GPS在矿山测量中的应用毕业设计.docx

GPS在矿山测量中的应用毕业设计.docx

《GPS在矿山测量中的应用毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《GPS在矿山测量中的应用毕业设计.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

GPS在矿山测量中的应用毕业设计

摘要

GPS卫星定位技术的发展导致了测绘行业一场深刻的技术革命。

GPS测量在大范围高精度控制网、城市控制网、工程控制网的建立中起到了越来越重要的作用,已逐渐取代了传统的三角测量和导线测量建立控制网的方法,尤其在河道测图、管线测量、隧道贯通测量及山区矿区测绘方面应用广泛。

由于受地形限制,上述情况的测量控制网大多以非常规形式布设,并且很多穿过山林,附近已知点很少,给网形布设,误差控制和测区作业带来很大问题,因此如何提高成果精度和经济效益就成为人们关注的焦点。

本文结合矿区GPS控制网测量工程项目，阐述了GPS控制测量在复杂地形中的应用，主要从以下几个方面来阐述：

（1）结合工程实例，阐述GPS控制测量的作业流程。

（2）分析测量数据的内业处理方法（中海达GPS所配备的处理软件—HDS2003数据处理软件包），通过总结经验和技巧来提高解算质量。

（3）对项目控制网的精度进行分析，从不同角度分析了控制网的可靠性。

关键词：

GPS矿山地形测量精度分析

Abstract

GPSsatellitepositioningtechnologyledtothedevelopmentofSurveyingandmappingindustryaprofoundrevolution.GPSmeasurementinlargerangeandhighaccuracycontrolnetwork,citycontrolnetwork,establishmentofengineeringcontrollingnetworkplaysanincreasinglyimportantrole,hasgraduallyreplacedthetraditionaltriangulationandestablishmentofcontrolnetworkwiremeasurementmethod,especiallyinthechannelmapping,surveying,break-throughsurveyoftunnelsandmountainminesurveyingandmappingapplicationsextensive.Duetorestrictionsoftheterrain,thesituationofsurveyingcontrolnetworkofmostlyunconventionalformlayout,andmanyacrossthemountains,nearthelittleknown,tonetshapedesign,errorcontrolandthetestareajobbringsverybigquestion,sohowtoimprovetheaccuracyoftheresultsandeconomicbenefitshavebecomethefocusofattention.ThiscombinationofmineGPScontrolnetsurveyproject,elaboratedtheGPScontrolmeasurementincomplexterrainapplication,mainlyfromthefollowingaspectstoillustrate:

（1）incombinationwiththeprojectexample,explainedGPScontrolofmeasurementprocesses.

（2）theanalysisofmeasureddatawithintheindustryprocessingmethod（HaidaGPSequippedwithprocessingsoftwareHDS2003dataprocessingsoftwarepackage）,summarizetheexperienceandskillstoimprovesolutionquality.（3）theprojectcontrolnetworkprecisionanalysis,analyzedfromdifferentpointofviewcontrolnetworkreliability.

Keywords：

GPSMiningtopographymeasurementPrecisionanalysis

1绪论

1.2国内外研究的现状以及问题1

2.3GPS技术特点4

2.4GPS在地形控制测量中的作业流程5

3.2.1GPS误差来源8

3.2.2GPS网基本精度10

3.3.1选点15

3.3.2施测18

4.3高程拟合29

1绪论

1.1引言

GPS技术是新兴技术，GPS卫星定位技术较之常规的测量方法有速度快，精度高，经费省且不受条件限制。

GPS技术在矿山地形控制测量中以后会有更广泛的应用，会越发显示出其在矿山地形控制测量方面的优越性。

目前GPS技术的飞快发展改变了传统的控制测量方法，GPS（GlobalPositioningSystem）比常规的测量方法有精度高，速度快，经费省等优点，在广大地形测量中应用。

近些年来，矿区越来越多的运用GPS技术进行地形控制测量，现在就以GPS系统的组成，国内外最新动态，GPS控制网的布设与施测，数据的处理，平差，坐标系统的转换等方面进行讨论。

