RTK技术在矿山测量中的应用-崔坤阳.doc

河河南南理理工工大大学学 毕业设计 论文 毕业设计 论文 论文题目 RTK 技术在矿山测量中的应用 所所 在在 系系 工工 程程 测测 量量 姓姓 名名 崔坤阳崔坤阳 专专 业业 测测 量量 工工 程程 技技 术术 班班 级级 高高 职职 测测 量量 2 2 班班 指导老师指导老师 王王 德德 盛盛 二零一零年四月十八日二零一零年四月十八日 摘 要 RTK技术 是GPS测量技术与数据传输技术的结合 是GPS测量技术中的 一个新突破 本文简要介绍了RTK技术基本工作原理及构成 阐述RTK技术的 技术特点及工作流程 分析影响RTK测量精度的主要因素 研究RTK技术存在 的问题和提高精度的技术关键 并结合矿区测量工程实例探讨RTK技术在矿山 地形测量和点位放样中的应用 分析RTK技术具体应用中的优势和优点 并就 RTK技术在实际应用中遇到的问题提出了一些有益的见解 关键词 RTK技术 基准站 流动站 矿山测量 放样 Application of RTK Technique to Mine Survey Abstract RTK technique is the integration of the GPS measurement technology and the data transmission technology is a new breakthroughs in GPS measurement technology This paper briefly introduces the constitute and the basic working principle of RTK technology describes the technical characteristics and work flow of RTK technique analyses the impact of RTK measurement accuracy main factors study on RTK technique of existing problems and that improve the accuracy of key technology and combined with engineering examples of mining area measuring in Tibet Lhasa Mozhugongka county jiama township for investigating RTK technique in the mining topographic survey and point of lofting analysis of RTK technique in the application of specific strengths and advantages and proposed the useful insights for RTK technique in the practical application of the problems Keywords RTK Technology Base station Moving station Mine surveying Setting out 目录目录 第 1 章 前 言 1 第 2 章 RTK 系统原理及构成 2 2 1 基本原理 2 2 2 RTK 测量系统的构成 4 2 3 Trimble5800 接收机简介 4 第 3 章 RTK 技术的特点及作业流程 8 3 1 RTK 的技术特点 8 3 2 RTK 技术的作业流程 9 3 2 1 内业准备 9 3 2 2 求定测区转换参数 9 3 2 3 基准点的安置和测定 10 3 2 4 GPS RTK 施测及放样 10 3 2 5 野外作业 11 结论 12 致谢 13 参考文献 14 1 第 1 章 前言 GPS全球定位系统 Global Positioning System 在矿山工程测量中的应用 在 最近的几年得到了迅速推广 这主要依赖于GPS系统可以向全球任何用户全天 候地连续提供高精度的三维坐标 三维速度和时间信息等技术参数 矿山工程 的测量主要应用了GPS的两大功能 静态功能和动态功能 静态功能是通过接 收到的卫星信息 确定地面某点的三维坐标 动态功能是通过卫星系统 将地 面点的三维坐标实时的施测并记录出来 也可把已知的三维坐标点位 实地放 样于地面上 