開采沉陷GPS觀測(cè)試驗(yàn)及技術(shù)方法研究-

1、第期礦山測(cè)量3 .3年月20039MINE SURVEYING Sept.200331由于定位技術(shù)具有速度快、精度高、全天候,并GPS 能同時(shí)提供三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),已受到測(cè)繪界的普遍關(guān)注,并爭(zhēng)相開發(fā)應(yīng)用該技術(shù)。高精度的平面控制網(wǎng)已經(jīng)在GPS 許多工程中得到應(yīng)用,大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)表明,平面控GPS 制網(wǎng)的精度是可靠的,其精度一般能比常規(guī)測(cè)量高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。眾所周知,利用技術(shù)求得的是地面點(diǎn)在GPS WGS 坐標(biāo)系中的大地高,而目前我國(guó)的實(shí)用高程系統(tǒng)采用的-84是正常高,所以,在需要高程的工程中,必須實(shí)現(xiàn)大GPS 地高向我國(guó)實(shí)用高程的轉(zhuǎn)換。目前,普遍認(rèn)可的利用曲線和曲面擬合的方法不可避免的存在著精度損失

2、問題。觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)換、平差等數(shù)學(xué)處理后,可得到兩GPS 點(diǎn)間的基線向量及高精度的大地高差,如果已知一點(diǎn)的大地高,即可求得全網(wǎng)各觀測(cè)點(diǎn)的大地高。在開采沉陷的下沉觀測(cè)時(shí),需要的是觀測(cè)點(diǎn)的高程變化值,故作者提出開采沉陷觀測(cè)中的下沉值可應(yīng)用大地高的變化量代替的方法。在理論分析的基礎(chǔ)上,對(duì)該方法進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,并對(duì)其精度及可靠性進(jìn)行了分析研究。同時(shí),對(duì)影響觀GPS 測(cè)的誤差及有關(guān)減弱誤差的措施進(jìn)行了分析。1G PS 高程測(cè)量基本方法曲面擬合法介紹觀測(cè)數(shù)據(jù)通過特殊的數(shù)學(xué)處理,可精確地得到地GPS 面點(diǎn)在坐標(biāo)系中的坐標(biāo)。經(jīng)轉(zhuǎn)換、平差等處理WGS-84后,可得到我們常用的北京、西安或我們需要的地方5480坐標(biāo)

3、系中的平面坐標(biāo)和大地高。大地高是以橢球面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)的成果,高程系統(tǒng)的定義為由地面點(diǎn)沿通過該點(diǎn)的橢球面法線到橢球面的距離。因?yàn)槟壳俺Ｓ玫乃疁?zhǔn)測(cè)量成果是以大地水準(zhǔn)面為基準(zhǔn)的高程系統(tǒng)中的成果,所以在實(shí)際工程中一般不采用大地高系統(tǒng),而是采用正高系統(tǒng)或正常高系統(tǒng)。正高即地面點(diǎn)沿垂線方向到大地水準(zhǔn)面的距離,正常高即地面點(diǎn)沿垂線方向到似大地水準(zhǔn)面的距離。大地高、正常高和正高之間的關(guān)系見式(和附圖。1H = H g = + N N r (+1式中:H 地面點(diǎn)的大地高;H g 正高;H r 正常高;N 大地水準(zhǔn)面差距;高程異常。上述關(guān)系是一個(gè)近似式。嚴(yán)格地講,應(yīng)顧及地球橢球面法線與鉛垂線方向的差異(即垂線

4、偏差的影響。但該差異一般不大于,由它引入的高程誤差不大于10.1 ,完全可以忽略不計(jì)。mm 由于水準(zhǔn)測(cè)量得到的是地面點(diǎn)的大地高,而通常GPS 的測(cè)量工作需要的是正高。為了得到一個(gè)點(diǎn)的正高,除了要觀測(cè)該點(diǎn)的大地高以外,還需要知道該點(diǎn)的大地水準(zhǔn)面差距。因我國(guó)的國(guó)家高程系統(tǒng)為正常高系統(tǒng),為了求得某點(diǎn)的正常高,需要知道該點(diǎn)的高程異常值。計(jì)算大地水準(zhǔn)面差距和高程異常一般都需要大量的重力測(cè)量資料,這在一般的工程測(cè)量中是難以滿足的。如果已知某點(diǎn)的正常高,且利用觀測(cè)了該點(diǎn)的大地高,則GPS 可精確求得該點(diǎn)的高程異常?？紤]到工程測(cè)量的范圍較小,似大地水準(zhǔn)面的變化比較平緩,因此,可以利用一些聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)的點(diǎn),求得各點(diǎn)

