| 标题 | CORSRTK技术在地表移动观测中的应用 |
| 范文 | 程诗广 摘 要：CORS RTK（Real Time Kinematic，实时动态）测量技术是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，能够实时提供GPS流动站在特定坐标系中的三维坐标，在有效测量范围内精度可达到厘米级。其中，综合了现代计算机、互联网数据通讯技术的连续运行卫星定位服务系统（Continuously Operating Reference System，简称CORS系统），较传统GPS-RTK大大提高了RTK数据传输效率、传输范围和测量精度。CORS系统由于具有建站成本低、实用性强、建站方法相对简单等特点，刘庄煤矿从实用性、经济性、可靠性综合考虑，建立了单基站CORS测量系统。在刘庄煤矿西三采区171306工作面地表移动观测站建立中，通过实例探讨了CORS RTK技术在本矿区的实际定位精度，论证了CORS RTK测量在平面精度能够满足地表移动观测站控制点连接测量及监测点首次全面观测精度要求，解决了GPS静态观测无法实时获得测点的当地坐标等缺点，在矿区具有良好的运用效果。本文对RTK技术的测量精度控制进行了初步分析，并对RTK测量的质量控制提出了相应措施，对CORS实时动态RTK模式作业具有一定的指导意义。 关键词：CORS RTK；单基站；坐标转换；地表移动观测站；质量控制 1 绪论 刘庄煤矿位于淮南煤田西部，东西走向长16km，南北宽35～8km，面积约82.2km2。本矿区为淮河冲积平原，地形平坦，村庄较密，济河流经本区东北部，流向东南。井田范围内，口孜东-刘庄-板集铁路横跨西一、西三、西四、东一采区。 本矿区岩移参数采用八十年代潘谢矿区移动观测站获取的移动参数，但由于地质采矿条件变化，为了研究巨厚松散层下采煤引起的地表移动变形规律及求取相关移动参数，更准确的对塌陷下沉进行预测预计，保障矿区铁路正常运行，应当建立地表移动观测站开展地表移动观测。传统的观测方法主要采用全站仪配合水准仪进行平面和高程测量来获取测点三维坐标。由于塌陷观测的时效性。平面、高程需要同步进行观测，需要大量的测绘人员，且测量效率低，制约了开采沉陷观测工作的有序开展。将RTK测量技术应用于地表移动观测，是目前移动观测发展的重要方向。本文通过对RTK技术进行精度分析，讨论满足于地表移动观测的测量方法。通过对单基站CORS RTK测量技术在刘庄矿区地表移动观测中的应用分析，提出可行的解决方法。 2 RTK定位技术分析 2.1 传统 RTK定位技术分析 实时动态（RTK）定位是以载波相位观测值为根据的实时差分GPS技术，它是GPS技术在测量应用中的一个重要突破。实时动态定位（RTK）测量系统由基准站、流动站和数据通讯组成，建立无线数据通讯是实时动态测量的保证，其原理是取点位精度较高的首级控制点作为基准点，安置一台接收机作为参考站，对卫星进行连续观测，流动站上的接收机在接收卫星信号的同时，通过无线电传输设备接收基准站上的观测数据，流动站上的手簿根据相对定位的原理实时计算显示出流动站的三维坐标和测量精度。[1] 无论静态测量定位，还是准动态测量定位等作业模式，得到的都是WGS-84坐标，须进行室内数据处理，进一步坐标转化才能得到当地坐标。由于滞后数据处理模式，无法实时解算测点坐标，并且无法对观测成果数据进行检验，难以保障观测数据的有效性。在实际测量过程中常常出现由粗差引起的不合格观测成果需要重测返工。目前，主要解决方法就是延长测点数据采集时间、选择作业时间窗口来保障测量数据的可靠性。然而，这样就降低了测量的工作效率。RTK技术的发展极大的改进了GPS定位测量模式，比较传统测量作业模式不但满足全天候作业，而且实时显示测量成果，以及实时显示数据观测质量，根据待测点的精度指标，选择合理的观测时间，可以有效减少冗余观测，大大提高了工作效率，降低了成本。在测图、放样等传统测量中发挥了及其重要的作用。 但RTK测量技术也同样存在自身缺点，由于RTK测量模式是通过差分方法来消除流动站和基准站之间的共有误差，随着流动站与基准站之间距离的增加，二者之间的相关性会逐步衰减，当距离超过5公里或者更远时，会出现整周模糊度无法固定，测量成果精度迅速下降的现象。[2]并且无线电台的发射功率与距离成反比，会随着距离的增加而信号衰减，导致RTK流动站接收不到差分数据。因此，作业半径成为制约RTK 的重要因素。另外，每次外出作业，需要架设基准站并进行校核，需要携带移动电源、脚架等大量设备，增加了大量的准备工作。 2.2 CORS RTK技术分析 近年来，连续运行卫星定位服务系统（Continuously Operating Reference System，简称CORS）成为GPS测量现代发展的重点，特别是基于单基站CORS 的RTK测量模式发展较为成熟，较常规GPS-RTK测量，其使用更方便，测量精度更高，覆盖范围更广。 