常规的GPS测量方法 如静态 快速静态 动态测量都需要事后 进行解算才能获得厘米级的精度 而RTK是能够在野外实时得到厘米级定位精 度的测量方法 它采用了载波相位动态实时差分 Real Time Kinematic 方法 是 GPS应用的重大里程碑 它的出现为工程放样 地形测图 各种控制测量带来 了新曙光 极大地提高了外业作业效率 在RTK作业模式下 基准站通过数据 链将其观测值和测站坐标信息一起传送给流动站 流动站不仅通过数据链接收 来自基准站的数据 还要采集GPS观测数据 并在系统内组成差分观测值进行 实时处理 同时给出厘米级定位结果 历时不到1秒钟 流动站可处于静止状态 也可处于运动状态 可在固定点上先进行初始化后再进入动态作业 也可在动 态条件下直接开机 并在动态环境下完成周模糊度的搜索求解 在整周未知数 解固定后 即可进行每个历元的实时处理 只要能保持四颗以上卫星相位观测 值的跟踪和必要的几何图形 则流动站可随时给出厘米级定位结果 相对于GPS静态测量 RTK的实时性也给测量人员提出了更高的要求 因 为RTK测量缺少必要的检核条件 作业时如果处理不当 都将会给测量成果带 来严重影响 因此 让测量人员及时了解RTK的技术特点和掌握提高RTK测量 成果精度的技术关键 对RTK测量工作尤为重要 RTK技术应用于矿山测量工 作中 主要用于矿区控制点加密 地形测量 钻孔 剖面点 探槽 探井 坑 口 取样钻孔 地质点 近井点 坑口位置点的坐标放样与求测 工程作业调 度 地质填图等 本文以西藏拉萨市墨竹工卡县甲玛矿区测量为例 阐述RTK技术在地形测 量以及点位放样中的应用 2 第 2 章 RTK 系统原理及构成 2 1 基本原理 RTK 测量技术 是以载波相位观测量为根据的实时差分 GPS RTD GPS 测 量技术 实时动态测量的基本原理是在基准站上安置一台 GPS 接收机 对所有 可见 GPS 卫星进行连续地观测 并将其观测数据通过无线电传输设备 实时地 发送给用户观测站 在用户站上 GPS 接收机在接收 GPS 卫星信号的同时 通 过无线电传输设备 接收基准站传输的观测数据 然后根据相对定位的原理 实时地计算并显示用户站的三维坐标 其精度可达到厘米级 这样通过实时计 算的定位结果 便可监测基准站与用户站观测结果的质量和解算结果的收敛情 况 从而可实时地判定解算结果是否成功 以减少冗余观测 缩短观测时间 RTK 技术是实时处理两个测点载波相位测量的差分方法 载波相位差分方法分 两类 一类是修正法 即将基准站的载波相位修正值直接发给流动站 改正流动站 接收到的载波相位 然后求解流动站的实时坐标 该方法初始化速度慢 定位精度 差 称为准 RTK 技术 第二类是差分法 即求解起始相位整周模糊度 又称 RTK 初 始化 然后再进行实时差分 是真正的 RTK 技术 差分法要求基准站 GPS 接收机 实时地把观测数据及已知数据传输给流动站接收机 流动站快速求解整周模糊度 在观测到 4 颗或以上卫星后 可实时求解出厘米级的流动站位置坐标 RTK 技术的测量模式要求至少两台同时工作的 GPS 接收机 1 台置于基准 站 1 台置于流动站 利用载波相位差分技术实时处理两个测站载波相位观测 差分 基准站接收机通常设在一固定点上 已知点或未知点均可 通过基准站 系统采集来自可用卫星的原始数据 由串行端口送往待命的无线电发射机 发 射机对包装后的原始数据进行广播 有流动站电台接收基准站发来的包含基准 站接收 GPS 原始数据放入信息 电台将收到的基准站原始数据经串口转发至流 动站接收机 与此同时 流动站 GPS 接收机会在其当前位置采集本机的原始数 据 来自基准站 GPS 接收机与流动站 GPS 接收机的原始数据汇集在流动站接 收机中统一进行处理 从而计算出两个接收机之间的精确到厘米级的基线向量 最后 流动站接收机利用已知基准站位置和基线向量来计算流动站坐标 根据 基准站和流动站的工作原理 作业人员携带流动站系统在测区可快速精确的进 行定位测量 放样和地形测量等其它测量工作 3 整个系统由一个参考站 一个以上流动站 一个以上电台中继站及数据处 理系统四部分组成 它的基本原理是 参考站 流动站同时接收4 颗以上相同 卫星 初始化需5 颗 设立在已知点上的参考站 将接收到卫星信号及控制 器中输入的WGS 84 系参考坐标 借助于电台数据链实时地传送给流动站 流 动站将本机接收到地卫星信息和参考站发来的信号 现场实时处理出WGS 84 系坐标 并根据转换参数及投影方法实时计算出流动站的平面坐标和海拔高程 