基于目前GPS技術應用于礦山山區控制測量思路分析

張彥軍

[摘要]本文根據近年來自己從事礦山山區控制測量的相關工作的經驗，以某礦山山區控制測量為背景，探討了目前GPS技術應用于礦山山區控制測量的方法，分析了GPS技術應用于山區控制測量的整個技術流程，希望借此分析能對以后的工作有所幫助。

[關鍵詞] 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技術的簡介

GPS的別名是全球定位系統，是美國從20世紀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航與定位的新一代衛星導航與定位系統。GPS是由空間星座、地面控制和用戶設備等三部分構成的。GPS的測量技術能夠準確，快速高效的提供所查詢目標的精確三維坐標以及一些其他的相關信息。這種技術現在被廣泛的應用于軍事，船舶、飛機、汽車等的導航和定位，同時還被應用到大地測量，野外考察探險以及日常生活等不同領域。GPS全站儀的發展在地形和土地測量以及各種工程、變形、地表沉陷監測中已經得到廣泛應用，在精度、效率、成本等方面顯示出巨大的優越性。

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

GPS系統包括三大部分：空間部分—GPS衛星星座；地面控制部分—地面監控系統；用戶設備部分—GPS信號接收機。

1.1GPS衛星星座

由21顆工作衛星和3顆在軌備用衛星組成GPS衛星星座記作（21+3）GPS衛星星座。這24顆衛星均勻的分布在6個軌道內，平面內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（軌道的升交點赤經各相差60度）。每個軌道平面內各顆衛星之間的升交角距相差90度一軌道平面上的衛星比西邊相鄰軌道平面上的相應衛星超前30度。在兩萬公里高空的GPS衛星當地球對恒星來說自轉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信號導航定位時為了結算測站的三維坐標必須觀測4顆GPS衛星稱為定位星座。

1.2GPS的地面監控系統

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

1.3GPS信號接收機

GPS信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，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衛星發送的導航定位信號是一種可供無數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信號的接收設備即GPS信號接收機?？梢栽谌魏螘r候用GPS信號進行導航定位測量。根據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GPS接收機產品也有幾百種。這些產品可以按照原理、用途、功能等來分類。

靜態定位中的GPS接收機在捕獲和跟蹤GPS衛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。而動態定位則是用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參數（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：衛星不間斷地發送自身的星歷參數和時間信息，用戶接收到這些信息后，經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、應用廣泛等特點。

測時間短隨著GPS系統的不斷完善軟件的不斷更新目前20千米之內的，相對靜的態定位只需要十五到二十分鐘；快速靜態相對定位測量，需要每個流動站與基準站相距在15千米以內，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測量技術可節省大量的經費。由于不需要進行通視，定點位位置可以根據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在礦山山區測量中的應用，有以下幾個優點

（1）礦山山區設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測量工作中的經費的使用同時還能節約時間，而且可以根據測量的需要任意的選擇觀測點。

（2）定位精度高。在礦山山區中進行測量的時候，不像在平地上那么好測量，山區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據就不是很精確。而GPS這種測量技術不管在什么地點都可以對地標進行精確的測量，測量出的數據都可以精確到點，像這樣的測量精確度是一般測量手段很難達到的。

（3）觀測時間短。在沒有發明GPS技術之前，利用一般的的靜態目標定位的方法，再根據需要的精度的不同，一般得花費1至3個小時。在靜態目標定位方法發明之后，為了進一步的縮短觀測時間，隨后發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）。礦山山區山高坡陡還有茂密的森林，地形平均森灌坡度達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，為了適應這種難度系數高測量，出現了GPS測量技術。GPS測量技術控制網的布局滿足了工程設計及施工的需要，GPS網點緊挨公路而設點，而且這種點位的設定要求分布均勻 ，每個測量點的設置至少要與一個測量點能夠進行通視.某礦山山區控制測量數據的處理就采用的是GPS，V 數5.2軟件，這款軟件可以自 動處理輸出的基線的基本指標，這樣就可以知道基線的解算情況。有一天在操作的過程中，發現同步環4號點5號點6號點的閉合差超過限度，經過研究發現是定點的位置選擇不恰當所導致，發現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，導致同步環上的各個觀測點觀測到的衛星不同步，這就需要調整個別號點的位置，這點也是在礦山山區中使用GPS這種技術所要注意的。在礦山山區中使用GPS這種技術觀測時間要根據衛星星歷預報來選擇，比如當天衛星星歷預報顯示在礦山當地上午09： 30以前能接收到4顆以上健康衛星發出的信號，并且當時的圖像強度因子（PDOP）值都小于6（當圖像強度因子（PDOP）值都小于6時，觀測的結果就不是很好），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網的測量精度，因為這個時間段內觀測地點能接收到4顆以上健康衛星發出的信號，并且當時的圖像強度因子（PDOP）值都大于6。

3結論

本篇論文以某個礦山山區控制測量為背景，探討了目前基于GPS技術應用于礦山山區控制測量方法，發現GPS控制測量技術在山區控制測量中具有方便、靈活、效率高的作用，GPS控制測量技術的應用能減少山區的對樹木的砍伐，對保護山區的生態環境有很大的幫助。

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