GPS—RTK技術在礦山測量中的應用

翟志鵬

【摘 要】闡述了GPS-RTK系統構成及基本工作原理，根據筆者工作經驗介紹了GPS-RTK技術在礦山測量中的實際應用及作業流程，分析了GPS—RTK技術的優點和缺點，最后對整篇文章進行了總結，并提出了相關建議。

【關鍵詞】GPS-RTK技術 礦山測量 定位精度 作業效率

【中圖分類號】 TN948.61【文獻標識碼】 A【文章編號】1672-5158（2013）07-0018-02

前言

GPS全球定位系統經過近20年的實踐應用，以全天候、高精度、自動化、效率高等顯著的優點，贏得了廣大用戶的信賴，并成功應用于大地測量、工程測量、航空攝影測量、地殼運動監測、工程變形監測、資源勘察、地球動力學等多種學科。

近年來，GPS（Global Positioning System）在礦山測量中得到了迅速的推廣應用，例如礦區控制網的建立、基建工程的放樣、地籍測量、地面原礦及精礦收方等。常規的GPS測量方法，如靜態、快速靜態、動態測量都需要測后利用隨機軟件進行解算才能獲得成果，而RTK（Realtime Kinematic）實時動態差分法采用了載波相位動態實時差分方法，能夠在野外實時得到厘米級定位精度，是GPS應用的重大里程碑，該項技術具有作業效率高、定位精度高、作業條件要求低、操作簡便等優點，具有很強的應用性。

1 GPS—RTK系統基本原理及構成

1.1 GPS—RTK系統基本原理

GPS全球定位系統是以24顆衛星（21顆工作衛星+3顆備用衛星）為基礎的無線電導航定位系統。GPS系統有三大部分組成，即空間部分、地面監控部分、用戶設備部分（接收機）。GPS的定位原理：衛星連續發送衛星星歷參數和時間信息，用戶設備（接收機）接收到信息后，經過計算求出接收機的三維位置（X，Y，Z）、三維方向以及運動速度等數據。

GPS—RTK系統由GPS接收設備、數據傳輸系統和軟件系統構成，是以載波相位觀測量為根據的實時差分測量技術，它能夠實時地提供測站點在指定坐標系中的三維定位結果，并達到厘米級精度。

基本工作原理是在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續地觀測，并將其觀測數據通過無線電傳輸設備，實時地發送給用戶觀測站?；鶞收就ㄟ^數據鏈將其觀測值和測站坐標信息一起傳送給流動站。流動站（用戶站）不僅通過數據鏈接收來自基準站的數據，還要采集GPS觀測數據，并在系統內組成差分觀測值進行實時處理，同時給出厘米級定位結果，歷時不足一秒鐘。流動站用戶站可處于靜止狀態，也可處于運動狀態；可在固定點上先進行初始化后再進入動態作業，也可在動態條件下直接開機，并在動態環境下完成整周模糊度的搜索求解。在整周未知數解固定后，即可進行每個歷元的實時處理，只要能保持四顆以上衛星相位觀測值的跟蹤和必要的幾何圖形，則流動站可隨時給出厘米級定位結果。根據基準站和流動站的工作原理，測量人員攜帶流動站在測區可以既快又準確地進行定位測量、放樣、地形測量等測量工作。

RTK技術的關鍵在于數據處理技術和數據傳輸技術，RTK定位時要求基準站接收機實時地把觀測數據及已知數據傳輸給流動站接收機，數據量比較大，一般要求9600以上的波特率，這在無線電條件下容易實現。

1.2 GPS—RTK系統的構成

RTK測量系統主要由GPS接收設備、數據傳輸系統和軟件系統構成。

（1）GPS接收設備

在基準站和用戶站上，分別設置雙頻GPS接收機。由于雙頻觀測值不僅精度高，而且有利于快速準確地解算整周未知數。當基準站為多用戶服務時，其接收機的采樣率應與用戶接收機采用率最高的相一致。

（2）數據傳輸設備

數據傳輸設備也稱數據鏈，由基準站的無線電發射臺與用戶站的接收機組成，其頻率和功率的選擇主要取決于用戶站與基準站的距離、環境質量、數據的傳輸速度。

（3）軟件系統

支持實時動態測量的軟件系統的質量和功能，對于保障實時動態測量的可行性、測量結果的可靠性和精確性，具有決定性作用。這種軟件系統突出的功能是能夠快速解算整周未知數，能選擇快速靜態、準動態、和實時動態等作業模式，實時完成對解算結果的質量分析和評價。

2 GPS—RTK技術在礦山測量中的作業流程

2.1 內業準備

在實施GPS-RTK測量作業前，應事先對測區進行踏勘，根據礦山測量的特點完成內業的準備工作，主要包括以下幾個方面的內容：

（1）設定工程名稱；

（2）參數設置：基準站的數據采樣率一般為4～5S，流動站的數據采樣率一般為1～2S，高度截止角通常設定為10度。

（3）若已知坐標轉換參數，則輸入手簿。

（4）實施工程或征地界址點放樣前，內業輸入每個放樣點的設計坐標，以便野外實時、準確放樣。對于觀測條件不好的地段，可配合全站儀使用。

2.2 求定測區轉換參數

礦山測量是在北京坐標系或獨立坐標系上進行的，存在著WGS-84坐標與北京坐標系或獨立坐標系的坐標轉換問題。由于RTK作業要求實時給出碎步點坐標，這使得坐標轉換工作非常重要。主要有以下兩種方式：