5、的高程異常值,再用曲面擬GPS 合的方法來逼近似大地水準(zhǔn)面,以求得其它點(diǎn)的高程GPS 異常,從而達(dá)到高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換的目的。曲面擬合法就是將高程異常近似地看作是一定范圍內(nèi)各點(diǎn)坐標(biāo)的曲面函數(shù),開采沉陷GPS觀測(cè)試驗(yàn)及技術(shù)方法研究高均海,12中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京校區(qū),北京;煤炭科學(xué)研究總院唐山分院,河北唐山( 1. 100083 2. 063012 摘要:文中介紹了用進(jìn)行開采沉陷觀測(cè)中的若干問題及其解決方法,提出了開采沉陷觀測(cè)中的下沉值可應(yīng)用大地高變化量的替代GPS 方法,并檢驗(yàn)了開采沉陷觀測(cè)的重復(fù)觀測(cè)精度及可靠性;同時(shí)對(duì)觀測(cè)誤差及有關(guān)減弱誤差的措施進(jìn)行了分析。GPS GPS 關(guān)鍵詞:開采沉陷;觀測(cè);觀

6、測(cè)精度;可靠性GPS 中圖分類號(hào):文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:文章編號(hào)章:P228.4B 1001-358X(200303-0031-03第期礦山測(cè)量年月3 2003932用已聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)的點(diǎn)的高程異常來擬合該函數(shù),在求得GPS 函數(shù)的擬合系數(shù)后,就可利用該擬合函數(shù)來計(jì)算其它點(diǎn)的高程異常和正常高。常用的擬合函數(shù)為二次曲面函數(shù),其擬合模型為:在采用二次曲面擬合時(shí),一般應(yīng)用個(gè)以上的水6GPS 準(zhǔn)點(diǎn),當(dāng)測(cè)區(qū)的聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)少于個(gè)時(shí),可采用平面函數(shù)6擬合,這時(shí)的擬合模型為:在實(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)測(cè)區(qū)地理?xiàng)l件等因素選擇合理的擬合參數(shù),取得較好的擬合精度。開采沉陷2 GPS 測(cè)量的理論分析及精度和可靠性檢驗(yàn)2.1 開采沉陷測(cè)量的理

7、論分析GPS 測(cè)量成果通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等數(shù)學(xué)處理,可求得我國(guó)GPS 北京系或礦區(qū)坐標(biāo)系高精度的平面坐標(biāo)和大地高。由于54開采沉陷觀測(cè)主要是為了求得各點(diǎn)的下沉值,對(duì)基線GPS 向量中高程分量的精度要求較高。如果將測(cè)定的大地GPS 高轉(zhuǎn)換為常用的正常高,各點(diǎn)的高程異常值難以精確求定,即使通過上述擬合方法,也會(huì)影響成果精度。不過一個(gè)點(diǎn)上大地高的變化量與同期正常高的變化量是一致的,去除地球橢球面法線與沿垂線方向的差異(即垂線偏差的影響,可以用一點(diǎn)各時(shí)期測(cè)定的大地高直接計(jì)算該GPS 點(diǎn)的下沉量,以保證下沉觀測(cè)成果達(dá)到較高的精度。2.2 開采沉陷測(cè)量試驗(yàn)及精度分析GPS 為檢驗(yàn)用上述方法觀測(cè)的下沉成果所能達(dá)到

8、的精度,我們選擇了某礦的巖移觀測(cè)站作為試驗(yàn)點(diǎn),同時(shí)進(jìn)行了和常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量,兩種方法觀測(cè)的下沉成果參見表。GPS 1從表中可以看出:去掉具有粗差的觀測(cè)結(jié)果后,1GPS 測(cè)量結(jié)果與常規(guī)測(cè)量方法觀測(cè)結(jié)果之間的下沉值之差大都在之間。但表中有部分值大于,經(jīng)分 020 mm 120 mm 析認(rèn)為,測(cè)點(diǎn)接高誤差及觀測(cè)時(shí),存在儀器高量取誤GPS 差等原因,使這些點(diǎn)的下沉值相差偏大?？梢哉J(rèn)為觀GPS 測(cè)結(jié)果與常規(guī)測(cè)量結(jié)果一致。2.3 開采沉陷水準(zhǔn)測(cè)量的可靠性檢驗(yàn)GPS 為檢驗(yàn)開采沉陷水準(zhǔn)測(cè)量的重復(fù)觀測(cè)精度及可靠GPS 性,我們對(duì)一穩(wěn)定地區(qū)的多條基線進(jìn)行了多時(shí)段的觀測(cè)。由于選擇了穩(wěn)定地區(qū),應(yīng)認(rèn)為各時(shí)段觀測(cè)的一條基線