1.2国内外研究的现状和问题

随着GPS静态定位技术的不断发展与完善，GPS技术己普遍用于各种用途的控制点测量，并已在各种类型和等级的控制网建立中逐步取代常规的测量方法,如全站仪、水准仪等。

中国新的国家大地测量控制网就采用了GPS布设和测量技术，很多城市也都相继采用GPS技术建立了城市控制网。

静态GPS定位测量技术所取得的精度越来越高。

如由某集团公司投资建造,是一个年产量150万t的煤矿。

矿区位于贵州山区,矿区面积约90km2,属云贵高原地形,矿区海拔大多在1300m~2000m之间,相对高差约700m。

山路崎岖,地形复杂,通视困难,行走不便。

为了满足该矿区的煤炭勘探、建设和生产,需建立首级控制网。

考虑到工程复杂,工期较紧,测区面积大65km2地形起伏大,已知控制点离测区远（两个已知点在测区外约5km处）等因素,最终经过专家论证，决定采用GPS测量，并顺利完成了任务。

国外，GPS平面控制和高程控制技术在工程项目中的研究是走在前面的。

欧洲核子研究中心的大型环形电子对撞机控制测量，GPS定位精度亦达毫米级；美国早在1984年的斯坦福粒子加速器的工程测量中采用GPS定位技术，平差后其平面位置精度达1-2mm,高程精度达2-3mm；1987年横跨英吉利海峡的欧洲海底隧道工程开工，隧道深入海底40m，工程全长50km,当采用经典大地测量方法时，隧道纵横向误差为4×

，而后来采用GPS进行控制测量得到隧道纵横向误差1×

了，既减少了工程费用，又大大提高了工程质量。

在矿山控制测量中，GPS网的布设是非常灵活的。

它免除了测角、边角同测和测边网等的传统要求。

它不需要点间通视,不需要考虑布设什么样的图形,也就不需要考虑图形强度,不需要设置在制高点上（哪里需要就可以设置在哪里）。

尤其在高山高原地区,GPS做控制测量大大提高了工作效率,缩短了工期,节省了大量的人力、物力。

通过国内外GPS的应用测量,充分体现了GPS技术精度高,设备适合野外作业,操作简单、高度集成的特点。

尽管野外干扰因素多,但由于GPS计算软件的功能强大,在自动处理数据方法的同时,辅以人工干预模式,通过一系列数据预处理、检核、GPS网平差,通过三维无约束平差、二维约束平差、GPS高程拟合,同样获得高精度GPS点。

1.3本文主要研究的问题

GPS技术作为一项20世纪后期的高新技术，将在21世纪有着广阔的应用前景。

尤其是在测量领域的控制测量中得到广泛的应用，主要是改变了传统的测量作业工作方式，大大提高了工作效率，也带来了可观的经济效益。

本文主要以矿区地形控制测量为例，阐述GPS在矿山控制测量中的作业流程、布网原则、分析了载波相位差分定位的原理、测量数据的内业处理方法和技巧（以中海达GPS所配套的处理软件）、该工程项目控制网的精度分析、误差来源分析及处理、GPS在地形测量应用中的坐标系转换问题、更好地利用GPS测量的大地高问题等，进行一些探讨。

2GPS卫星定位系统

2.1GPS的系统组成

GPS全球定位系统由空间卫星群和地面监控系统两大部分组成．除此之外，测量用户当然还应有卫星接收设备。

GPS的用户部分由GPS接收机，数据处理软件及相应的用户设备如计算机、气象仪器等组成，其作用是接收GPS卫星发出的信号，利用信号进行导航定位等。

在测量领域，随着现代的科学技术的发展，体积小、质量轻便于携带的GPS定位装置和高精度的技术指标为工程测量带来了极大的方便。

图2—1GPS系统组成

2.2GPS的工作原理

GPS系统是一种采用距离交会法的卫星导航定位系统。

如图l所示：

在需要的位置Q点架设GPS接收机，在某一时刻同时接收了分别位于A，曰，C的3颗GPS卫星所发出的导航电文，通过一系列数据处理和计算可求得该时刻GPS接收机至GPS卫星的距离AQ，BQ，CQ，同样通过接收卫星星历可获得该时刻这些卫星在空间的位置（三维坐标），从而用距离交会的方法求得Q点的三维坐标（XQ，YQ,ZQ），其数学式为：