单基站CORS-RTK较传统GPS-RTK的优势：（1）GPS-RTK由于受基准站作业半径限制，需要频繁移动设置基准站。而CORS RTK基准点为永久点，标称作业半径一般为50公里，减少了GPS-RTK模式频繁架设基准站所產生的误差环节。（2） GPS-RTK模式测量作业，数据发射电台需要外接移动电源来发送差分改正数据，电源有效时间素会影响作业有效时间。而CORS基准站能够实现全天候作业。（3）传统GPS-RTK采用无线发射电台发送差分改正数据，无线电台信号易受干扰，且信号随距离而衰减，信号转播距离有限。而CORS RTK采用GPRS/CDMA通讯，数据稳定、距离不受限制，只要有手机信号的地方就能接收到基准站的通讯数据。（4）传统GPS-RTK流动站每次测量作业前，都需要找已知控制点进行校正，控制点的选择，对测量成果起决定性作用。对于没有控制点的测区须进行控制测量。而CROS-RTK系统则无需校正，只需一次建立CROS基准站，选择测区转化参数即可，可轻松实现单人随时进行测量作业。 随着数字化矿山的发展，矿山测量任务越来越多。其中对于矿区地表移动观测站的建立和观测，使用传统的全站仪导线测量和静态GPS观测，在每个测点上花费时间太长，且内业数据处理工作量大，经济效益较低，并且对于数量较多的监测点，如果不能在一天内观测完，将不利于观测点移动数据分析，而RTK定位每个点只需几秒钟或几分钟，无需数据后处理，给这种快速的数据采集提供了有效途径。但是利用CORS RTK定位技术测量是否能够满足相应等级的精度要求，本文通过实例实验分析，对CORS RTK在地表移动观测站建立中的观测精度进行了分析，从而指导RTK作业。 3 矿区CORS基准站的建立 中煤新集刘庄煤矿位于阜阳市颍上县，井田区域为淮河冲积平原，地形平坦，且矿区周围布设有均匀分布的等级控制点。根据测量技术的发展及实际生产需要，2010年8月矿建立单基站CORS系统。GPS基准站的选址关系到参考站系统质量，根据覆盖矿区范围、视野开阔、远离强电磁干扰，方便维护与管理等原则。刘庄煤矿CORS基准站选址于矿内2#公寓楼楼顶，并与井田范围附近已知北京54坐标的控制点进行坐标联测，GPS控制网形如图一，其中宿舍楼为CORS基准点。 以上四个点均为2005年安徽省地质测绘院布设的C级GPS 点，其中许庄、高庄为三等水准点，顾庄、李庄为四等水准点。都具有北京54 坐标系下的平面坐标和85 国家高程。采用三台接收机每个点同步观测一小时，观测结束后，采用徕卡公司LGO软件进行基线解算，网平差，精度评定和坐标转换后确定基准站的北京54坐标和85高程。然后将平差得到的各点WGS-84平面坐标和椭球高与已知的北京54平面坐标和高程输入手簿，采用一步法七参数转换模型，求得刘庄矿区的坐标转换七参数，指导CORS RTK作业。 坐标转换参数求解方法：CORS RTK首先测得的坐标是WGS-84坐标系下的坐标，实际应用中一般需要当地坐标系下的坐标，如北京54坐标系下的坐标，这就需要求解坐标转换参数进行坐标转换。坐标转换参数一般根据两个以上控制点的两套坐标，建立两坐标系间的坐标转换模型，然后采用最小二乘法求解转换参数，并对转换参数的显著性进行检验。[3]根据控制点求解转换参数的方法一般有两种：一种是点校正法，即流动站不设置转换参数，直接测出已知控制点的WGS-84坐标，再将相应的当地坐标输入手簿，根据随机软件转换模型求取转换参数；一种是已知区域内多个控制点的WGS-84坐标和地方坐标，根据两套坐标及相应的转换模型，求解转换参数。其中包括四参数法（即平移参数，旋转角 和尺度因子 ）和七参数法（即平移参数，旋转参数，和尺度参数k），四参数法是求解同一椭球内不同坐标系之间的平面转换参数，要求至少两个及以上已知点坐标，七参数法求解的是两个不同椭球间的坐标转换关系，要求至少三个及以上已知点坐标。 对于四参数法，其应用较为灵活方便，但控制范围较小，对于大范围控制的参数求解，应采用七参数法，并要求参与求解的已知点要均匀分布在测量区域内，能够覆盖整个区域，以达到更好的转换效果。刘庄煤矿西一、西三、东一、东二采区处于四个控制点构成的封闭图形内部。 4 实例应用分析 口孜东-刘庄铁路线贯穿刘庄煤矿西三（17）采区，将受171305工作塌陷影响。因此，171305工作面回采前须建立地表移动观测站。该采区地面地形平坦，多为农田，分布两个村庄。地面标高在25.0m～26.5m之间，适合RTK作业。根据设计，171305工作面地表移动观测站有走向控制点6个，监测点60个，倾向控制点6个，监测点83个。采用CORS RTK进行放样埋点，待标石稳定后，进行连接测量和全面观测。为确定CORS RTK测量精度能否满足连接测量及全面观测精度要求。