参考站包括一个由接收机天线 传感器 控制器组成的接收系统 配有带调制 解调器的发射电台一部 流动站包括一个由接收机天线 传感器 控制器组成 的接收系统 配有带调制解调器的接收电台一部 中继站由一个具有接收 发 射功能的电台构成 用于将参考站的数据信号差转给流动站 图 2 1 RTK 测量原理图 初始化标准差 用初始化检测值与已知值之差计算 此中误差是RTK观测 值相对于初始化起算点的 没有考虑起算点的误差 应该满足平面不超过 50mm 和高程不超过 20 mm 的要求 计算公式为 点位中误差 2 1 2 sSQRTn x y 高程中误差 2 2 SQRTn h 4 观测值中误差 用测站两测回之差计算 此中误差应该满足RTK测绘系统 标称精度的固定误差 即平面不超过 10mm和高程不超过 20mm 计算公式 为 点位中误差 2 3 2 2 sSQRTn x y 高程中误差 2 4 2 SQRTn h 观测成果中误差 用复测值之差计算 研究表明 可以利用验收复测值之 差计算的标准差应作为衡量RTK观测成果精度的主要指标 即规范中要求的点 位中误差 若作为1 500比例尺地形图的图根点 等高距为0 5m 则最弱点中误 差不超过 50mm 计算公式为 点位中误差 2 5 2 2 sSQRTn x y 高程中误差 2 6 2 SQRTn h 2 2 RTK 测量系统的构成 RTK测量系统主要由GPS接收设备 数据传输系统和软件系统构成 1 GPS接收设备在基准站和用户站上 分别设置双频GPS接收机 由于双频 观测值不仅精度高 而且有利于快速准确地解算整周未知数 当基准站为多用 户服务时 其接收机的采样率应与用户接收机采用率最高的相一致 2 数据传输设备 数据传输设备也称数据链 由基准站的无线电发射台与用户站的接收机组 成 其频率和功率的选择主要取决于用户站与基准站的距离 环境质量 数据 的传输速度 3 软件系统 支持实时动态测量的软件系统的质量和功能 对于保障实时动态测量的可 行性 测量结果的可靠性和精确性 具有决定性意义 这种软件系统突出的功 能是能够快速解算整周未知数 能选择快速静态 准动态 和实时动态等作业 模式 实时完成对解算结果的质量分析和评价 2 3 Trimble5800接收机简介 Trimble 高精度的 5800 GPS 接收仪是一部坚固的整合测量系统 双频天线 5 加强 5800 的追踪功能 获得专利的 Zephyr 天线提供了优于小于 1mm 的相位中 心稳定性 甚高频无线电天线的安装位置由于离开了 GPS 天线的可视区域 可 进一步增加精度 减少多路径效应并避免与 GPS 天线间的相互干扰 为扩大作 业覆盖范围和全面减小误差 5800 可以同频率多基站的方式工作 为了以最高 的精度覆盖更大的区域 5800 与 Trimble VRS GPS 网路技术完全相容 内置的 蓝芽功能使您得到真正的单杆无电缆测量方式 内置的 WAAS 和 EGNOS 功能 提供了无基站的实时差分定位 图 2 2 Trimble 5800 接受机 Trimble 5800 电源消耗量非常低 仅使用重量为 100 克的锂电池便可给接 收仪供电达 5 5 小时 Trimble 5800 使用环境满足 IPX7 规定 可以深入水下 1 米深处 满足任何工作环境要求 Trimble 5800 可以承受从 2 米高度落下到坚 硬的地面 Trimble 5800 有简单的单键操作功能 其 3 个 LED 状态指示器显示卫星锁 定 电源和无线电信号 Trimble 5800 GPS 系统理想应用于大范围定位 包括 可靠性和精度是外业工作最重要的因素 经过证明的 Trimble 外业设备提供了 6 稳定的可靠性和精度 5800 更具有非常轻便的优点 使它成为所有 RTK 移动 站中最理想的解决方案 定位精度 1 电码差分定位精度 水平精度 0 25m 1ppm RMS 垂直精度 0 55m 1ppm RMS 角度 1 弧秒 5 基线长度 2 静态及快速静态测量 水平精度 5mm 0 5ppm RMS 垂直精度 5mm 1ppm RMS 3 及时动态差分 水平精度 10mm 1ppm RMS 垂直精度 20mm 1ppm RMS WAAS 差分位置改正精度 5mRMS 初始化可信度 99 9 Port 1 控制器 计算机 外观电台 外界电源 Port 2 控制器 计算机 外挂电台 7 图2 3 Trimble 5800 底部连接图 图 2 4 Trimble 5800 手薄机图 如图 2 4 