AQ2=（XQ-XA）+（YQ-YA）+（ZQ+ZA）,

BQ2=（XQ-XB）+（YQ-YB）+（ZQ+ZB）,

CQ2=（XQ-XC）+（YQ-YC）+（ZQ+ZC）,

（Xc，Yc，Zc）分别为3颗卫星在该时刻的空间直角坐标。

在GPS测最中通常采用两类坐标系统，一类是在空间同定的坐标系统，另一类是与地球体相固联的坐标系统，称地固坐标系统，我们在工程控制测量中常用地固坐标系统。

（如：

WGS一54世界大地坐标系和1985年北京大地坐标系。

）在实际使用中需要根据坐标系统间的转换参数进行坐标系统的变换，来求出所使用的坐标系统的坐标。

这样更有利于表达地面控制点的位置和处理GPS观测成果，因此在测量中被得到了广泛的应用。

2.3GPS测量的技术特点

相对于常规的测量方法来讲，GPS测量有以下特点：

（1）测站之间无需通视。

测站间相互通视一直是测量学的难题。

GPS这一特点，使得选点更加灵活方便。

但测站上空必须开阔，以使接收GPS卫星信号不受干扰。

（2）定位精度高。

一般双频GPS接收机基线解精度为5mm+1×10-6，而红外仪标称精度为5mm+5×10-6，GPS测量精度与红外仪相当，但随着距离的增长，GPS测量优越性愈加突出。

大量实验证明，在小于50km的基线上，其相对定位精度可达12×10-6，而在100～500km的基线上可达10-6到10-7。

（3）观测时间短。

观测时间短采用GPS布设控制网时每个测站上的观测时间一般在30～40min，采用快速动态定位方法，观测时间更短。

例如使用（Hi-Target）8200CPS接收机的RTK法可在5s以内求得测点坐标。

（4）提供三维坐标。

GPS测量在精确测定观测站平面位置的同时，可以精确测定观测站的大地高程，且其高程精度可满足四等水准测量的要求。

（5）操作简便。

GPS测量的自动化程度很高。

目前GPS接收机已趋小型化和操作“傻瓜”化，观测人员只需将天线对中、整平，量取天线高打开电源即可进行自动观测，利用数据处理软件对数据进行处理即求得测点三维坐标。

而其它观测工作如卫星的捕获，跟踪观测等均由仪器自动完成。

（6）全天候作业。

GPS卫星数目多，且分布均匀，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，一般不受天气状况的影响。

2.4GPS在地形控制测量中的作业流程

GPS测量与常规测量相类似,在实际工作中也可以划分为方案设计，外业实施以及内业数据处理三个阶段。

GPS网技术设计的主要依据是GPS测量规范和测量任务书。

GPS网的布设应注意以下几个问题：

（1）除了特殊情况,一般GPS基线长度相差不要过大,这样可以使GPS测量的精度分布均匀；

（2）GPS网中不要有孤立点,应构成封闭式闭合环网；

（3）应尽量将点位布设在环视比较开阔的地方,以消除多路径影响和便于接收卫星信号；避开强电磁波干扰,并且在接收机工作时不得在其周边10m范围内用对讲机和手机。

GPS测量误差来源可分为三大部分：

（1）GPS信号的自身误差,包括轨道误差（星历误差）和SA,AS影响；

（2）GPS信号的传输误差,包括太阳光压,电离层延迟,对流层延迟,多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳；

（3）GPS接收机的误差,主要包括中误差,通道间的偏差,锁相环延迟,码跟踪环偏差,天线相位中心偏差等。

对于GPS控制网基线测量,基线长度较短的情况下（最大不超过30km）,GPS的轨道误差,太阳光压影响及美国SA技术基本对测量精度不发生影响（它只能影响单点定位和长基线测量结果）。

基线长度在20km~30km的GPS控制网,采用单频GPS接收机测量的效果比较好,完全能满足矿山测量的需要；GPS高程测量也能代替四等水准测量,当施工、建设对高程要求较高的情况下,要慎用GPS高程。

