GPS_GLONASS组合定位在矿山测量中的应用展望.pdf

第6 l 卷第4 期 20 09 年11 月 有色金属 N o n f e r r o u sM e t M s V 0 1 ．6 1 ，N o ．4 N o v e m b e r ．20 09 G P S ／G L O N A S S 组合定位在矿山测量中的应用展望 鲍 勇1 ‘，刘亚川2 ，边占新3 1 ．辽宁工程技术大学测绘与地理科学学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 ；2 ．中铁工程设计咨询 集团有限公司，北京1 0 0 0 5 5 ；3 ．石家庄铁路职业技术学院测绘工程系，石家庄0 5 0 0 4 1 摘要系统分析G P S ／G L O N A S S 组合定位在矿山测量中的优势，论述组合定位需要解决的关键问题，结合具体实例阐述 G P S ／G L O N A S S 组合定位在矿山测量中的应用。 关键词矿山测量；G P s ／G L o N A s s 组合定位；综述 ．‘ 中圈分类号T D l 7 8文献标识码A文章编号t 0 0 1 一0 2 1 1 2 0 0 9 0 4 0 1 5 7 0 4 G P S 定位技术具有高精度、连续、全天候等特 点，在矿山测量中发挥着越来越重要的作用。但是， G P S 定位仍然要求具有一些实际的作业条件，例如， 要求G P S 天线与G P S 卫星之间必须通视，任何遮挡 都将减少可用的卫星数目。若利用G P S 接收机在 高山峡谷或森林地段进行矿区控制网建立、矿区边 坡监测等矿山测量工作，则存在G P S 卫星信号被遮 挡而失锁的情况，有时可见卫星少于4 颗，G P S 接收 机无法定位，或只能接收4 颗卫星的信号，定位精度 很差。众所周知，多余观测量对于测量精度和可靠 性都是至关重要的。因此，G P S 接收机可视卫星数 目的减少，将直接影响到定位的精度、可靠性和作业 效率‘。 俄罗斯的G L O N A S S 系统自1 9 9 5 年开始投入使 用，也能够为全球用户提供类似于G P S 的导航定位 功能。 近几年，人们开始考虑用G L O N A S S 增强G P S ， 即组合G P S ／G L O N A S S 进行定位与导航。通过综合 G P S 和G L O N A S S 这两种系统的特点，取长补短，不 仅能使可利用的卫星数增多、改善空间卫星的几何 G L O N A S S 卫星的观测值，对G P S 卫星的观测值进 行校核，以提高观测成果的可靠性，更重要的是可以 在G P S 信号容易被遮挡的特殊地区继续测量工作， 并且满足其精度的要求心】。 首先将G P S 和G L O N A S S 系统进行比较，在此 基础上。分析指出G P S ／G L O N A S S 组合定位需要解 决的关键问题，然后总结该组合系统的技术优势，最 后指出G P S ／G L O N A S S 组合定位技术在矿山测量中 的应用前景。 1G P S ／G L O N A S S 组合定位需要解决 的关键问题 G P S 和G L O N A S S 在系统组成、设计原理、导航 定位机理、工作频段、调制方式上都很相似，二者均 工作在L 波段上，分别发射C ／A 码和P 码，卫星的 位置都通过卫星广播星历获得。然而，二者也有着 很大的不同。比如二者所采用的时间和空间基准各 不相同，G P S 采用码分制，而G L O N A S S 采用频分 制，G P S 各卫星采用相同的载波频率，而G L O N A S S 各卫星采用不同的频率等，G P S 与G L O N A S S 系统 图形条件，提高观测效率和观测精度，还可利用的比较如表1 所示。 表1G P S 与G L o N A S S 系统的比较 T a b l e1 C o m p a r i s o no fG P Sa n dG L O N A S S 收稿日期2 0 0 9 0 3 2 7 作者简介鲍勇 1 9 7 8 一 ，男，河北遵化市人，讲师，硕士。主要从 事卫星定位与导航技术等方面的研究。 由于G P S 和G L O N A S S 系统存在着诸多差异， 因此G P S ／G L O N A S S 组合应用时，必须将两者统一 起来，实现数据融合，需要解决以下几个关键问题。 1 时间参考系统不一致。G P S 时间系统以美 万方数据 1 5 8 有色金 属 第6 l 卷 国海军观测台维持的U T C U S N O 时为参考，即 G P S 系统时 U T C 1 。r t 一1 9 ‘，而G L O N A S S 则是 以前苏联维持的U T C S U 时为参考，即G L O N A S S 系统时 U T C4 - 0 3 h O O m 。