（1）對于較大型的測區事先測定轉換參數，在RTK作業時，直接輸入參數和基準站坐標。

（2）在RTK作業時臨時求得轉換參數。首先在對空視野開闊的地方設立基準站并采集單點定位WGS—84坐標，然后流動站聯測3個以上的高等級的控制點，求解坐標轉換參數。

2.3 基準站的安置

為保證觀測的精度和提高工作效率，基準站的安置應滿足下列條件。

（1）基準站可設立在高等級已知點上，也可設立在條件較好的未知點上。

（2）基準站安置應選擇在地勢較高、通視無遮擋、電臺有良好覆蓋區域的地方，首選是測區的中間地帶。

（3）為防止多路徑效應和數據鏈的丟失，基準站200米范圍內應無高壓電線、電視差轉臺、無線電發射臺等干擾源，周圍應無GPS信號反射源。

（4）基準站電臺的天線應架設在GPS接收機主機的北方。

2.4 點位施測及放樣

在測區首級控制的基礎上，利用點校正方法，求解坐標系統轉換參數；選擇對天通視較好，四周無各種強電磁干擾源的地方設置基準站。設置好流動站后，當測區可見GPS衛星數在5顆以上、PDOP值小于6時，一般只需5～15秒就可完成初始化而得到固定解。每臺移動站只需一人即可進行測量作業，每次開始作業應對已知控制點進行檢查，確保系統無誤后，應用GPS電子手簿即可進行地形地物點、勘探工程點、征地界址點、工程施工的放樣作業，每點采集記錄時間約1～10秒。實時動態RTK數據處理相對簡單，外業測量采集的實測坐標通過手簿的數據傳輸系統，直接下載到計算機內?？蛇M行圖形編輯，也可經整理、分類、判斷形成文件后直接打印出來。利用GPS-RTK放樣，無需對講機傳遞測量數據和方向，GPS電子手簿導航畫面可以讓測繪人員快速上點、上線，極大提高了工作效率，減輕了測量人員的工作強度。

3 GPS—RTK應用及定位精度分析

3.1 可用于礦山控制測量。

常規控制測量要求點間通視，費時費工，而且精度不均勻，外業不知道測量成果的精度。使用RTK技術進行控制測量既能實時知道定位結果，又能實時知道定位精度。這樣可以大大提高工作效率。筆者曾就職的金山店鐵礦的地形圖測繪由武漢勘察研究院有限公司測繪公司承擔。四等GPS控制測量和一級GPS測量，采用了美國Trimble5500接收機和Leica GPS GX1230接收機進行了測量，儀器標稱精度為5mm+1ppm。通過幾年的實踐證明，點位精度完全滿足礦山測量的要求。

3.2 可應用于地籍圈定范圍測量和界址點放樣。

在地籍和圈定范圍測量中，應用RTK技術測定每一宗土地的權屬界址點以及測繪地籍與圈定范圍圖，能實時測定有關界址點及一些地物點的位置并能達到要求的厘米級精度。將GPS獲得的數據處理后直接錄入電腦，可及時準確地獲得地籍和圈定范圍圖。但在影響GPS衛星信號接受的遮蔽地帶，應采用全站儀等測繪儀器，進行碎步測量或放樣。2008年筆者參與了金山店鐵礦鐵靈線的界址點放樣工作，鐵靈線周邊的地形地貌非常復雜，初始采用全站儀放樣，每天只能完成數十個界址點，而采用了RTK測量系統后，每天可完成上百個界址點的放樣工作。從而看出使用RTK放樣速度快，降低了人力物力成本，大大提高了工作效率，并且精度也滿足了要求。

3.3 可用于地面原礦收方作業。

礦山采用的原礦及精礦收方大多是全站儀觀測，需要觀測員、記錄員各一名，跑尺人員兩名，共4人。而在同樣條件下采用RTK技術，在基準站架設完成后，只需一人即可完成作業，且大大縮短了觀測時間，從而保證了工作效率的提高。

3.4 可用于礦區露天回填區及尾礦壩變形測量等。

3.5 可用于放樣土地權屬界線、礦區工程測量、縱橫斷面圖的測量、鉆孔放樣等。

3.6 定位精度分析。

參考兩種RTK測量系統提供的參數，如表1：

由表1可以看出，滿足礦山測量要求。

4 GPS—RTK技術的優缺點

4.1 GPS—RTK技術優點：

（1）測站之間無需通視，觀測距離遠，這一特點使得選點更加靈活方便。

（2）測量精度高，誤差之間互相獨立、不積累、不傳遞。只要能滿足RTK測量的基本要求，在規定的作業半徑范圍內，RTK的測量精度都能達到厘米級。

（3）集成化、自動化程度高、數據處理能力強。

（4）操作簡便，對作業條件要求不高，數據傳輸、處理、存儲能力強，與計算機、全站儀等測量儀器通信方便。

（5）作業人員少，定位速度快，綜合效益高。接收機僅需一個人操作，在待測點等待l～2秒即可獲得該點的坐標；內業便于計算機處理。GPSRTK測量作業效率是傳統測量的2到4倍，傳統測量人力設備的投入是GPS-RTK測繪手段的3倍左右。