作业过程中,在GPS接收机满足作业精度要求的情况下,测量的主要误差源是多路径误差、周跳和点位的对中误差。

在进行GPS外业工作之前,必须做好实施前的测区踏勘,资料手机，器材筹备，观测计划拟定，GPS仪器检校以及设计书编写等。

GPS测量外业实施包括GPS点的选埋，观测，数据传输以及数据处理。

3GPS网的布设与施测

3.1测区介绍与布设原则

本次GNSS控制测量测区位于迁安市西部首钢矿区大约90平方公里，主要以矿区和山区为主，分为：

杏山采区，大石河采区，菜园采区，二马采区，羊崖山采区，裴庄采区，柳河峪采区，水场采区等八个首钢矿区。

有公路和铁路均匀分布在各测区之间，交通便利，有利于施测。

本次GNSS控制测量主要用于后续1：

2000地形图测量。

如下图3-1所示：

图3—1首钢矿区分布图

GPS控制网布网设计，必须按GPS测量规范实施。

其设计的一般原则为：

（1）图形闭合。

即GPS控制网网一般应有足够的独立观测边构成闭合图形，以增强图形自身强度和增加平差检核条件，以提高观测质量，即必须有足够的闭合环。

（2）有必要的一定数量的点位重合，以方便由已知点推算待测点，。

GPS网站点应与原有地面已知控制网点有足够的重合，并力求重合点在整个控制网中均匀分布，以便可靠地确定GPS网与地面网之间的转换参数。

网点还应与一定的水准点重合，或在网中布设一定密度的水准点，以便为大地水准面的计算和研究提供资料和参考。

（3）视野开阔。

GPS网点一般应设在视野开阔和容易到达的地方，一般确保测站点仰角15°以上区域周围无明显的遮挡物。

若需用此点按常规方法联测或扩展控制网时，应注意满足网点之间间通视的通视条件。

3.2GPS误差来源以及GPS网的精度要求

3.2.1GPS的误差来源

GPS测量误差按其生产源可分3大部分：

GPS信号的自身误差，包括轨道误差（星历误差）和SA，AS影响；GPS信号的传输误差，包括太阳光压，电离层延迟，对流层延迟，多路径传播和由它们影响或其他原因产生的周跳；GPS接收机的误差，主要包括钟误差，通道间的偏差，锁相环延迟，码跟踪环偏差，天线相位中心偏差等。

有关部门提供一定精度的卫星轨道，以广播星历形式发播给用户使用，从而已知观测瞬间所观测卫星的位置，因而卫星轨道误差与星历误差是一个含义。

卫星星历误差又等效为伪距误差。

由于卫星轨道受地球和日、月引力场、太阳光压、潮汐等摄动力及大气阻力的影响，而其中有的是随机影响，而不能精密确定，使卫星轨道产生误差。

目前，GPS卫星轨道误差的等效伪距误差（使用的卫星广播星历）为4.2m。

美国的SA政策和AS政策人为地使导航定位的精度降低，点位误差有时达到100m。

控制网的静态GPS测量是利用载波相位测量，一般是由一个点设为已知点与一个待定点位同步观测GPS卫星，取得载波相位观测值，从而得出待定点位的坐标或两点间的坐标值，称为基线测量，短基线测量可以消除SA影响。

动态测量解决SA影响的途径是实时差分定位（称Real-timeDGPS）,即在已知坐标点上布设基准点，通过基准站取得误差校正值，通过数据链实时传给导航定位的移动站，从而消除SA影响及两站的各种共同的误差，提高了移动站的导航定位精度。

加滤波等处理的导航软件以及组合导航系统，已使导航定位精度差分距离在100km左右时达到亚米级，差分距离远于1500km时达到米级。

SA技术是选择可用性（SelectiveAvailability）的简称，它是由两种技术使用户的定位精度降低，即δ（dither）技术和ε（epsilon）技术。

δ技术是人为地施加周期为几分钟的呈随机特征的高频抖动信号，使GPS[]卫星频率10.23MHz加以改变，最后导致定位产生干扰误差，ε技术是降低卫星星历精度，呈无规则的随机变化，使得卫星的真实位置增加了人为的误差。

AS技术（Anti-Spoofing）叫反电子欺骗技术，其目的是为了在和平时期保护其P码，不让非授权用户使用；战时防止敌方对精密导航定位作用的P码进行电子干扰。

AS技术使得用C/A码工作的用户无法再和P码相位测量联合解算进行双频电离层精密测距修正，实际降低了用户定位精度。

太阳光压对卫星产生摄动影响卫星的轨道，它是精密定轨的最主要误差源。

太阳光压对卫星产生的摄动加速度受太阳与地球间距离的变化（地球轨道偏心距）而引起太阳辐射压力的变化，也与太阳光强度、卫星受到的照射面程和照射面积与太阳的几何关系及照射面的反射和吸收特性有关，由于卫星表面材料的老化、卫星姿态控制的误差等也使太阳光压发生变化。

已有的太阳光压改正模型有：

标准光压模型、多项式光压模型和ROCK4光压摄动模型，这几种光压模型精度基本上相当，可以满足1m定轨的要求。

最近有人提出，用附加随机过程参数的方法或者对较长的轨道用一阶三角多项式逼近非模型化的长期项影响，可得到更理想的结果，甚至可以满足0.1～0.2m精多路径误差是指GPS信号射至其他的物体上又反射到GPS接收天线上，对GPS信号直接射至GPS接收天线上的直接波的干扰。

