开采沉陷gps观测试验及技术方法研究.pdf

第 3 期 2 0 o 3 年9月 矿山测量 M E S URVEYI NG N Q_ 3 S e a t ． 2 0 0 3 开 采 沉 陷 I 5 } 尸 观 测 试验 及 技 术 方 法研碗 高均海 1 ． 中国矿业大学 北京校区 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ． 煤炭科学研究总院唐 山 分院，河北 唐山0 6 3 0 1 2 j 膏 要丈中介绍了用 G P S 进行开采沉陷观测中的若干问题及其解决方法，提 出了开采沉陷现测中的下沉值可应用大地高变化量的替代 方 法，并检 验 了开 采沉陷 GP S现测的 重复观 测精度 及可 靠性 ；同时对 GP S观 测误差及有 关减弱误 差的措施进行 了分析 ． 关键词开采沉陷G P S观测；观测精度；可靠性 中圈分类号I 2 2 8 ． 4 文献标识码B 文章编号章1 0 0 1 ． 3 5 8 X 2 0 0 3 0 3 - 0 0 3 1 - 0 3 由于GP S定位技术具有速度快、精度高、全天候，并 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G P s平面控制网已经在 许多工程中得到应用，大量的实践数据表明，GP S平面控 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G P S技术求得的是地面点在WGS ．8 4坐标系中的大地高，而目前我国的实用高程系统采用的 是正常高，所以，在需要高程的工程 中，必须实现G P S大 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。 GP s观测数据经转换 、平差等数学处理后，可得到两 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G P S观 测的误差及有关减弱误差的措施进行了分析。 1 G P S 高程测量基本方法一曲面拟合法介绍 G P S观测数据通过特殊的数学处理 ，可精确地得到地 面点在WGS - 8 4坐标 系中 的坐标 。经转换 、平 差等处理 后，可得到我们常用的北京5 4 、西安8 O或我们需要的地方 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 1 和附图。 H N ‘ 1 式中 地 面点的大地高 ； 一 正高； 一 正常高； 大地水准面差距 ‘ 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 l ， 由它 引入的 高程 误 差不大 于0 ． 1 mm，完全可以忽略不计。 附图大地高，正常高和正高之间的关系图 由于G P S水准测量得到的是地面点的大地高，而通 常 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G P S观测了该点的大地高，则 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GP S点，求得各点的高程异常值 ，再用 曲面拟 合的方法来逼近似大地水准面，以求得其它GP S点的高程 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 ， 3l 维普资讯 第 3期 矿山测量 2 0 0 3年 9月 用已联测水准的G P S点的高程异常来拟合该函数，在求得 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 常高。常用的拟合 函数为二次曲面函数 ，其 拟合模型为 ‘ a Ix k a 2 一g k 2 在采用二次 曲面拟合时，一般应用6个以上的GP S水 准点，当测区的联测水准点少于6个时，可采用平面函数 拟合，这时的拟合模型为 ‘ a 0 a 1 x k 一g k 3 在实际 r 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。 2 开采沉陷G P s 测量的理论分析及精度和可靠性检验 2 ． 1 开采沉陷GP S测量的理论分析 GP S测量成果通过坐标转换等数学处理，可求得我国 北京5 4系或矿区坐标系高精度的平面坐标和大地高。由于 外采沉陷观测主要是为了求得各点的下沉值 ，对GP S基线 I ，n J 量一 卜 高程分量的精度要求较高。如果将GP S测定的大地 高转换为常用的 常高，各点的高程异常值难 以精确 求 定，即使通过． 述拟合方法，也会影响成果精度。不过一 个点一 卜 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G P S大地高直接计算该 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 G P S 测量试验及精度分析 为榆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 GP S和常规水准测量，两种方法观测的下沉成果参见表 l 。 从表l中可以看出去掉具有粗差的观测结果后，GP S 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 存 0～2 O mm之问。但表l巾有部分值大 于2 O mm，经分 析认为，测点接高误差及GP S观测时，存在仪器高量取误 差等原因，使这些点的下沉值相差偏大。可以认为GP S观 测结果 与常 规测 量结 果一 一 致 。 2 ． 3 开采沉陷 GP S水准测量的可靠性检验 为检验开采沉陷GP S水准测量的重复观测精度及可靠 性，我们对 稳定地区的多条基线进行 了多时段的观测 。 山丁选择 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 线的大地高分量 为 一 定值 ，其存在的差 值是山观测误差引起的。多条基线不同时段的观测结果参 见表 2 本次选用两条基线三个时段 。 从表2可 以看 出， ’ 多时段观测 的基线两端的大地高差 互差小丁l 0 mm。这说明不 同时段的重复观测精度是很高 的，町以认为戍用这种方法进行_了 r 采沉陷GP S测量，其结 果 是可靠的 。 