摘要：近井點作為礦井聯系測量的基準，一般對點位的精度要求較高，GPS技術有著全天候、自動化、選點靈活、可同時測定點的三維位置與速率等優點，主要介紹了采用GPS技術建立近井點的方法，并結合某礦區工程實踐，詳細介紹了近井點的建立、外業觀測以及內業數據處理的理論與方法等內容，并結合單參考站CORS系統進行了RTK測量試驗。結果表明，外業觀測質量合格，平差處理與坐標轉換模型可靠，采用E級GPS網建立近井點，精度可靠，而RTK方法僅適用于建立平面近井點，高程基點的精度有待于進一步提高。
關鍵詞：GPS,近井點,坐標轉換,高程擬合,CORS
1 前 言
在礦山工程中，為了使井下坐標系統與地面相統一，通常在井口附近建立近井點，然后采用井上下聯系測量的方法，以地面近井點為基礎，將地面坐標和高程傳遞至井下[1]。而作為起算數據的近井點精度要求相對較高，根據《煤礦測量規程》，近井點的精度，對于測設它的起算點來說，其點位中誤差不得超過±7 cm，后視邊方位角中誤差不得超過±10″;高程精度一般不低于四等水準的精度[2]。
近井點的測量，平面測量一般可采用三角網或者導線測量的方法，高程測量一般采用水準方法;三角網對通視條件要求較高，導線測量則需多個測站才能將坐標傳遞到井口。GPS技術具有全天候、自動化、選點靈活、可同時測定點的三維位置與速率等優點，伴隨著GPS技術的發展，GPS已在高精度大地測量、變形監測等領域得到了廣泛應用[3]，這就為近井點測量提供了一種全新的技術手段，而基于RTK技術的單參考站CORS系統是GPS技術發展的又一個里程碑。
本文主要介紹了采用靜態GPS技術建立近井點的技術要求、外業數據采集與質量檢核、內業平差與坐標轉換原理，并通過工程實例驗證了其精度，并采用礦區單參考站CORS系統進行了RTK近井點測量的試驗研究。
2 采用GPS技術建立近井點的技術要求
2.1點位的要求
近井點是礦山測量的基準點，因此，在建立近井點時，應盡可能埋設在便于觀測、保存和不受開采影響的地點，便于實現井上下聯系測量，而GPS測量一般要求地面有一點的高度角且不受電磁干擾。采用GPS技術建立近井點，一般應滿足以下條件[4]：
1)點位應埋設于井口附近便于保存和不受開采影響的穩定區域;
2)點位周圍便于安置天線和GPS接收機，視野開闊，視場周圍障礙物的高度角一般應小于15°;
3)應遠離大功率無電線發射源及有電磁波反射強烈的物體，以減弱多路徑效應的影響;
4)點位應考慮便于用其他測量手段的聯測和擴展;
5)多井口礦井的近井點應統一合理布置;
6)尤其要注意大功率礦井設備對GPS信號的影響。
2.2 技術指標
GPS測量可分為靜態測量、實時動態(RTK)測量、動態測量等幾種方法，鑒于近井點的精度要求，一般采用靜態GPS觀測的方法進行。
根據《全球定位系統(GPS)測量規范(GB/T 18314-2009)》以及《煤礦測量規程》的要求，建議采用E級以上精度進行， E級網觀測的技術指標如表1所示。
3 采用靜態GPS網建立近井點
3.1 工程概況
河北省某礦區為實現資源整合，欲在地面兩獨立礦井的副井(分別記為井A、井B)井口建立統一的近井點，以便實現井上下聯測測量，為下一步兩井貫通服務。兩井均為立井開拓，礦井之間距離3.4km。礦區范圍內有大地測量控制網，經實地勘測，選取兩礦井附近的三個三等三角點(C1、C2、C3)作為起算數據，分別在井A和井B的井口附近布設了A1、A2、B1、B2、B35個近井點，如圖1所示。
3.2 外業觀測
本次外業觀測采用上海華測X90型GPS接收機4臺，觀測3個時段。結合測區的交通條件、GPS網的設計網形及測站位置，制定觀測計劃，接收機調度方案見表2。其中，為避免同一礦井的近井點之間的短基線對整個控制網的影響，兩者之間未進行同步觀測。
在外業觀測過程中應注意的問題有：
1)觀測組按照調度表規定時間作業，保證同步觀測;
2)開機前后各量取天線高一測回，每測回從不同部位量取三次，兩測回天線高之差不大于3mm;天線高的量取部位，在作業前統一規定，并在記錄薄中詳細記錄;
3)在作業過程中，要認真輸入測站名，觀測日期，時段號，開關機時間以及天線高等信息;
4)一個時段觀測中，不得關機又重新啟動、自測試、改變衛星高度角及數據采樣間隔、改變天線位置，關閉或刪除文件等;
5)原始觀測值和記錄項目，按規定現場記錄，字跡清楚，不得涂改、轉抄。
3.3 基線向量解算
本控制網采用隨機軟件Compass 7.2進行解算，在解算過程中，應注意以下事項：
1)基線向量的解算是一個復雜的計算過程。實際處理時要顧及時段中信號中斷引起的數據剔除、劣質觀測數據的發現和剔除、星座變化引起的整周未知參數的增加，進一步消除傳播延遲改正以及接收機鐘差重新評估等問題。