所示 Trimble 5800 手薄机初始页面显示有文件 键入 配置 测 量 坐标几何 仪器等功能设置 当我们开始新的作业时可先新建文件并选择好 坐标系统等 再配置好电台 各项检测完成后即可开始测量 8 第 3 章 RTK 技术的特点及作业流程 3 1 RTK 的技术特点 1 传统测量外业容易受到地形 气候 季节等诸多因素的影响 使测量精 度 作业速度都受到很大限制 在能见度低 通视条件差的情况下 有些测量 作业根本无法进行 而 GPS RTK 技术 解决了这个问题 它不受外界因素影 响 降低了作业条件要求 GPS RTK 技术不受季节 气候和成像等的影响 可 全天候进行野外测量工作 两点之间不要求满足光学通视 只要求满足 电磁 波通视 因此 和传统的测量方法相比较 RTK 技术受通视 能见度等因素 的影响和限制较小 在传统测量不易进行的复杂地区 只要能满足 RTK 测量的 基本条件 它都能够轻松地进行快速的测量和放样 2 测量定位精度高 数据安全可靠 测站间无需通视 误差相互独立 不 积累 不传递 在没有已知基准点或基准点被破坏而造成的控制点不足的地区 和由于地形复杂 地物障碍而造成的通视困难地区能快速的 高精度定位 只 要能满足RTK测量的基本要求 在规定的作业半径范围内 RTK测量的精度能 达到厘米级 传统的作业方法在进行测量和放样时需要逐级进行设站 造成误 差传递 累积 采用RTK进行测量 由于精度比较均匀 因此其误差相互独立 不会积累也不存在传递 3 综合测绘能力强 集成化 自动化程度高 数据处理能力强 易实现自 动化 基准站能够为不同用户提供多项信息输出 流动站利用内置软件控制系 统 在作业时 无需人工干预便可进行整周未知数的动态初始化解算 使辅助 测量工作极大减少 作业精度也自动控制和记录 从而使自动化作业指挥系统 的建立成为可能 由于 RTK 系统内集成了强大的测量和放样功能 工作十分方 便 观测过程中卫星数 PDOP 点位精度衰减因子 值 模糊值固定状况 点 位精度情况等均可在手簿上显示出来 一目了然 测量坐标 高程等随时可以 调出来使用 数据输入 存储 处理 转换和输出能力强 能方便地与计算机 连接和通讯 此外 手簿内还集成了一些测量小工具 使用起来较为方便 4 携带方便 操作简单 对作业条件要求不高 数据传输 处理 存储能 9 力强 与计算机 全站仪等测量仪器通信方便 以 Trimble 5800 RTK 为例 整 套 RTK 流动站设备的重量小于 5Kg 特别是在通行不便的山区携带更方便 并 可进行拆装 大大降低了劳动强度 这对于施测困难的地区尤为重要 此外 RTK 手簿内置中文菜单 测量人员参照使用说明能尽快熟练和掌握 5 作业人员少 节约人力 定位速度快 缩短周期 工作效率高 综合效 益高 RTK 流动站测量工作 大多数情况下只需要一人进行操作 而且几秒钟 即可完成一个点的测量工作 作业速度快 大大节省了工作时间和生产费用 提高工作效率 3 2 RTK 技术的作业流程 3 2 1内业准备 在实施GPS外业测量前 应事先对测区进行踏勘 根据矿山测量的特点完 成内业的准备工作 主要包括以下几个方面的内容 1 根据工程项目 设定工程名称 2 收集测区的控制点资料 包括坐标系及控制点是属常规控制网还是GPS网 外 业踏勘 视其控制点是否适合作为基准点 3 参数设置 基准站的数据采样率一般为4 5S 流动站的数据采样率一般 为1 2S 高度截止角通常设定为10度 4 若已知坐标转换参数 则输入手簿 5 实施工程放样前 内业输入每个放样点的设计坐标 线路方位角 以便 野外实时 准确放样 3 2 2 求定测区转换参数 矿山测量是在北京坐标系或独立坐标系上进行的 这就存在WGS 84坐标与 北京坐标系或独立坐标系的坐标转换问题 由于RTK作业要求实时给出当地坐 标 这使得坐标转换工作非常重要 1 对于较大型的测区事先测定转换参数 在RTK作业时 直接输人参数和 基准站坐标 利用高等级控制点同一点的2种坐标求出的转换参数 2 也可在RTK作业时临时求得转换参数 首先在对空视野开阔的地方设立 基准站并采集单点定位WGS 84坐标 然后流动站联测3个以上的高等级的控制 点 求解坐标转换参数 10 GPS RTK测量是在WGS 84 坐标系中进行的 而各种工程测量和定位是在 地方或北京54坐标系中进行的 它们之间存在坐标转换问题 GPS静态测量时 坐 标转换是在事后处理时进行的 而GPS RTK是用于实时测量 要求及时给出地方 坐标或北京54坐标 因此 