多路径误差的大小，取决于反射波的强弱和用户天线抗衡反射波的能力。

用户天线附设仰径板，当仰径板半径为40cm,天线高于1m至2m,可抑制多路径影响。

据大量资料的分析统计，多路径误差有以下危害：

①当边长小于10km时，主要误差源是天线的对中误差和多路径误差；②多路径误差对点位坐标的影响，在一般环境下可达5～9cm，在高反射环境下可达15cm；③在高反射环境（城镇、水体旁、沙滩、飞机、舰船等）下，码信号受多径误差的影响，可导致接收机的相位失锁；④实践证明，观测值中的很多周跳都是由于多路径误差引起的。

接收机天线附近的水平面、垂直面和斜面都会使GPS信号产生镜反射。

天线附近的地形地物，例如道路、树木、建筑[]物、池塘、水沟、沙滩、山谷、山坡等都能构成镜反射。

因此，选择GPS点位时应特别注意避开这些地形地物，采取提高天线高度和其他防止多路径误差的措施。

3.2.2GPS网基本精度

本工程的GPS控制测量是用做山区矿山测图之用，要求精度达到D级别，考虑到本工程项目的精度需要及所采用仪器设备、技术条件等影响实际精度的多种因素，GPS平面网的精度指标按《全球定位系统（GPS）测量规范》（GB/T18314-2001）中GPSD级网相邻点间距离的标准差指标要求确定。

因此依照GPS测量规范将本次GPS测量作业的基本技术要求如下（表3-1）：

表3-1GPS测量基本技术要求表

控制网级别

卫星截止高度角

同时观测有效卫星数

观测时段

时段长度（双频）

采样间隔（静态）

固定误差a（mm）

比例误差b（ppm

D）

D

13---20

15度

1.6

≥45分

钟

10---60s

10

10---20

GPS网相邻点间弦长精度用下式计算

=

式3-1

-------GPS基线向量的弦长中误差（也称作等效距离误差，单位为毫米），；

a--------固定误差（接收机标称精度，单位是毫米）；

b--------比例误差系数（接收机标称精度，单位是毫米）；

d--------网中相邻站点间的距离（单位为公里）；

3.3选点与施测

3.3.1选点

由于GPS测量观测点之间不要求相互通视，而且网形结构也比较灵活，所以选点工作比常规控制测量的选点要简便。

但由于点位的选择对于保证观测工作的顺利进行和保证测量结果的可靠性有着至关重要的意义，因此在选点之前，除了收集和了解有关测区的地理情况和原有测量控制点的分布及保存情况外，我们还遵守和顾及以下原则：

（1）点位都设在易于安装架设接收机，视野开阔的较高点上；

（2）点位目标显著，其周围15度以上没有大面积的障碍物，以减少GPS信号被遮挡或被障碍物吸收；

（3）测区有许多通向矿区的高压线路和市电线路，由于高压线路等产生的电磁场会干扰GPS信号，所以我们选点都在离其约50到100m以外的地方；

（4）由于测区为矩形，布设出的网形有利于同步观测边，同步观测点的联结。

图3-2控制网分布

3.3.2施测

由上面可知，尽管各个待测点布设在交通较方便的公路周围，且均匀覆盖测区，但测区范围较大，到达点位仍需在路上要花费许多时间。

为了提高作业效率，本次采用五台GPS接收机，测量人员五个，沿着公路依次架站，每一时段结束后，保持其中两台或一台接收机不动，其他台站接收机装车，到接下来的待测点上观测，依次类推，从最北边的二家院子到最南边的大公山点结束。

具体的方案如下：

（1）本次工程采用中海达HD8200E一体化蓝牙静态GPS接收机，其主要指标如下表

表3-2HD8200E仪器指标

平面精度

垂直精度

作用距离

历元间隔

卫星高度角

首次扑获时间

主机功耗

兼容性

±（5mm

1ppm）

±（10mm

2ppm）

≤5km

1秒-999秒可调

0°-60°

可调

≤60s

700mW

单、双频基线混合解算

（2）每一测站进行严格对中整平，确保在测量中接收机的稳定性。

（3）认真填写外业记录纸，标明该接收机编号，时段号按照A，B，C…依次排列，用钢卷尺从三个方向量取仪器高，并求平均值。

（4）每一时段开关机时间统一安排，并在准确、清楚地记录在手薄中，每一时段观测时间长度在45分钟以上，保证观测数据的可靠性。

（5）在观测过程中，定期观察接收机显示的可用卫星数量，并记录。

若卫星数少于4个，则通知其他站点停止观测，查出原因，要么是周围山峰遮挡，要么是此时卫星分布不好，适当的进行测点移位或等待一段时间再观测。

（6）为了保证观测基线的质量和控制网整体精度，观测过程中均采