS衛(wèi)星星座記作（21+3）GPS衛(wèi)星星座。這24顆衛(wèi)星均勻的分布在6個軌道內(nèi)，平面內(nèi)軌道的傾角為五十五度，要保證每個軌道平面之間相距60度（軌道的升交點赤經(jīng)各相差60度）。每個軌道平面內(nèi)各顆衛(wèi)星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛(wèi)星比西邊相鄰軌道平面上的相應(yīng)衛(wèi)星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛(wèi)星當(dāng)?shù)厍驅(qū)阈莵碚f自轉(zhuǎn)一周時它們繞地球運行二周即繞地球一周的時間為12恒星時。在用GPS信號導(dǎo)航定位時為了結(jié)算測站的三維坐標(biāo)必須觀測4顆GPS衛(wèi)星稱為定位星座。

1.2GPS的地面監(jiān)控系統(tǒng)

對于地面監(jiān)控系統(tǒng)的導(dǎo)航定位來說，GPS衛(wèi)星是一個動態(tài)已知點。測量點的位置是依據(jù)衛(wèi)星發(fā)射的星歷，描述衛(wèi)星運動及其軌道的的參數(shù)算得的。每顆GPS衛(wèi)星所發(fā)射出來的星歷是由地面監(jiān)控系統(tǒng)提供的。衛(wèi)星上的各種設(shè)備能否正常工作以及衛(wèi)星能否一直沿著預(yù)定軌道運行，都是要由地面設(shè)備進行監(jiān)測和控制的。地面監(jiān)控系統(tǒng)另一重要作用是保持各顆衛(wèi)星處于同一時間標(biāo)準(zhǔn)—GPS標(biāo)準(zhǔn)時間系統(tǒng)。這就需要地面站監(jiān)測各顆衛(wèi)星的時間求出鐘差。然后由地面注入站發(fā)給衛(wèi)星衛(wèi)星再由導(dǎo)航電文發(fā)給用戶設(shè)備。GPS工作衛(wèi)星的地面監(jiān)控系統(tǒng)包括一個主控站、三個注入站和五個監(jiān)測站。

1.3GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實時地計算出觀測站的三維位置位置甚至三維速度和時間。

GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號是一種可供無數(shù)用戶共享的信息資源。對于陸地、海洋和空間的廣大用戶只要用戶擁有能夠接收、跟蹤、變換和測量GPS信號的接收設(shè)備即GPS信號接收機。可以在任何時候用GPS信號進行導(dǎo)航定位測量。根據(jù)使用目的的不同用戶要求的GPS信號接收機也各有差異。目前世界上已有幾十家工廠生產(chǎn)GPS接收機產(chǎn)品也有幾百種。這些產(chǎn)品可以按照原理、用途、功能等來分類。

靜態(tài)定位中的GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中保持固定不變接收機高精度地測量GPS信號的傳播時間，利用GPS衛(wèi)星在軌的已知位置解算出接收機天線所在位置的三維坐標(biāo)。而動態(tài)定位則是用GPS接收機測定一個運動物體的運行軌跡。GPS信號接收機所位于的運動物體叫做載體（如航行中的船艦空中的飛機行走的車輛等）。載體上的GPS接收機天線在跟蹤GPS衛(wèi)星的過程中相對地球而運動接收機用GPS信號實時地測得運動載體的狀態(tài)參數(shù)（瞬間三維位置和三維速度）。

1.4GPS定位原理

GPS的基本定位原理是：衛(wèi)星不間斷地發(fā)送自身的星歷參數(shù)和時間信息，用戶接收到這些信息后，經(jīng)過計算求出接收機的三維位置三維方向以及運動速度和時間信息。

1.5GPS定位的特點

GPS定位系統(tǒng)具有以下主要特點：測量精度高、全天候、效率高、多功能、操作簡單、應(yīng)用廣泛等特點。

測時間短隨著GPS系統(tǒng)的不斷完善軟件的不斷更新目前20千米之內(nèi)的，相對靜的態(tài)定位只需要十五到二十分鐘；快速靜態(tài)相對定位測量，需要每個流動站與基準(zhǔn)站相距在15千米以內(nèi)，這時的流動站觀測時間只需一到兩分鐘，然后可隨時定位每個觀測站也僅僅只需要幾秒鐘的時間。