通过两者与U T C 的关系， 可以得到G P S 与G L O N A S S 系统时的转换公式 G L O N A S S 系统时 G P S 系统时一1 。n4 - 1 9 5 4 - 0 3 h 0 0 “。 2 坐标参考系统不一致。G L O N A S S 卫星系 统采用的坐标基准P Z - 9 0 ，而G P S 采用的是1 9 8 4 世 界地心坐标系W G S 一8 4 。为了同时处理G P S 和 G L O N A S S 的观测数据，需要一个统一的坐标系，即 存在P Z - 9 0 坐标系与W G S - 8 4 坐标系转换问题。 确定两个坐标系转换参数的数学模型有很多， 其中最常用的为布尔莎模型 B u r s a M o d e l 假设存在 两个空间直角坐标系0 。陀一X Y Z 和0 。，甲一u y 形，两者 的关系如图l 所示。 X W J1 乙 卢 J1 卢， O 。 卢， ， - √ ／ 屹吼。 ，， V 图l 两个坐标系的空间关系 F i g ．1S p a t i a lr e l a t i o n o ft w oc o o r d i n a t es y s t e m s 坐标转换7 参数B u r s a 模型为式 1 ，其中， [ d 瓦dy od z 。] T 为第一个坐标系0 。，妒- u V w 的原点 0 。。W 在第二个坐标系0 ，陀一X Y Z 中的坐标。J B ，，卢，， 卢。为两个坐标系间的旋转角，d 。为尺度因子。如果 通过单点定位，得到3 个以上地面点在不同坐标系 中的坐标值 或差 ，即可解算得到两个坐标系间的 转换参数。采用坐标差时的数学模型为式 2 。当 观测点数多于3 个时，采用最小二乘法解算得到最 优转换参数“ 1 。 [ 至] [ 至耋] c d ，扎，【二晟二卢y 3 信号调制技术不同。G P S 和G L O N A S S 两 者的伪随机码频率和载波频率各不相同。首先在制 造组合型接收机时带来一定的困难，目前已基本解 决。其次由于频率不同造成接收机硬件对不同信号 的延迟不同，码、载波相位测量的精度也不同。再 者，在G L O N A S S 载波相位测量双差观测方程中无 法消除接收机钟差影响，给解算整周模糊度带来一 定的困难，也为组合G P S ／G L O N A S S 载波相位定位 提出了新的问题。组合G P S ／G L O O N A S S 整周模糊 度解及其有效性检验将是今后研究发展的方向。 2G P S ／G L O N A S S 组合定位的优势 G P S 和G L O N A S S 是两种彼此独立的系统，组 合G P S ／G L O N A S S 定位时，这两种系统可互为补充。 当一个系统发生故障时，就能起用另一个系统。若 两个系统同时使用，则可提高精度和可靠性。具体 地，组合G P S ／G L O N A S S 技术具有如下几方面优势。 1 卫星可用性加强和定位可靠性提高。卫星 定位的精度和可靠性主要取决于可见卫星的数量。 在一般情况下，G P S 接收机需至少观测到4 颗卫星 才可确定接收机所在点的三维位置。由于有2 4 颗 G P S 卫星，通常在1 0 。截止角以上可视7 颗卫星。 若接收机附近有高山、建筑物、树林或其它阻碍物 时，可视卫星数可能减少为4 颗或更少，以至于不能 定位。采用G P S ／G L O N A S S 组合星座，可用卫星数 至少8 颗，平均达到1 4 颗，而且在全球大部分地区 高度角1 0 。以上最多会有2 0 颗卫星。这样，在矿区 可视条件受限制的地方观测结果将大为改善，从而 放宽了对G P S 测量地点的限制。而且，更多的星座 也会改善载波相位相对定位的精度，用组合G P S ／ G L O N A S S 定位，初始化时间将缩短3 6 倍。 2 定位精度提高。观测卫星的几何强度直接 影响到测量定位计算的精度。卫星几何强度可以通 过各种衰减因子 D O P 值来反映，D O P 值越小，几 何强度越高，观测值越精确。组合G P s ／G L O N A S S -ll_、， ‰p 肋 。 ， ， d d d d卢卢卢． y爿o _ o x o z _ X y Z 0 0 1 0 l O l 0 O ．。．．．．．．．．。．．．．．．．．L 1●●●●●-] U 矿形 一 一 一 X y Z ．．．．．．．．．．．．。．．．．．．。L 1●●●●●●_1 q纠● ．．．．．．．。。．．．．．．。L Z 卢， ． 一 万方数据 第4 期鲍勇等G P S ／G L O N A S S 组合定位在矿山测量中的应用展望 1 5 9 定位，由于可视更多卫星，D O P 可减小2 0 ％～5 0 ％， 同时也大大地增强了卫星的几何结构，这样组合 G P S ／G L O N A S S 定位精度和可靠性也比G P S 高。 