GPS在小煤矿验收测量中的应用

吴顺中

（云南省一九八煤田地质勘探队，云南 昆明 650208）

1 GPS系统简介及应用概况

全球定位系统（GloblePositioningSystem简称GPS）是美国从上世纪70年代开始研究，历时20年，耗资200亿美元，于1994年全面建成，具有海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。当初，设计GPS系统的主要目的是用于导航、收集情报等军事目的。但是后来的应用开发表明，GPS系统不仅能够达到上述目的而且可利用GPS卫星发来的导航定位信号能够进行米、亚米、厘米甚至毫米等不同精度的定位，还可以进行速度测量、时间测量。这一系统包括3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。

与传统的测量系统比较，GPS系统具有以下显著特点：（1）定位精度高。实践表明，在300～1500m精密工程定位中，与电磁波测距仪测定的边长比较，其边长较差为0.5mm。（2）观测时间短。在动态相对定位中，流动站在距基准站15km内，每站观测仅需1～2s。（3）可提供三维坐标。经典的大地测量将平面与高程采用不同的方法分别施测，而GPS系统可同时测定待测点的三维坐标，并达到四等水准的测量精度。（4）操作简单。随着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，有的已经达到“傻瓜化”的程度。（5）全天候作业。GPS系统可以在24h内的任何时间进行作业，也不受阴天黑夜、起雾刮风、下雨下雪等气候的影响，特别适合露天测量作业。

1994年以来，经过近10年的研究开发与实践表明，GPS系统以其全天候、高精度、自动化、高效益等显著特点，赢得了广大测绘工作者的青睐，并成功地应用于大地控制测量、精密工程测量、变形监测等众多测绘领域里。GPS实时动态定位技术（简称RTK技术），在各种比例尺地形图测绘中得到广泛的应用。随着内业处理软件的日趋完善，GPS的应用领域在不断扩大，并开始进入人们的日常生活。

2 RTK技术原理

实时动态（RealTimeKinematic简称RTK）测量技术，是以载波相位观测量为根据的实时差分GPS测量技术，它是GPS测量技术发展中的一个新突破。众所周知，GPS测量技术的模式已有多种，如静态、快速静态、准动态和动态相对定位等。但是，利用这些测量模式，如果不与数据传输系统相结合，其定位结果均需通过观测数据的测后处理而获得。所以，它无法实时地给出观测站的定位结果，也无法对基准站和用户站观测数据的质量，进行实时的检核，致使返工重测。

以往解决这一问题的措施，主要是延长观测时间，以获得大量的多余观测，来保障测量结果的可靠性。但是，这样，便显著地降低了GPS测量工作的效率。

实时动态测量的基本思想是，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。在用户观测站上，GPS接收机在接收GPS卫星信号的同时，通过无线电接收设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。

RTK测量系统的开发成功，为GPS测量工作的可靠性和高效率提供了保障，对测量技术的发展和普及，具有重要的现实意义。

目前，实时动态测量模式主要有3种：（1）快速静态测量。采用这种测量模式，要求GPS在每一用户站上静止地进行观测。它可以不必保持对GPS卫星的连续跟踪，其定位精度达1～2cm。这种方法可应用于城市、矿山等区域性的控制测量，工程测量和地籍测量。（2）准动态测量。这种测量模式，要求流动的接收机在观测工作开始之前，首先在某一起始点上静止地进行观测，也就是进行初始化。初始化后，在其他观测站上只需测量1～2s，即可获得该点的三维坐标，目前，其定位精度可达厘米级。它要求在观测过程中，要保持对观测卫星的连续跟踪。这种方法主要应用于地籍测量、碎部测量、线路测量和工程放样等。（3）动态测量。动态测量模式和准动态一样，一般需要在起始点上进行初始化，之后，运动的接收机按预定的时间间隔进行自动观测，并连同基准站的同步观测数据，实时地确定采样点的空间位置。其定位精度也可达到厘米级。这种测量模式，也要求对所测卫星进行连续跟踪。适用于航空摄影测量、航道测量以及运动目标的精密导航。目前，实时动态测量系统，已在约20km的范围内，得到了成功的应用。