觀測站之間不需要進行通視，GPS測量不要求觀測站之間進行互相通視，只需測站上空開闊即可因此GPS測量技術(shù)可節(jié)省大量的經(jīng)費。由于不需要進行通視，定點位位置可以根據(jù)需要可稀可密的進行選點工作甚，可以省去大量的繁瑣的測量工作。

2GPS在礦山山區(qū)測量中的應(yīng)用，有以下幾個優(yōu)點

（1）礦山山區(qū)設(shè)置的各個觀測站之間不需要進行通視觀測，這樣就能減少在礦山山區(qū)測量工作中的經(jīng)費的使用同時還能節(jié)約時間，而且可以根據(jù)測量的需要任意的選擇觀測點。

（2）定位精度高。在礦山山區(qū)中進行測量的時候，不像在平地上那么好測量，山區(qū)的地形都是凹凸不平的，不好選擇觀測的地點，像一般的測量工具在這種凹凸不平的地表測出的數(shù)據(jù)就不是很精確。而GPS這種測量技術(shù)不管在什么地點都可以對地標(biāo)進行精確的測量，測量出的數(shù)據(jù)都可以精確到點，像這樣的測量精確度是一般測量手段很難達(dá)到的。

（3）觀測時間短。在沒有發(fā)明GPS技術(shù)之前，利用一般的的靜態(tài)目標(biāo)定位的方法，再根據(jù)需要的精度的不同，一般得花費1至3個小時。在靜態(tài)目標(biāo)定位方法發(fā)明之后，為了進一步的縮短觀測時間，隨后發(fā)明了短基線定位方法（這種方法的使用范圍，在不超過20千米的間距中使用快速相對定位方法，這種觀測方法只需要短短幾分鐘就能完成測量）。礦山山區(qū)山高坡陡還有茂密的森林，地形平均森灌坡度達(dá)20度至30度，因為這種坡度的存在，像要進行通視是非常困難的，給控制測量帶來了很大的難度，為了適應(yīng)這種難度系數(shù)高測量，出現(xiàn)了GPS測量技術(shù)。GPS測量技術(shù)控制網(wǎng)的布局滿足了工程設(shè)計及施工的需要，GPS網(wǎng)點緊挨公路而設(shè)點，而且這種點位的設(shè)定要求分布均勻 ，每個測量點的設(shè)置至少要與一個測量點能夠進行通視.某礦山山區(qū)控制測量數(shù)據(jù)的處理就采用的是GPS，V 數(shù)5.2軟件，這款軟件可以自 動處理輸出的基線的基本指標(biāo)，這樣就可以知道基線的解算情況。有一天在操作的過程中，發(fā)現(xiàn)同步環(huán)4號點5號點6號點的閉合差超過限度，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)是定點的位置選擇不恰當(dāng)所導(dǎo)致，發(fā)現(xiàn)4號點選在5號點的山脊的北面 ，而6號卻又選擇在5號點山脊的南面，導(dǎo)致同步環(huán)上的各個觀測點觀測到的衛(wèi)星不同步，這就需要調(diào)整個別號點的位置，這點也是在礦山山區(qū)中使用GPS這種技術(shù)所要注意的。在礦山山區(qū)中使用GPS這種技術(shù)觀測時間要根據(jù)衛(wèi)星星歷預(yù)報來選擇，比如當(dāng)天衛(wèi)星星歷預(yù)報顯示在礦山當(dāng)?shù)厣衔?9： 30以前能接收到4顆以上健康衛(wèi)星發(fā)出的信號，并且當(dāng)時的圖像強度因子（PDOP）值都小于6（當(dāng)圖像強度因子（PDOP）值都小于6時，觀測的結(jié)果就不是很好），所以，一般不選擇這個時間進行觀測。為了保證在最佳時間內(nèi)觀測 ，每天的測量時間必須安排在5：30～ 9： 30這段時間進行測量來確保GPS網(wǎng)的測量精度，因為這個時間段內(nèi)觀測地點能接收到4顆以上健康衛(wèi)星發(fā)出的信號，并且當(dāng)時的圖像強度因子（PDOP）值都大于6。

3結(jié)論

本篇論文以某個礦山山區(qū)控制測量為背景，探討了目前基于GPS技術(shù)應(yīng)用于礦山山區(qū)控制測量方法，發(fā)現(xiàn)GPS控制測量技術(shù)在山區(qū)控制測量中具有方便、靈活、效率高的作用，GPS控制測量技術(shù)的應(yīng)用能減少山區(qū)的對樹木的砍伐，對保護山區(qū)的生態(tài)環(huán)境有很大的幫助。

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