3 作业效率的提高和成本的降低。对于边坡 监测，在高山峡谷或森林地带的露天矿区，可能存在 一半的天空被遮挡。在许多的时候，单独G P S R T K 几乎不能工作，而组合G P S ／G L O N A S S 定位由 于扩大了卫星的可用性，因此R T K 可以照常工作。 而且，对于实时动态定位 R T K ，如果单独利用G P S R T K 需要双频接收机，双频接收机较为昂贵而且 花费较长时间才能完成R T K 的相位初始化。如果 利用组合G P S ／G L O N A S S 接收机，单频组合接收机 即可用于快速初始化，而且可以观测到来自空间不 同部位的卫星，得到更多的观测值。研究表明，由于 可观测到上空的大部分区域，组合G P S ／G L O N A S S 接收机R T K 可在一秒内固定整周模糊度。这样采 用G P s ／G L O N A S s 组合定位既提高了作业效率又降 低了成本。 3 G P S ／G L O N A S S 组合定位技术在矿 山中测量中的应用前景 G P S ／G L O N A S S 组合系统较单独的G P S 定位有 更多的优势，其在空中的可见和可用卫星数大大的 增多，可用卫星的几何结构能明显增强，从而提高了 定位的可靠性和精度。这对于在高山峡谷或森林地 段进行矿山测量工作无疑是有利的，甚至是必须的。 图2G P S 的可见卫星数 F i g ．2 N u m b e ro fv i s i b l eG P Ss a t e l l i t e s 例如，在矿区边坡变形监测中，所选定的监测 点，一定要能够准确的反映矿区的变化，同时还要考 虑到对监测点观测时尽量不受外界因素影响。当应 用G P S 监测时，可能会出现因为考虑G P S 卫星信号 接收，而使选择的监测点并非是能够反映矿区变形 的最佳点，这样就会使监测的结果不够准确。而如 果采用G P S ／G L O N A S S 系统，这个问题就很容易解 决了。就是因为该系统增强了卫星的可用性，大大 降低了上述监测点选点矛盾，同时可使监测点测量 的精度和可靠性大幅提高。 图3G P S ／G L O N A S S 的可见卫星数 F i g ．3 N u m b e ro fv i s i b l eG P Sa n dG L O N A S S s a t e l l i t e s 再如，G P S ／G L O N A S S 组合定位技术曾应用在 智利C h u q u i c a m a t a 深坑矿山中，结果表明，尽管G P S 能提高生产效率以及降低矿山测量的成本，但是在 智利C h u q u i c a m a t a 的深坑矿内，全天中G P S 仅能在 某些时间内使用，失去了G P S 较传统测量的优越 性。而应用G P S ／G L O N A S S 组合系统，能见的卫星 数增加，即使在深坑的底部也平均能观测到7 颗 G P S G L O N A S S 卫星，完全能进行实时精确定位， 深坑的底部能见到的最多卫星数为1 2 颗。在深坑 的表面，若截止高度角为1 0 0 ，平均能观测到1 1 颗 卫星。如图2 和图3 分别为2 4 h 的G P S 和G P S ／ G L O N A S S 两种情况下的可见卫星数。在某深坑矿 内，把G P S ／G L O N A S S 组合系统与G P S 作比较得到 的结论是卫星可见数增加1 ．5 倍，定位可靠性增加 2 倍。在G P S ／G L O N A S S 组合系统中，在各种情况 下，整周模糊度都是固定的，而在G P S 系统中，在遇 有障碍附近，整周模糊度容易丢失。由此可见， G P S ／G L O N A S S 组合技术在矿山测量中比G P S 更具 有优越性。 目前，G P S ／G L O N A S S 组合系统的接收机已经 有厂家生产，但由于受到G L O N A S S 可用卫星数的 限制，其应用和发展受到一定的制约。随着美国 G P S 卫星现代化进程的加快和俄罗斯G L O N A S S 卫 星的正常化，及G P s ／G L O N A S s 组合系统接收机的 硬件和软件的不断发展和完善，G P s ／G L O N A S S 组 合定位系统在矿山中的应用前景将是广阔的。 万方数据 1 6 0 有色金属 第6 l 卷 参考文献 [ 1 ] 胡国荣，崔伟宏．组合G P S ／G L O N A S S 定位在矿山测量中的应用探讨[ J ] ．矿山测量，2 0 0 0 ，9 3 4 3 4 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