利用GPS技术布设矿区控制网的方法
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[摘要]全球定位系统（GlobalPositioning SDtem，简称GPS）是测量领域的一项革命性的技术革新，它对传统的作业理念予以更新，促进了测绘科学技术的现代化发展。本文以古城煤矿为例，简述利用静态gps布设矿区控制网的方法。
[关键字]全球定位系统GPS；矿井地面控制测量；控制网精度
全球定位系统GPS是美国20世纪70年代研制用于军事部门的新一代卫星导航与定位系统，它具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的精密三维导航与定位功能，而且具有良好的抗干扰性和保密性。GPS技术率先在大地测量、工程测量等测绘领域得到了广泛应用，已成为矿山地面控制测量的主要方法。
1.测区概况
古城矿区位于山西省长治市屯留县李高乡，行政区划隶属屯留县和长子县共同管辖，地理位置：东经112°47′54″～112°59′34″，北纬为36°10′10″～36°18′07″，测区面积约为157平方公里。
测区地形属高原盆地内的河谷平原，地势较为平坦，特征为丘陵地带，总体地势北高南低，西高东低。该区属温带大陆性气候，年平均气温为8.9℃，年平均降雨量为583.9mm。风向多为西北风，最大风速14－16m／s。冻土期为每年十月至次年四月，最大冻土深度为75cm。
测区分布有数十个大小村庄、厂矿、养殖厂等，大部分为农作物耕地，场区道路四通八达，多数为年久失修的沥青、沙石、大车路等，208国道由北向南从测区东部通过，通行较为便利。另外移动电话通讯覆盖整个测区，异常发达。
2.GPS矿井地面控制测量
2.1GPS控制测量方案
采用全球定位系统GPS测量技术对古城矿区进行地面控制测量网的布设和测量，根据矿区地形特点，分两级建立测量控制网。首级控制网为GPS D级，控制点均匀地分布在矿井井田附近，点位选在视野开阔、易于扩展、土地坚实的制高点上，同时要考虑埋石后易于长久保存与使用方便；二级控制网以满足矿井建设和生产需要，参照《煤矿测量规范》，按照近井点的要求布设，等级为GPS E级。
2.2GPS接收机的选择
按照《全球定位系统（GPS）测量规范》要求，古城矿井建立了矿区D级、E级GPS控制网，根据矿区实际情况，GPS测量的接收机可选用南方测绘公司9600型单频静态GPS接收机，该设备静态测量标称精度：水平方向5mm+1ppmXD，垂直方向10mm+2ppmXD，D为基线长度，以公里计，满足GPS D级、E级测量要求。
2.3GPS选点原则
由于GPS测量观测站之间无需相互通视，而且控制网的图形结构比较灵活，为保证观测工作的顺利进行和可靠地保证测量成果精度，在选点工作开始之前，需要充分收集和了解有关测区的地理情况以及原有测量控制点的分布及保持情况，再确定适宜的观测站位置。GPS点的选点原则是：观测站远离大功率无线电发射源（如微波站、高压线等）；视野开阔，点的周围便于操作和安置接收设备；地面基础稳定，易于点的保存；观测站选在交通方便的地方，并且便于用其它测量手段联测和扩展；充分利用符合要求的旧有控制点；点位选定后，按规定绘制点之记，内容包括点位及略图、交通等情况。为保证GPS点能在地面或建筑物顶部长期保存，必须埋设稳定、坚固和耐久的标石，标石尺寸规格严格执行规程要求，标石的顶部中央嵌一金属标志且要注记GPS点的等级、时间及完成单位。按照古城矿井生产和建设需要，依据有关规程、规范的要求进行，各GPS点布设于生产矿井附近或长远规划建设的地方，以直接满足煤炭生产和建设的需要。
2.4GPS网观测方法
GPS测量采用相对定位方法，即在多个点上设置接收机，作同步观测，确定各点的相对位置，在满足可靠性、精度、效率的前提下，将同步图形有机地连成一个整体。为了保证矿区GPS控制网的精度和可靠性采用静态定位模式，同步图形的连接采用边连接方式构网，以进行同步图形闭合条件、异步图形闭合条件以及复测边检验，这样的构网方式具有良好的几何强度、可靠性指标及效益指标。
2.5GPS数据处理
GPS数据处理包括：基线向量的解算及GPS网的平差两个方面，基线解算前，对外业资料进行检查和验收，检验项目包括：测站数据；观测数据文件；基线简表；同步环闭合差检验；异步环闭合差检验；重复基线较差检验等，对不合格数据及时组织返工补测，以确保外业成果准确无误。基线解算模式采用多基线解算模式，解算成果采用双差固定解。
外业观测数据检验合格后应对GPS控制网的观测精度进行评定，即控制网的测量中误差应满足相应等级控制网的基线精度要求。GPS控制网按自由网进行平差，先在WGS-84坐标系中进行三维无约束平差，处理由于多余观测误差而引起的网内不符值，以反映GPS网的内部符合精度，提供各点在WGS-84坐标系中的三维坐标、各基线向量三个坐标差观测值的改正数、基线长度、基线方位及相关的精度信息等。在无约束平差确定的有效观测量的基础上，进行1954年北京坐标系二维约束平差和三维约束平差，联测的已知控制点数5个，平差结果输出在相应坐标系中的三维或二维坐标、基线向量改正数、基线长度、方位、转换参数及其相应的精度信息，控制网约束平差的最弱边边长相对中误差，应满足规范中相应等级的规定。
3.控制网精度指标统计
古城矿首级控制网（GPS D级）根据规范要求与高等级控制网点联测，点数不少于3个的要求，利用古城矿区已有的1：1万地形图，对已有控制点的等级和分布情况进行了综合分析研究，同时结合实地踏勘情况，确定以：连家庄（I等）、招圪堆（GPS C级）、东史（GPS C级）、李高（GPS C级）、北郜（GPS C级），五个点为平面坐标起算点。新选GPS D级点7个，加上原有国家四等点“航校”，共8个，此次D级观测点共13个，平均边长5-10公里。二级控制网采用在首级控制网GPS D级网点的基础上，布设独立观测边构成三角形网，共布点11个，均为埋石点，其中古城矿区主斜井工业场地4个，副井工业场地4个，桃园风井场地3个。点位的选、埋，根据古城煤矿建设管理处的生产和建设需要，依据《煤矿测量规程》的要求进行，布设于生产矿井附近，以便于生产建设使用。
4.结语
本文结合潞安集团古城矿实际情况，介绍了矿区地面GPS控制网的布设情况，相对于常规测量来说，GPS测量主要有以下特点：①测量精度高。GPS观测的精度明显高于一般常规测量，其相对定位精度可达1×10-6以上；②测站间无需通视。根据实际需要确定点位，使得选点工作更加灵活方便；③观测时间短，随着GPS测量技术的不断完善，软件的不断更新，在进行GPS测量时，静态相对定位每站仅需20min左右；④仪器操作简便。GPS接收机自动化程度越来越高，操作智能化，观测人员只需对中、整平、量取天线高及开机后设定参数，接收机即可进行自动观测和记录；⑤全天候作业。因GPS卫星数目多，且分布均匀，不受天气状况的影响，可保证在任何时间、任何地点连续进行观测，便于对工程的统筹安排，为准确快速提供测绘成果提供了可能性；⑥提供三维坐标。GPS测量可同时精确测定测站点的三维坐标，其高程精度已可满足四等水准测量的要求。总之，GPS技术在煤矿的建设开采中发挥着至关重要的作用，为建立绿色、安全、高效、新型可持续矿山提供了重要技术依据，是实现煤矿高效、安全生产的重要保证。