开采沉陷GPS观测试验及技术方法研究-.doc

第期矿山测量№ 3 .3年月20039 MINE SURVEYING Sept.2003 31 由于定位技术具有速度快、精度高、全天候,并GPS 能同时提供三维坐标等优点,已受到测绘界的普遍关注,并争相开发应用该技术。高精度的平面控制网已经在GPS 许多工程中得到应用,大量的实践数据表明,平面控GPS 制网的精度是可靠的,其精度一般能比常规测量高出一个数量级。众所周知,利用技术求得的是地面点在GPS WGS 坐标系中的大地高,而目前我国的实用高程系统采用的-84是正常高,所以,在需要高程的工程中,必须实现大GPS 地高向我国实用高程的转换。目前,普遍认可的利用曲线 和曲面拟合的方法不可避免的存在着精度损失问题。 观测数据经转换、平差等数学处理后,可得到两GPS 点间的基线向量及高精度的大地高差,如果已知一点的大地高,即可求得全网各观测点的大地高。在开采沉陷的下沉观测时,需要的是观测点的高程变化值,故作者提出开采沉陷观测中的下沉值可应用大地高的变化量代替的方法。在理论分析的基础上,对该方法进行了实例验证,并对其精度及可靠性进行了分析研究。同时,对影响观GPS 测的误差及有关减弱误差的措施进行了分析。1 G PS 高程测量基本方法曲面拟合法介绍观测数据通过特殊的数学处理,可精确地得到地GPS 面点在坐标系中的坐标。经转换、平差等处理WGS-84后,可得到我们常用的北京、西安或我们需要的地方5480坐标系中的平面坐标和大地高。大地高是以椭球面为基准的高程系统的成果,高程系统的定义为由地面点沿通过该点的椭球面法线到椭球面的距离。因为目前常用的水准测量成果是以大地水准面为基准的高程系统中的成果,所以在实际工程中一般不采用大地高系统,而是采用正高系统或正常高系统。正高即地面点沿垂线方向到大地水准面的距离,正常高即地面点沿垂线方向到似大地水准面的距离。大地高、正常高和正高之间的关系见式和附图。 1H H g N N r ξ 1式中 H 地面点的大地高;H g 正高;H r 正常高;N 大地水准面差距;ζ高程异常。 上述关系是一个近似式。严格地讲,应顾及地球椭球面法线与铅垂线方向的差异即垂线偏差的影响。但该差异一般不大于ˊ,由它引入的高程误差不大于10.1 ,完全可以忽略不计。 mm 由于水准测量得到的是地面点的大地高,而通常GPS 的测量工作需要的是正高。为了得到一个点的正高,除了要观测该点的大地高以外,还需要知道该点的大地水准面差距。因我国的国家高程系统为正常高系统,为了求得某点的正常高,需要知道该点的高程异常值。 计算大地水准面差距和高程异常一般都需要大量的重力测量资料,这在一般的工程测量中是难以满足的。如果已知某点的正常高,且利用观测了该点的大地高,则GPS 可精确求得该点的高程异常。考虑到工程测量的范围较小,似大地水准面的变化比较平缓,因此,可以利用一些联测水准的点,求得各点的高程异常值,再用曲面拟GPS 合的方法来逼近似大地水准面,以求得其它点的高程GPS 异常,从而达到高程系统转换的目的。曲面拟合法就是将高程异常近似地看作是一定范围内各点坐标的曲面函数, 开采沉陷GPS观测试验及技术方法研究 高均海,1 2 中国矿业大学北京校区,北京;煤炭科学研究总院唐山分院,河北唐山 1. 100083 2. 063012 摘要文中介绍了用进行开采沉陷观测中的若干问题及其解决方法,提出了开采沉陷观测中的下沉值可应用大地高变化量的替代GPS 方法,并检验了开采沉陷观测的重复观测精度及可靠性;同时对观测误差及有关减弱误差的措施进行了分析。GPS GPS 关键词开采沉陷;观测;观测精度;可靠性 GPS 中图分类号 文献标识码 文章编号章P228.4B 1001-358X200303-0031-03 第期矿山测量年月 3 2003932 用已联测水准的点的高程异常来拟合该函数,在求得GPS 函数的拟合系数后,就可利用该拟合函数来计算其它点的高程异常和正常高。常用的拟合函数为二次曲面函数,其 拟合模型为 在采用二次曲面拟合时,一般应用个以上的水6GPS 准点,当测区的联测水准点少于个时,可采用平面函数6拟合,这时的拟合模型为 在实际工作中,应根据测区地理条件等因素选择合理的拟合参数,取得较好的拟合精度。 