開采沉陷GPS觀測試驗(yàn)及技術(shù)方法研究-

1、第期礦山測量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 能同時提供三維坐標(biāo)等優(yōu)點(diǎn),已受到測繪界的普遍關(guān)注,并爭相開發(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)測量高出一個數(shù)量級。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)各觀測點(diǎn)的大地高。在開采沉陷的下沉觀測時,需要的是觀測點(diǎn)的高程變化值,故作者提出開采沉陷觀測中的下沉值可應(yīng)用大地高的變化量代替的方法。在理論分析的基礎(chǔ)上,對該方法進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證,并對其精度及可靠性進(jìn)行了分析研究。同時,對影響觀GPS 測的誤差及有關(guān)減弱誤差的措施進(jìn)行了分析。1G PS 高程測量基本方法曲面擬合法介紹觀測數(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。mm 由于水準(zhǔn)測量得到的是地面點(diǎn)的大地高,而通常GPS 的測量工作需要的是正高。為了得到一個點(diǎn)的正高,除了要觀測該點(diǎn)的大地高以外,還需要知道該點(diǎn)的大地水準(zhǔn)面差距。因我國的國家高程系統(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量資料,這在一般的工程測量中是難以滿足的。如果已知某點(diǎn)的正常高,且利用觀測了該點(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觀測試驗(yàn)及技術(shù)方法研究高均海,12中國礦業(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)行開采沉陷觀測中的若干問題及其解決方法,提出了開采沉陷觀測中的下沉值可應(yīng)用大地高變化量的替代GPS 方法,并檢驗(yàn)了開采沉陷觀測的重復(fù)觀測精度及可靠性;同時對觀測誤差及有關(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;觀

6、測精度;可靠性GPS 中圖分類號:文獻(xiàn)標(biāo)識碼:文章編號章:P228.4B 1001-358X(200303-0031-03第期礦山測量年月3 2003932用已聯(lián)測水準(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,一般應(yīng)用個以上的水6GPS 準(zhǔn)點(diǎn),當(dāng)測區(qū)的聯(lián)測水準(zhǔn)點(diǎn)少于個時,可采用平面函數(shù)6擬合,這時的擬合模型為:在實(shí)際工作中,應(yīng)根據(jù)測區(qū)地理條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 測量的理論分析及精度和可靠性檢驗(yàn)2.1 開采沉陷測量的理

7、論分析GPS 測量成果通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換等數(shù)學(xué)處理,可求得我國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開采沉陷觀測主要是為了求得各點(diǎn)的下沉值,對基線GPS 向量中高程分量的精度要求較高。如果將測定的大地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,也會影響成果精度。不過一個點(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)各時期測定的大地高直接計算該GPS 點(diǎn)的下沉量,以保證下沉觀測成果達(dá)到較高的精度。2.2 開采沉陷測量試驗(yàn)及精度分析GPS 為檢驗(yàn)用上述方法觀測的下沉成果所能達(dá)到

8、的精度,我們選擇了某礦的巖移觀測站作為試驗(yàn)點(diǎn),同時進(jìn)行了和常規(guī)水準(zhǔn)測量,兩種方法觀測的下沉成果參見表。GPS 1從表中可以看出:去掉具有粗差的觀測結(jié)果后,1GPS 測量結(jié)果與常規(guī)測量方法觀測結(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,測點(diǎn)接高誤差及觀測時,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 測結(jié)果與常規(guī)測量結(jié)果一致。2.3 開采沉陷水準(zhǔn)測量的可靠性檢驗(yàn)GPS 為檢驗(yàn)開采沉陷水準(zhǔn)測量的重復(fù)觀測精度及可靠GPS 性,我們對一穩(wěn)定地區(qū)的多條基線進(jìn)行了多時段的觀測。由于選擇了穩(wěn)定地區(qū),應(yīng)認(rèn)為各時段觀測的一條基線

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誤差引起的。多條基線不同時段的觀測結(jié)果參見表本次選用兩條基線三個時段。2(從表可以看出,多時段觀測的基線兩端的大地高差2互差小于。這說明不同時段的重復(fù)觀測精度是很高10 mm 的,可以認(rèn)為應(yīng)用這種方法進(jìn)行開采沉陷測量,其結(jié)GPS 果是可靠的。表兩種方法觀測的下沉成果單位:1 (mm表多條基線不同時段的觀測結(jié)果2 3G PS 觀測精度分析及減弱誤差的措施影響GPS觀測的誤差是多方面的,實(shí)施開采沉陷GPS測量必須研究GPS測高中的誤差影響。下面將重點(diǎn)對影響GPS觀測的誤差進(jìn)行分析并提出減弱這些誤差的措施。(削弱衛(wèi)星不對稱對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)計和實(shí)施GPS測量時,盡可能在時間和地點(diǎn)上使小。VDOP (削弱對流層延遲改正不精確的影響2:對流層延遲改正模型本身的誤差、氣象元素的量測誤差、特別是測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流層改正的精度,而對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)報星歷時,應(yīng)盡可能觀測短基線。對于長基線,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。對載波相對觀測值,多路徑效應(yīng)會產(chǎn)生幾厘米誤差,因此在實(shí)際作業(yè)時應(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)號常規(guī)測下沉GPS 測下沉下沉互差點(diǎn)號常規(guī)測下沉GPS測下沉下沉互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(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)延長觀測時段以削弱這項誤差對其的總體影c 響;、觀測實(shí)施中,可采用預(yù)報的方法,在不同期觀測中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)星信號的方向性基本等同。(提高整周模糊度的解算精度5 :對于相對載波相位GPS 測量,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。隨著我國級網(wǎng)和級網(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算 1GPS 點(diǎn)的高程,但這一方法將不同程度的損失觀測成果的精度,因此,應(yīng)用時應(yīng)注意聯(lián)測水準(zhǔn)點(diǎn)的個數(shù)及分布情況,以保證其成果的精度及可靠性;(礦

14、區(qū)開采沉陷觀測主要是為了求得各點(diǎn)的下沉2 值,對基線向量中高程分量的精度要求較高。由于一GPS 個點(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)各時期測定的大地高直接GPS 計算該點(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;(觀測成果和常規(guī)水準(zhǔn)測量結(jié)果的對比及開3 GPS 采沉陷水準(zhǔn)測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要求。(在實(shí)施開采沉陷觀測時必須研究測高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、差對測高的影響。參考文獻(xiàn):1 GPS J學(xué)報,1999(4 .2 GPS J報, 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.王愛生沉降觀測的實(shí)踐及減弱誤差的措施測繪工程,6 . GPS J.2001(2.(收稿日期:2003-06-25作者簡介:高均海,男,河北清苑人,煤科總院唐山分 (1963-院高級工程師,中國礦業(yè)大學(xué)北京校區(qū)在讀博士,從事測繪新技術(shù)研究,完成多項部級以上科研項目并項獲部級科技進(jìn)步獎,5發(fā)表論文余篇。20(上接第頁35變形的點(diǎn)相對內(nèi)移,用這三個點(diǎn)的最外點(diǎn)求取的移2mm/m 動角勢必增大。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)測資料,系統(tǒng)總結(jié)了徐州礦區(qū)的地表移動規(guī)律和地表移動參數(shù)。所求規(guī)律和參數(shù),對正確指導(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