2)對于20km以內的短基線，單頻數據通過差分處理可有效地消除電離層影響，從而確保相對定位結果的精度。當基線長度增長時，雙頻接收機消除電離層的影響將明顯優于單頻接收機數據的處理結果。
3)基線向量的解算是否合格，應從兩個方面進行評價。第一，合格的數據是否執行了合理的估計。該標準能否滿足的主要標志是基線分量誤差的大小，若該值大于對測站坐標進行的先驗約束值，則會發現大量的觀測值被剔除掉。第二，數據模型與噪聲水平是否適應。該標準能否滿足的主要標志是解的正態中誤差nrms。如果數據是隨機分布且定權正確，則nrms應接近于單位權中誤差。實際上，一個好解的nrms通常約為0.25。當nrms大于0.5時，則意味著周跳未完全剔除，或者還有其它參數要估計，或者存在嚴重的模型問題(如固定站坐標較差，或衛星未模型化等)。若最終結果滿足這兩個標準，則說明結算結果是合格的。
本控制網經過基線解算，總共解算出有效基線18條，能夠滿足下一步平差處理的需要。
3.4 外業觀測質量檢核與平差處理
觀測成果的外業檢核，是確保外業觀測質量，實現預期定位精度的重要環節。外業觀測成果的質量檢核項目，主要有同步邊觀測數據的檢核、重復觀測邊的檢核、同步環閉合差的檢核和異步環閉合差的檢核四項。表3給出了各項檢核的精度統計情況。
外業觀測成果的檢核，只能檢核觀測值中是否含有大量的粗差，而觀測值中小的粗差以及GPS網本身的精度和可靠性如何，還需要通過GPS網的空間無約束平差來實現。所謂GPS網的空間無約束平差是指平差在WGS-84三維空間直角坐標系下進行，平差時不引入可能使GPS網產生由非觀測量所引起的變形的外部約束條件。
由表中可知，同步邊最大相對中誤差為0.74 ppm，同步環最大相對閉合差為0.33 ppm，異步環最大相對閉合差為0.76 ppm;經三維空間無約束平差后，最大點位中誤差為0.0017 m(B2)，優于《規范》中E級網的要求。
3.5 坐標系統轉換與高程擬合
為將GPS測量成果轉換為地方參考系下的實用坐標和高程，必須進行坐標系統的轉換。以C1、C2、C3三個聯測點為基準點，平面坐標轉換采用四參數模型，由于礦區地表起伏較大，高程系統轉換采用二次曲面模型。
平面坐標系統轉換的四參數模型如下[6]：式中，為基準點的WGS-84坐標高斯投影后的坐標，為基準點在參考坐標系中的平面坐標為平移參數;k為尺度比;ω為旋轉角，單位為弧度。
高程系統轉換的二次曲面模型如下[7]：式中，a、b、c、d、e、g、m、n、l、s為未知參數，x、y為GPS點坐標轉換到地方參考系中的平面坐標。
4 單參考站CORS系統測量試驗研究
根據《全球定位系統實時動態(RTK)測量技術規范(試行)》， RTK測量可滿足平面一級、二級、三級平面控制測量和五等高程控制測量。為了研究采用RTK技術進行近井點測量的可行性，采用礦區獨立單參考站CORS系統對5個近井點進行了測試，該CORS系統參考站建立在B礦井的工業廣場，覆蓋范圍為半徑15 km的礦區范圍。為保證測量精度，外業觀測時，用戶流動站采用簡易三角支架將測桿強制對中，每點觀測1min。表6給出了各近井點與靜態測量結果的較差統計情況。
從表6可以看出，采用CORS系統進行近井點的測量，與靜態方法相比，最大平面較差為0.036 m，仍能滿足《規程》規定的近井點的平面精度要求，而高程較差為0.061 m，高程精度超出了《規程》規定中對井口高程基點的要求。
5 結論與建議
1)GPS技術有著操作簡便、高效率、高精度等技術優點，采用GPS技術進行礦井近井點的測量，大大提高了作業效率，為礦山建立近井點提供了一種有效的技術手段;
2)采用RTK技術建立近井點，平面精度較好，可以滿足規范規定的技術要求;而高程精度有待于進一步提高，若適當延長觀測時間，或采用精密高程擬合模型，仍是可行的，有待于進一步的研究;
3)結合GPS觀測的特點以及近井點的要求，在建立近井點時，必須考慮井筒周圍的觀測環境是否適合GPS觀測。
參考文獻：
[1]張國良，朱家鈺，顧和和.礦山測量學[M].徐州：中國礦業大學出版社，2000
[2]中華人民共和國能源部，煤礦測量規程[S]，北京：煤炭工業出版社，1989
[3]陳俊勇.世紀之交的全球定位系統及其應用[J].測繪學報，1999，28(1)：6-10
[4]高健，王倩，張廣龍.GPS技術在建立礦區首級控制網中的應用及近井點的檢測[J].礦山測量，2000 (03)：50-52
[5]GB /T 18314-2001，全球定位系統( GPS) 測量規范[S]
[6]周忠謨，易軍杰，周琪.GPS衛星測量原理及應用[M].北京：測繪出版社，1996
[7]高偉，徐紹銓.GPS高程分區擬合轉換正常高的研究.武漢大學學報(信息科學版)，2004，29( 10)：908-911
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