开采沉陷2 GPS 测量的理论分析及精度和可靠性检验2.1 开采沉陷测量的理论分析 GPS 测量成果通过坐标转换等数学处理,可求得我国GPS 北京系或矿区坐标系高精度的平面坐标和大地高。由于54开采沉陷观测主要是为了求得各点的下沉值,对基线GPS 向量中高程分量的精度要求较高。如果将测定的大地GPS 高转换为常用的正常高,各点的高程异常值难以精确求定,即使通过上述拟合方法,也会影响成果精度。不过一个点上大地高的变化量与同期正常高的变化量是一致的,去除地球椭球面法线与沿垂线方向的差异即垂线偏差的影响,可以用一点各时期测定的大地高直接计算该GPS 点的下沉量,以保证下沉观测成果达到较高的精度。2.2 开采沉陷测量试验及精度分析 GPS 为检验用上述方法观测的下沉成果所能达到的精度, 我们选择了某矿的岩移观测站作为试验点,同时进行了和常规水准测量,两种方法观测的下沉成果参见表。 GPS 1从表中可以看出去掉具有粗差的观测结果后,1GPS 测量结果与常规测量方法观测结果之间的下沉值之差大都在之间。但表中有部分值大于,经分 020 mm 120 mm 析认为,测点接高误差及观测时,存在仪器高量取误GPS 差等原因,使这些点的下沉值相差偏大。可以认为观GPS 测结果与常规测量结果一致。 2.3 开采沉陷水准测量的可靠性检验 GPS 为检验开采沉陷水准测量的重复观测精度及可靠GPS 性,我们对一稳定地区的多条基线进行了多时段的观测。由于选择了稳定地区,应认为各时段观测的一条基线两端的大地高差基线的大地高分量为一定值,其存在的差值是由观测误差引起的。多条基线不同时段的观测结果参见表本次选用两条基线三个时段。 2从表可以看出,多时段观测的基线两端的大地高差2互差小于。这说明不同时段的重复观测精度是很高10 mm 的,可以认为应用这种方法进行开采沉陷测量,其结GPS 果是可靠的。 表两种方法观测的下沉成果单位1 mm 表多条基线不同时段的观测结果 2 3 G PS 观测精度分析及减弱误差的措施影响GPS观测的误差是多方面的,实施开采沉陷GPS测量必须研究GPS测高中的误差影响。下面将重点对影响GPS观测的误差进行分析并提出减弱这些误差的措施。 削弱卫星不对称对1GPS 定位的影响卫星在垂直方向上几何图形的强弱是用垂直精度衰减因子来描述VDOP的,因此,设计和实施GPS测量时,尽可能在时间和地点上使小。 VDOP 削弱对流层延迟改正不精确的影响2对流层延迟改正模型本身的误差、气象元素的量测误差、特别是测站上方气象元素的代表性误差以及实际大气状态和理想大气状态之间的差异都将影响到对流层改正的精度,而对流层延迟改正不完善所残留下来的误差主要将影响高程分量的精度,对于短基线这种影响尤为明显。这是GPS定位中高程精度不如平面精度的另一主要原因。 削弱卫星星历误差的影响 3 当用预报星历时,应尽可能观测短基线。对于长基线,要用精密星历进行基线解算,大多数GPS生产厂家的后处理软件能用精密星历进行解算。 减弱多路径效应的影响4 多路径效应的影响主要表现为系统误差。对载波相对观测值,多路径效应会产生几厘米误差,因此在实际作业时应采取以下措施削弱它。 、在低反射特性物周围选定监测点。反射程度从大到a 小依次排序为建筑物、高压线、水面、地面、卫星自身; 点 号 常规测下沉GPS 测下沉下沉互差点号常规测下沉GPS 测下沉下沉互 差28212211145210120891229 4043931146169316930307227148471399138613311186118604810081029-213218301827349664647173324612458351368404-3635350134841752215248-333743704353175317617243951475171-24541451396405031500922561061051433038303535795573844 2519 2503 16 58 76 63 13 ζ a 0 a 1X k a 2Y k a 3 X 2 k a 4Y 2k a 5 X k Y k − εk 2ζ a 0 a 1X k a 2Y k − εk 3基 线基线长 m 大地高差1m 大地高差2m 大地高差3m 最大互差mm 1-214665.413 -13.928-13.937-13.938103-42684.6033.2393.2423.24785-6 4653.703 6.458 6.461 6.454 7 第期3 高均海开采沉陷观测试验及技术方法研究 年月 GPS 2003933 、为避免多路径低频部分误差,可适当调高天线高b 度; 、适当延长观测时段以削弱这项误差对其的总体影c 响; 、观测实施中,可采用预报的方法,在不同期观测中d 尽可能获取相同或相近的卫星星座结构,以使卫星信号的方向性基本等同。 