3 GPS在我公司的应用

几年前，我队购进一套GPS系统。今年上半年，在某工程改线现场，我们为了验证GPS系统在本地区的应用情况，分别使用捷创利全战仪和GPS系统测量了同一条附和导线。通过严密平差计算，两种测量方法所测得的导线，均满足规范要求，导线点的点位中误差和边长相对中误差相差无几。但是，用全站仪测量所用外业时间是使用GPS系统所用时间的2倍。结果表明，GPS系统在本地区完全能够替代传统的测量方法，同时能够节省劳动力，提高工效。

4 小煤矿测量验收工作流程及耗时统计

小煤矿生产技术部测量组现有测量人员十几名，其中2人负责内业，其余十几人负责全部外业和部分内业工作。按照公司和矿里的要求，每月要进行一次采剥量验收测量工作，计算各采剥台阶、采剥设备当月的工程量；土、岩、煤的运距和采剥量的综合运距；绘制采场及排土场工程位置平面图。验收测量的外业工作每月从20日开始，大月26日上午截止，小月25日上午截止，累计每月外业时间4.5～5d（考虑天气因素和其他测量工作，预留1～1.5d时间）。

以2003年小煤矿计划生产商品煤1200万t的产量规模为例，剥离量5300万m3，月平均采剥总量为560万m3。验收测量外业总点数平均1500点左右。根据我们平时对验收测量每一点时间标定，每测量一个碎部点的时间分配是：①测量时间15s。包括瞄准目标、按动测量键开始测量、输入每个碎部点属性注记、通知镜站测量结束4个环节。②走路时间30s。验收测量时，各个碎部点之间的距离约为30m，走路时间是指从上一个点测完以后，走到下一个待测的碎部点所用的时间。③等待时间30s。由于1台全站仪要跟5个棱镜，而测每个碎部点要耗时大约15s的时间，所以，每个镜站的周期就是75s。

5 与GPS系统的比较

通过上述对每一个碎部点的测量用时分析，显而易见，测量每个碎部点所必需的时间应该是45s。但是由于使用1台全战仪跟5个棱镜，决定了这5个镜站之间形成了一种串行的作业方式，无形之中白白浪费30s的等待时间。使得每个镜站的周期变成75s。

据有关统计资料表明，应用GPS系统的RTK技术，流动站每测量一个碎部点耗时1～2s，加上输入注记时间1～2s，走路时间30s，累计用时34s，并且每个流动站就是1台GPS接收机，互相之间不干扰，是一种典型的并行作业方式。与全站仪测量相比，具有以下优点：（1）测量用时短。单纯从上述用时分析，可提高测量速度1倍。（2）节省劳动力。由于基准站并不用设专人操作，这样可以减少1名司仪，加入到流动站。在不增加测量人员的情况下，由5个镜站增加到6个。（3）减少矿区内控制点的密度。由于GPS测量系统各站之间不需要通视，所以，可以大大减少设置矿区控制点的数量。（4）传统的全站仪测量方式，只要出外业，至少需要2人：1个司仪，1个镜站。如果不通视，还要临时支点、搬站。而GPS系统，只需1人就能完成同样的工作。同时，依靠一个基准站，可以并行完成不同的测量工作而互不干扰。这一系统唯一的缺点是，初期的一次性投资比较大。

6 结论

笔者根据以上的分析比较，使用GPS系统，在测量精度上，完全能够满足我矿验收测量的要求，并且该系统全天候、速度快、效率高、节省劳动力的特点，非常适合小煤矿各项测量工作的需要，尤其是验收测量工作，更为明显。按我矿现有生产规模，如果使用GPS系统，测量验收工作外业仅需要2～2.5d就能完成，提高工效1倍。如果还采用传统的全站仪测量方法，而不增加测量人员，已经很难完成测量验收任务和其他日常测量工作。因此，采用GPS系统为主、全站仪测量为辅的矿山测量模式，是完全可行和必要的。这样有利于更好地完成我矿的测量验收工作，为按时完成生产任务，提供可靠的保障。

[1]郭清,张文升,张文亮.大型建设工程施工控制网测量方法[J].山西建筑,2007,(14).