（6）全天候作業。GPS觀測可在任何地點，任何時間連續地進行，一般不受天氣狀況的影響。

4.2 GPS—RTK技術缺點：

（1）在山谷深處、原始森林等區域，RTK技術使用將受到限制。筆者這幾年在武鋼集團公司主導投資的利比里亞邦礦項目中使用RTK測量就遇到此類問題，因樹木高大茂盛，高度截止角達不到要求，只能采用全站儀測量。

（2）受衛星狀況限制。GPS系統的總體設計方案是在 1973年完成的，受當時的技術限制，總體設計方案自身存在很多不足。隨著時間的推移和用戶要求的日益提高，GPS衛星的空間組成和衛星信號強度都不能滿足當前的需要。例如在中、低緯度地區每天總有兩次盲區，每次20～30 min，盲區時衛星幾何圖形結構強度低，RTK測量很難得到固定解。同時由于信號強度較弱，在對空遮擋比較嚴重的地方 GPS無法正常應用。

（3）受電離層影響。白天中午，受電離層干擾大，共用衛星數少，因而初始化時間長甚至不能初始化，也就無法進行測量。經驗表明，每天中午l2～l3點RTK測量很難得到固定解。

（4）受數據鏈電臺傳輸距離影響。數據鏈電臺信號在傳輸過程中易受外界環境影響，如高大山體、建筑物和各種高頻信號源的干擾在傳輸過程中衰減嚴重，嚴重影響外業精度和作業半徑。另外，當 RTK作業半徑超過一定距離時，測量結果誤差超限。

（5）受高程異常問題影響。RTK作業模式要求高程的轉換必須精確，但我國現有的高程異常分布圖在有些地區，尤其是山區存在較大誤差，在有些地區還是空白，這就使得將GPS大地高程轉換至海拔高程的工作變得比較困難，精度也不均勻，影響 RTK的高程測量精度。

（6）不能達到 100%的可靠度。RTK確定整周模糊度的可靠性為95%～99%，在穩定性方面不及全站儀，這是由于 RTK較容易受衛星狀況、天氣狀況、數據鏈傳輸狀況影響的緣故。

5 提高RTK作業效率的方法

如上所述，雖然RTK技術應用有一定缺陷，但經大量的工程實踐證明，其優點遠遠大于缺點，況且有些優點是常規測量方法所不能比擬的，因此RTK測量技術才風靡全國，在測量界引發了一場技術革命。針對RTK技術的缺點，通過幾年的工程項目實踐，我們摸索出下面幾條優化施測方法，以彌補RTK技術的不足，提高作業效率。

（1）摸清儀器特性

通過在各種條件下反復試驗，摸清儀器各種特性，如能否達到標稱精度，在各種條件下的測量誤差和作業半徑，摸清儀器的穩定性和各種條件下的初始化能力及所耗時間等等，以便應用時得心應手。

（2）注重基準位置的選擇

基準站盡量設置在點位較高的控制點上，以利于接收衛星信號和數據鏈信號，控制點問距離應小于RTK有效作業半徑的2/3倍。為方便對RTK測量成果進行控制檢核和避免出現作業盲點，應在測區內環境不良地區增設一些控制點，選點還應避免無線電干擾和多路徑效應。

（3）合理選擇作業時問

通過下載星歷文件了解測區的衛星分布情況，編制可行的作業計劃，盡量避開衛星信號盲區和中午電離層干擾大的時段，提高作業效率。

（4）選擇合理的作業流程

在植被茂密等對空通視受限的測區，通過采用常規方法和GPS技術相結合的生產流程可以極大地提高生產效率。如輔助相應的軟件，RTK可與全站儀聯合作業，充分發揮RTK與全站儀各自的優勢。

6 總結和建議

在科學技術飛速發展的今天，GPS—RTK技術給礦山測繪工作者帶來了革命性的變化，它改變了傳統的測量模式，它能夠實時達到厘米級定位精度和在不通視的情況下遠距離測量坐標，它具有需要的測量人員少、速度快、不需要同時觀測、精度高等特點，能夠極大地提高工作效率。但是它的作業方式是依賴于有足夠的衛星數、穩健的數據鏈等外界條件，在礦山測量中顯得很突出，有時會出現無法正常作業的情況，這就需要不斷完善GPS—RTK技術，并且與其它測繪設備、手段相結合，尋求更加先進的作業方式，高效能地完成礦山測量的各項工作任務。

參考文獻

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