首先必须求出测区的转换参数 计算测区的转换参数 需已知点至少3个以上 且分别有WGS 84地心坐标 北 京54坐标或地方坐标 该点最好选在测区四周及中心 均匀分布 能有效地控制测 区 为了检验转换参数的精度和可靠性 最好能利用最小二乘法选3个以上的点 求解转换参数 3 2 3基准点的安置和测定 为保证观测的精度和提高工作效率 基准站的安置应满足下列条件 1 基准站可设立在精确坐标的已知点上 也可设立在条件较好的未知点上 2 基准站安置应选择在地势较高 通视无遮挡 电台有良好覆盖区域的地 方 首选是测区中央地区 地势较高且交通方便 四周通视条件好 较为开阔 有 利于卫星信号的接收和数据链的发射 为了提高GPS测量数据的可靠性 选点时 最好选在电磁波干扰比较少的地方 以保证数据传输的可靠性 3 周围不产生多路径效应的影响及没有其他干扰源 以防数据链丢失 为防 止多路径效应和数据链的丢失 基准站200米范围内应无高压电线 电视差转台 无线电发射台等干扰源 周围应无GPS信号反射源 4 基准站电台的天线应架设在GPS接收机主机的北方 因为南北极附近是卫 星的空洞区 基于以上基准站设站的位置要求 基准站设于K9和K10 为保证测量成果的 质量 根据有关技术规范 对基准站和流动站的外业观测要求如表 表3 1 RTK 测量外业观测要求 观测站观测站卫星高度卫星高度 角角 有效观测有效观测 卫星总数卫星总数 观测时间观测时间 min min 采样间隔采样间隔 s s天线量高天线量高天线对中天线对中 精度精度 mm mm 基准站基准站 13 5 连续 5 测前 测 后 0 5 流动站流动站 15 5 35 固定高2m 2 注 基准站天线高度测前量3次 读数至1mm 互差不大于2mm 测后再量高 11 1次进行校核 取前三次高度平均值 3 2 4 GPS RTK施测及放样 在测区首级控制的基础上 利用点校正方法 求解坐标系统转换参数 选 择对天通视较好 四周无各种强电磁干扰源的地方设置基准站 当测区可见 GPS卫星数在5颗以上 PDOP值小于6时 一般只需5 15秒就可完成初始化而 得到固定解 每台移动站只需一人即可进行测量作业 每次开始作业应对已知 控制点进行检查 确保系统无误后 应用GPS电子手簿即可进行地形地物点 勘探坑道的采集或勘探线剖面 勘探工程点的放样作业 每点采集记录时间约 1 10秒 实时动态RTK数据处理相对简单 外业测量采集的实测坐标通过手簿 的数据传输系统 直接下载到计算机内 可进行图形编辑 也可经整理 分类 判断形成文件后直接打印出来 在勘探工程点放样上 RTK同样能实时地提供 导航数据 不仅可以使你快速找到点位 而且能提供定位精度 如在勘探线上 加放点和测点 依据GPS电子手簿显示的定线导航数据同样能使你快速上线 利用GPS RTK放样 无需对讲机传递导航数据和方向 GPS电子手簿导航画面 让你轻松快速上点 上线 极大提高了工作效率 减轻了测量人员的工作强度 3 2 5 野外作业 首先将测区坐标系间的转换参数输人到基准站GPS接收机实时动态差分的 软件系统中 然后将GPS接收机安置在基准点上 打开接收机 输人基准点地方坐 标 或北京54坐标 和天线高 GPS接收机通过转换参数将基准点的地方坐标 或北 京54坐标 转换成WGS 84 坐标 基准站同时连续接收可视卫星信息 并通过数 据发射电台将其测站坐标 观测值 卫星跟踪状态及接收机工作状态发送出去 流动站GPS接收机在跟踪卫星信号的同时 接收来自基准站的数据 进行处理后获 得该点的WGS 84坐标 再通过测区转换参数将WGS 84转换为地方坐标 或北京 54坐标 并实时显示 12 结论 RTK 技术以其定位精度高且均匀 观测时间短 可实时提供三维坐标 操作简便 可以全天候作业等特点 在测量工作中大大提高了工作效率 减轻 了劳动强度 越来越受到人们的青睐 运用 GPS RTK 技术测量得到的三维坐标 数据形成了相应的电子文件 这些数据便于保存并且能够方便建立工程管理数 据库攻其他工程使用 在进行测量时 主要注意事项是基准站选择要尽量在测区中心 位置空旷 开阔的较高点上 且周围无磁场的影响 这样流动站接收的信号好 并把观测 成果与首级控制成果进行整体平差 这样动态观测经平差后的精度就较高 RTK 技术应用于矿山地形测量 定位稳定性好 效率高 操作简单 方便快捷 精度能满足测量规范的要求 它不但能准确实时地测量三维坐标 还能进行放 样 并检查放样点的精度 随着科技的进一步发展 使用 GPS RTK 技术控制 的范围会更广 测