3 2 表 l 两种方 法观蔫的下 沉成果 单位 mm 基 基线 长 大地高 差 大地高差 大地 高差 最大互差 线 m 1 m 2 m 3 m 衄 3 G 嗍测精度分析及藏弱误差的措施 影响G P S 观测的误差是多方面的，实施开采沉陷G P S 钡 0 量 必须研究G P S 澳 4 高中的误差影响。下面将重点对影响G P S 观测 的误差进行分析并提出减弱这些误差的措施。 1 削弱 卫星不对 称N - G P S 定位 的影响 卫星在 垂直方 向一 I- ． 几何图形的强弱是用垂直精度衰减因子 V D OP 来描述 的，因此，设计和实施G P S 测量时，尽可能在时间和地点上 使 VD OP小。 2 削弱对流层延迟改正不精确的影响对流 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G P S 定位 中高程 精度不如平面精度的另一主要原因。 3 削弱卫星星历误差的影响当用预报星历时，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G P S 生产厂家的后处理软件能用精密星历进行 解算。 4 减弱多路径效应的影响 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。 n 、在低反射特性物周围选定监测点。反射程度从大到 小依次排序为 建筑物、高压线 、水面、地面、 星自身； 维普资讯 3期 高均海开采沉陷 G P S观测试验及技术方法 2 0 0 3年 9月 b 、为避 免多路径低频部分误差 ，町适 当调高天线 高 度 ； 。 ． C 、适 当延长观测时段 以削弱这项误差对其的总体影 响 ； d 、观测实施中，可采用预报的方法，在不同期观测中 尽可能获取相同或相近的 星星座结构，以使 星信号的 向性基本等同。 5 提高整周模糊度的解算精度对于相对载波相位 G P S I] 量，为了得到精确的垂直位置， 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 卜总是有1 ． 2 c m的误差 ，甚至更大。因此，应尽可能多 的获取GP S 数据，提高整周模糊度的解算精度。 6削弱起算点位置误差对基线解算的影响基线解 算c l l 采用伪距 点定位结果作为起算点，如果这种点的点 位精度为2 0 m，相应导致的大地高误差存0 ． 5 x 1 ～ 3 ． 0l 0 问。冈此，应选择精度较好的点作为暴线解算的 起始点如精度好于0 ． 5 m 1 。随着我国A级网和B级网的 完成，目前获得这种点是较容易的。 4 结论 1 可以通过曲面拟合方法计算GP S 点的高程 ，但这 。 法将 同程度 的损失观测成果的精度 ，因此，应用时 麻注意联测水准点的个数及分 情况，以保证其成果的精 度及可靠性； 2 矿区开采沉 陷观测主要是为了求得各点的下沉 值 ，对GP S綦线 向量 叶 l 高程分量的精度要求较高。由于一 个点． 卜 大地高的变化量与 同期 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‘ 点各时期测定的 GP S大地高直接 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； 3 GP S观测成果和常规水准测量结果的对比及开 采沉陷GP S水准测量的精度和可靠性检验试验 ，说明用 G P S进行开采沉陷观测可达到较好 的精度，并具有较好的 可靠性，可以满足开采沉陷的下沉观测要求。 4 在实施G P S I 采沉陷观测时必须研究GP S测高 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 [ 1 】1 徐绍铨等．GP S高程拟合系统的研究[ J 】 ．武汉市测绘科技大学 学报 ，1 9 9 9 4 ． c 2 】 岳 建平等．工,T i G P S水准测量的精 度及其应用 ．测绘 通 报 ， 1 9 9 9 1 2 ． [ 3 】李 永 朴． GP S高程应 用 的 理论 基 础 及 分 析 【 J 】 ． 地矿 测绘 ， 1 9 9 9 3 ． [ 4 】煤科总 院唐 山分院 ， 山东科技 大学．GP S进 行矿 山变形连续 监 测理论与技 术方法研究 【 R 】 ．煤炭 基金课 题研 究报 告 ，1 9 9 9 ． [ 5 】 李征航 G P S测 高精度的研究[ J 】 武汉测绘科技 大学学报 ， 1 9 9 3 3 ． [ 6 】 王 爱生． GP S沉 降观 测的 实践及减 弱误 差的措 施 [ J 】 ． 测绘 工程 ， 2 0 0 1 2 ． 作者简介高均海 1 9 6 3 ． ，男，河北清苑人，煤科总院唐山分 院高级工程师 ，中国矿业大学 北京校区在读 博士 ，从 事j 奠 } 绘新 技 术研究，完成多项部级以上科研项目并5 项获部级科技进步奖， 发表论文 2 0余篇 。 收稿 日期 2 0 0 3 ． 0 6 ． 2 5 1- ． 接第 3 5页 变形2 mm／ m的点相对 内移，用这三个点的最外点求取的移 动角势必增大。采深大，． 卜 覆岩层中弯曲带厚度增大，而 在弯 曲带r l I 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， I 采 影响传播系数增大。 4 结语 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 确指导矿 区安令生产，合理开展 “ 三下”采煤，具有重要意义。 致谢在资料处理过程巾，许建军、郑志刚等同志作 了大量。 I 作，存此表示感谢 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 压 煤开采规程 [ S 】 ． 煤炭 工业 出版社 ，2 0 0 0 ． [ 2 】 王金庄，张永岭等． 地表移动主要参数的计算[ C 】 ． g 4 。 全国矿 山 测量学术会议论 文集 ，1 9 8 4 ． 作者简介 滕永海 1 9 6 3 ． ．男．山东夏津县人。研究员 ， 中 国矿业大学北京校区在读博士。1 9 8 3 年毕业于山东矿业学院． 一 直从事岩移理论与 q 三下 采煤技术研究。现任煤炭科学研 究总院唐山分院矿山溺■研究所副所长， 公开发表论文 3 7 篇，曾获孙越崎青年科技奖。 收稿 日期2 0 0 3 - 0 6 ． 2 0 3 3 ≤ 逸 蠡 ， 维普资讯