首先对观测站控制点进行了测量比较。 4.1 实例应用分析 本次实验目的是采用CORS RTK定位测量技术测定点位坐标，探讨其精度如何，是否能够代替GPS静态和全站仪进行地表移动观测站的连接测量和首次全面观测。本次实验流动站徕卡GPS接收机2台，用脚架代替对中杆实时动态定位。在171305工作面地表移动观测线已知控制点上架设GPS流动站接收机，每站分别观测3分钟，5分钟和10分钟，每站各独立观测14次，以控制点已知平面坐标和高程作为参考，取其中一点（已知坐标为X：30315.870，Y：3179.585，Z：26.7843）为例，其CORS RTK作业模式的平面成果与已知坐标较差如图二、图三、图四，高程成果对比如表一。 二到图四分别为观测三分钟、五分钟和十分钟时，CORS RTK测量的平面坐标与实际坐标的点位较差，可以看出，定位精度基本在2cm以内，可应用于城市、矿山等区域性的控制测量、工程测量和地籍测量（根据测量规范规定，四等平面控制网最弱点的相对点位中误差不超过±5cm）。另外，从图中可以看出，观测三分钟时，点位误差波动较大，而观测五分钟和十分钟时，波动相对平滑，取平均值后精度得到提高，并且对于地表移动观测站重复观测求取相对移动变形量，这种方法更为适用，所以综合考虑测量精度和工作效率，本次移動观测站连接测量平面控制部分采取CORS RTK动态观测五分钟，独立观测2次，并取平均值做为定位结果，当出现较差超限，增加观测次数。 根据表一数据及相关文献资料可知，CORS RTK测量平面精度受外界影响因素较小，而高程精度受影响较大。表一中，CORS RTK高程数据与实际高程较差部分很小，但某些时刻却相差很大，如三分钟时的3.67cm，五分钟时的2.27cm及十分钟时的-1.13cm等， 主要是受仪器高量取误差、电离层折射、多路径效应及地球高程异常等因素的影响，高程精度无法满足连接测量高程要求。决定观测站控制点高程连接测量采用三等水准观测，12个测线控制点按两条符合水准路线联测许庄、高庄已知水准点。全面观测采取四等水准。 为试验目的，后期在两条测线两端各取一个高程控制点，对转换模型再次拟合测区的似大地水准面。 4.2 移动监测 在应用CROS-RTK进行全面观测过程中，为了提高内部符合精度，每测站观测2次，每次观测时间为1分钟，仪器用脚架、对点器进行对中整平。为检验CROS-RTK高程数据的精度，采用四等水准测量方法对局部视线条件良好的16个监测点进行了水准观测。经测量成果分析，CORS-GPS拟合高程与水准测量高程较差为2-10mm之间，完全满足四等水准的精度要求。 本次监测工作目前已进行6期（两次连接测量，四次全面观测），连接测量观测时采用三脚架对中，每站观测三分钟。全面观测每站观测1分钟。总计155个观测点，利用现有的两台CROS-RTK流动站两人两天就可以完成，较传统方法，极大的提高了工作效率。 4.3 数据分析 通过对6期观测成果资料的整理分析，H方向测量标准差最大为2.7 mm，最小为0.2 mm，点位中误差见表2；可知RTK观测满足精度要求，而且其误差分布均匀、稳定。 5 总结 通过CORS-RTK测量方法在171306工作面的实践经验可知： （1）CORS RTK技术可以快速、准确地获得测点平面位置，精度可达厘米级，完全能够满足矿山测量控制点的精度要求，且不需数据后处理直接得到测点的当地坐标，省去大量内业工作，极大提高了工作效率。 （2）使用CORS RTK定位时，当测区超出所建坐标转换参数适用范围时，应重新选择均匀分布于测区外围三个以上的高等级控制点求解相应的转换参数。在高程方面，高程的转换必须精确，要求尽量在测区内分布均匀的控制点上联测，建议用水准测量提高高程测量精度，以求得比较精确的高程转换参数。可以采用GPS水准拟合的方法得到高精度的区域似大地水准面。CORS-RTK拟合高程测量可以达到四等水准测量精度要求。精度满足地表沉降观测全面观测及日常巡视测量的要求。 （3）CORS RTK可以部分取代常规测量方法进行矿区开采沉陷监测，其具有的高效、简便、高精度、不必控制测量等优势，使得矿区开采沉陷监测的效率得到了极大的提高，应用前景必将十分广阔。但是，要注意在局部障碍地区初始化时间长或不能初始化，在信号不好的时候，无法固定解时。须配合常规测量方法，以避免出现较大测量误差。 参考文献： [1]劉茂海.GPS技术在公路测量中的应用.呼伦贝尔学院学报，2004.02.29. [2]王智超.单基站CORS-RTK精度测试与分析.大连理工大学硕士论文，2013，06，01. [3]陈帅.基于RTK技术的开采沉陷监测系统的设计及实施.安徽理工大学硕士论文，2012，06，01. |
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