9、兩端的大地高差(基線的大地高分量為一定值,其存在的差值是由觀測(cè)誤差引起的。多條基線不同時(shí)段的觀測(cè)結(jié)果參見表本次選用兩條基線三個(gè)時(shí)段。2(從表可以看出,多時(shí)段觀測(cè)的基線兩端的大地高差2互差小于。這說明不同時(shí)段的重復(fù)觀測(cè)精度是很高10 mm 的,可以認(rèn)為應(yīng)用這種方法進(jìn)行開采沉陷測(cè)量,其結(jié)GPS 果是可靠的。表兩種方法觀測(cè)的下沉成果單位:1 (mm表多條基線不同時(shí)段的觀測(cè)結(jié)果2 3G PS 觀測(cè)精度分析及減弱誤差的措施影響GPS觀測(cè)的誤差是多方面的,實(shí)施開采沉陷GPS測(cè)量必須研究GPS測(cè)高中的誤差影響。下面將重點(diǎn)對(duì)影響GPS觀測(cè)的誤差進(jìn)行分析并提出減弱這些誤差的措施。(削弱衛(wèi)星不對(duì)稱對(duì)1GPS 定位

10、的影響:衛(wèi)星在垂直方向上幾何圖形的強(qiáng)弱是用垂直精度衰減因子來描述(VDOP的,因此,設(shè)計(jì)和實(shí)施GPS測(cè)量時(shí),盡可能在時(shí)間和地點(diǎn)上使小。VDOP (削弱對(duì)流層延遲改正不精確的影響2:對(duì)流層延遲改正模型本身的誤差、氣象元素的量測(cè)誤差、特別是測(cè)站上方氣象元素的代表性誤差以及實(shí)際大氣狀態(tài)和理想大氣狀態(tài)之間的差異都將影響到對(duì)流層改正的精度,而對(duì)流層延遲改正不完善所殘留下來的誤差主要將影響高程分量的精度,對(duì)于短基線這種影響尤為明顯。這是GPS定位中高程精度不如平面精度的另一主要原因。(削弱衛(wèi)星星歷誤差的影響3 :當(dāng)用預(yù)報(bào)星歷時(shí),應(yīng)盡可能觀測(cè)短基線。對(duì)于長(zhǎng)基線,要用精密星歷進(jìn)行基線解算,大多數(shù)GPS生產(chǎn)廠家

11、的后處理軟件能用精密星歷進(jìn)行解算。(減弱多路徑效應(yīng)的影響4: 多路徑效應(yīng)的影響主要表現(xiàn)為系統(tǒng)誤差。對(duì)載波相對(duì)觀測(cè)值,多路徑效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生幾厘米誤差,因此在實(shí)際作業(yè)時(shí)應(yīng)采取以下措施削弱它。、在低反射特性物周圍選定監(jiān)測(cè)點(diǎn)。反射程度從大到a 小依次排序?yàn)?建筑物、高壓線、水面、地面、衛(wèi)星自身;點(diǎn)號(hào)常規(guī)測(cè)下沉GPS 測(cè)下沉下沉互差點(diǎn)號(hào)常規(guī)測(cè)下沉GPS測(cè)下沉下沉互251925031658766313 = a 0+ a 1X k + a 2Y k + a 3 X 2k + a 4Y 2k + a 5 X k Y k k ( 2 = a 0+ a 1X k + a 2Y k k ( 3基線基線長(zhǎng)(m 大地高差(

12、1m 大地高差(2m 大地高差(3m 最大互差(mm 1-214665.4134653.7036.4586.4616.4547第期3 高均海:開采沉陷觀測(cè)試驗(yàn)及技術(shù)方法研究年月GPS 2003933、為避免多路徑低頻部分誤差,可適當(dāng)調(diào)高天線高b 度;、適當(dāng)延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)段以削弱這項(xiàng)誤差對(duì)其的總體影c 響;、觀測(cè)實(shí)施中,可采用預(yù)報(bào)的方法,在不同期觀測(cè)中d 盡可能獲取相同或相近的衛(wèi)星星座結(jié)構(gòu),以使衛(wèi)星信號(hào)的方向性基本等同。(提高整周模糊度的解算精度5 :對(duì)于相對(duì)載波相位GPS 測(cè)量,為了得到精確的垂直位置,正確的解算整周模糊度是非常重要的。因?yàn)?整周未知數(shù)的浮點(diǎn)解在垂直方向上總是有±的誤差,