提高整周模糊度的解算精度5 对于相对载波相位GPS 测量,为了得到精确的垂直位置,正确的解算整周模糊度是非常重要的。因为,整周未知数的浮点解在垂直方向上总是有的误差,甚至更大。因此,应尽可能多1.2 cm 的获取GPS 数据,提高整周模糊度的解算精度。 削弱起算点位置误差对基线解算的影响 6 基线解算中采用伪距单点定位结果作为起算点,如果这种点的点位精度为,相应导致的大地高误差在20 m 0.510-6 3.010-6 之间。因此,应选择精度较好的点作为基线解算的起始点如精度好于。随着我国级网和级网的0.5 mA B 完成,目前获得这种点是较容易的。结论 4 可以通过曲面拟合方法计算 1GPS 点的高程,但这一方法将不同程度的损失观测成果的精度,因此,应用时应注意联测水准点的个数及分布情况,以保证其成果的精度及可靠性; 矿区开采沉陷观测主要是为了求得各点的下沉2 值,对基线向量中高程分量的精度要求较高。由于一GPS 个点上大地高的变化量与同期正常高的变化量是一致的, 去除地球椭球面法线与沿垂线方向的差异即垂线偏差的影响,这样就可以用一点各时期测定的大地高直接GPS 计算该点的下沉量,这样避免了由于高程系统转换损失的 精度; 观测成果和常规水准测量结果的对比及开3 GPS 采沉陷水准测量的精度和可靠性检验试验,说明用GPS 进行开采沉陷观测可达到较好的精度,并具有较好的GPS 可靠性,可以满足开采沉陷的下沉观测要求。 在实施开采沉陷观测时必须研究测高4 GPS GPS 中的误差影响,制定切实可行的措施,以削弱各种误差对测高的影响。 参考文献 徐绍铨等.高程拟合系统的研究.武汉市测绘科技大学 [1] GPS [J]学报,19994 . 岳建平等.工程水准测量的精度及其应用.测绘通 [2] GPS [J]报, 199912. 李永朴.高程应用的理论基础及分析.地矿测绘, [3] GPS [J] 19993. 煤科总院唐山分院,山东科技大学.进行矿山变形连续监 [4] GPS 测理论与技术方法研究.煤炭基金课题研究报告,[R]1999.李征航.测高精度的研究.武汉测绘科技大学学报, [5] GPS [J]19933. 王爱生沉降观测的实践及减弱误差的措施测绘工程, [6] . GPS [J].20012. 收稿日期 2003-06-25作者简介高均海,男,河北清苑人,煤科总院唐山分 1963-院高级工程师,中国矿业大学北京校区在读博士,从事测绘新技术研究,完成多项部级以上科研项目并项获部级科技进步奖, 5发表论文余篇。20上接第页 35变形的点相对内移,用这三个点的最外点求取的移2mm/m 动角势必增大。采深大,上覆岩层中弯曲带厚度增大,而在弯曲带中第四纪冲积层除外,开采影响传播方向是偏向岩层的法线方向,所以造成开采影响传播角变小,开采影响传播系数增大。 结语 4 根据大量的实测资料,系统总结了徐州矿区的地表移动规律和地表移动参数。所求规律和参数,对正确指导矿区安全生产,合理开展“三下”采煤,具有重要意义。 致谢在资料处理过程中,许建军、郑志刚等同志作了大量工作,在此表示感谢 参考文献 国家煤炭工业局建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与[1]. 压煤开采规程煤炭工业出版社,。 [S]. 2000王金庄,张永岭等地表移动主要参数的计算全国矿山[2]. [C].84测量学术会议论文集,。 1984收稿日期 2003-06-20作者简介滕永海,男,山东夏津县人。研究员中1963-,国矿业大学北京校区在读博士。年毕业于山东矿业学院,1983一直从事岩移理论与“三下”采煤技术研究。现任煤炭科学研究总院唐山分院矿山测量研究所副所长,公开发表论文 37篇,曾获孙越崎青年科技奖。