13、甚至更大。因此,應(yīng)盡可能多1.2 cm 的獲取GPS 數(shù)據(jù),提高整周模糊度的解算精度。(削弱起算點(diǎn)位置誤差對(duì)基線解算的影響6 :基線解算中采用偽距單點(diǎn)定位結(jié)果作為起算點(diǎn),如果這種點(diǎn)的點(diǎn)位精度為±,相應(yīng)導(dǎo)致的大地高誤差在×20 m 0.510-63.×010-6之間。因此,應(yīng)選擇精度較好的點(diǎn)作為基線解算的起始點(diǎn)如精度好于。隨著我國(guó)級(jí)網(wǎng)和級(jí)網(wǎng)的(0.5 mA B 完成,目前獲得這種點(diǎn)是較容易的。結(jié)論4 (可以通過曲面擬合方法計(jì)算 1GPS 點(diǎn)的高程,但這一方法將不同程度的損失觀測(cè)成果的精度,因此,應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)點(diǎn)的個(gè)數(shù)及分布情況,以保證其成果的精度及可靠性;(礦

14、區(qū)開采沉陷觀測(cè)主要是為了求得各點(diǎn)的下沉2 值,對(duì)基線向量中高程分量的精度要求較高。由于一GPS 個(gè)點(diǎn)上大地高的變化量與同期正常高的變化量是一致的,去除地球橢球面法線與沿垂線方向的差異(即垂線偏差的影響,這樣就可以用一點(diǎn)各時(shí)期測(cè)定的大地高直接GPS 計(jì)算該點(diǎn)的下沉量,這樣避免了由于高程系統(tǒng)轉(zhuǎn)換損失的精度;(觀測(cè)成果和常規(guī)水準(zhǔn)測(cè)量結(jié)果的對(duì)比及開3 GPS 采沉陷水準(zhǔn)測(cè)量的精度和可靠性檢驗(yàn)試驗(yàn),說明用GPS 進(jìn)行開采沉陷觀測(cè)可達(dá)到較好的精度,并具有較好的GPS 可靠性,可以滿足開采沉陷的下沉觀測(cè)要求。(在實(shí)施開采沉陷觀測(cè)時(shí)必須研究測(cè)高4 GPS GPS 中的誤差影響,制定切實(shí)可行的措施,以削弱各種誤

15、差對(duì)測(cè)高的影響。參考文獻(xiàn):1 GPS J學(xué)報(bào),1999(4 .2 GPS J報(bào), 1999(12.3 GPS J1999(3.煤科總院唐山分院,山東科技大學(xué).進(jìn)行礦山變形連續(xù)監(jiān)5 GPS J1993(3.王愛生沉降觀測(cè)的實(shí)踐及減弱誤差的措施測(cè)繪工程,6 . GPS J.2001(2.(收稿日期:2003-06-25作者簡(jiǎn)介:高均海,男,河北清苑人,煤科總院唐山分 (1963-院高級(jí)工程師,中國(guó)礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)在讀博士,從事測(cè)繪新技術(shù)研究,完成多項(xiàng)部級(jí)以上科研項(xiàng)目并項(xiàng)獲部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng),5發(fā)表論文余篇。20(上接第頁35變形的點(diǎn)相對(duì)內(nèi)移,用這三個(gè)點(diǎn)的最外點(diǎn)求取的移2mm/m 動(dòng)角勢(shì)必增大。采深大,上覆巖層中彎曲帶厚度增大,而在彎曲帶中(第四紀(jì)沖積層除外,開采影響傳播方向是偏向巖層的法線方向,所以造成開采影響傳播角變小,開采影響傳播系數(shù)增大。 結(jié)語4 根據(jù)大量的實(shí)測(cè)資料,系統(tǒng)總結(jié)了徐州礦區(qū)的地表移動(dòng)規(guī)律和地表移動(dòng)參數(shù)。所求規(guī)律和參數(shù),對(duì)正確指導(dǎo)礦區(qū)安全生產(chǎn),合理開展“三下”采煤,具有重要意義。致謝:在資料處理過程中,許建軍、鄭志剛等同志作了大量工作,在此表示感謝!參