摘要：近井点作为矿井联系测量的基准，一般对点位的精度要求较高，GPS技术有着全天候、自动化、选点灵活、可同时测定点的三维位置与速率等优点，主要介绍了采用GPS技术建立近井点的方法，并结合某矿区工程实践，详细介绍了近井点的建立、外业观测以及内业数据处理的理论与方法等内容，并结合单参考站CORS系统进行了RTK测量试验。结果表明，外业观测质量合格，平差处理与坐标转换模型可靠，采用E级GPS网建立近井点，精度可靠，而RTK方法仅适用于建立平面近井点，高程基点的精度有待于进一步提高。
关键词：GPS,近井点,坐标转换,高程拟合,CORS
1 前 言
在矿山工程中，为了使井下坐标系统与地面相统一，通常在井口附近建立近井点，然后采用井上下联系测量的方法，以地面近井点为基础，将地面坐标和高程传递至井下[1]。而作为起算数据的近井点精度要求相对较高，根据《煤矿测量规程》，近井点的精度，对于测设它的起算点来说，其点位中误差不得超过±7 cm，后视边方位角中误差不得超过±10″;高程精度一般不低于四等水准的精度[2]。
近井点的测量，平面测量一般可采用三角网或者导线测量的方法，高程测量一般采用水准方法;三角网对通视条件要求较高，导线测量则需多个测站才能将坐标传递到井口。GPS技术具有全天候、自动化、选点灵活、可同时测定点的三维位置与速率等优点，伴随着GPS技术的发展，GPS已在高精度大地测量、变形监测等领域得到了广泛应用[3]，这就为近井点测量提供了一种全新的技术手段，而基于RTK技术的单参考站CORS系统是GPS技术发展的又一个里程碑。
本文主要介绍了采用静态GPS技术建立近井点的技术要求、外业数据采集与质量检核、内业平差与坐标转换原理，并通过工程实例验证了其精度，并采用矿区单参考站CORS系统进行了RTK近井点测量的试验研究。
2 采用GPS技术建立近井点的技术要求
2.1点位的要求
近井点是矿山测量的基准点，因此，在建立近井点时，应尽可能埋设在便于观测、保存和不受开采影响的地点，便于实现井上下联系测量，而GPS测量一般要求地面有一点的高度角且不受电磁干扰。采用GPS技术建立近井点，一般应满足以下条件[4]：
1)点位应埋设于井口附近便于保存和不受开采影响的稳定区域;
2)点位周围便于安置天线和GPS接收机，视野开阔，视场周围障碍物的高度角一般应小于15°;
3)应远离大功率无电线发射源及有电磁波反射强烈的物体，以减弱多路径效应的影响;
4)点位应考虑便于用其他测量手段的联测和扩展;
5)多井口矿井的近井点应统一合理布置;
6)尤其要注意大功率矿井设备对GPS信号的影响。
2.2 技术指标
GPS测量可分为静态测量、实时动态(RTK)测量、动态测量等几种方法，鉴于近井点的精度要求，一般采用静态GPS观测的方法进行。
根据《全球定位系统(GPS)测量规范(GB/T 18314-2009)》以及《煤矿测量规程》的要求，建议采用E级以上精度进行， E级网观测的技术指标如表1所示。
3 采用静态GPS网建立近井点
3.1 工程概况
河北省某矿区为实现资源整合，欲在地面两独立矿井的副井(分别记为井A、井B)井口建立统一的近井点，以便实现井上下联测测量，为下一步两井贯通服务。两井均为立井开拓，矿井之间距离3.4km。矿区范围内有大地测量控制网，经实地勘测，选取两矿井附近的三个三等三角点(C1、C2、C3)作为起算数据，分别在井A和井B的井口附近布设了A1、A2、B1、B2、B35个近井点，如图1所示。
3.2 外业观测
本次外业观测采用上海华测X90型GPS接收机4台，观测3个时段。结合测区的交通条件、GPS网的设计网形及测站位置，制定观测计划，接收机调度方案见表2。其中，为避免同一矿井的近井点之间的短基线对整个控制网的影响，两者之间未进行同步观测。
在外业观测过程中应注意的问题有：
1)观测组按照调度表规定时间作业，保证同步观测;
2)开机前后各量取天线高一测回，每测回从不同部位量取三次，两测回天线高之差不大于3mm;天线高的量取部位，在作业前统一规定，并在记录薄中详细记录;
3)在作业过程中，要认真输入测站名，观测日期，时段号，开关机时间以及天线高等信息;
4)一个时段观测中，不得关机又重新启动、自测试、改变卫星高度角及数据采样间隔、改变天线位置，关闭或删除文件等;
5)原始观测值和记录项目，按规定现场记录，字迹清楚，不得涂改、转抄。
3.3 基线向量解算
本控制网采用随机软件Compass 7.2进行解算，在解算过程中，应注意以下事项：
1)基线向量的解算是一个复杂的计算过程。实际处理时要顾及时段中信号中断引起的数据剔除、劣质观测数据的发现和剔除、星座变化引起的整周未知参数的增加，进一步消除传播延迟改正以及接收机钟差重新评估等问题。
2)对于20km以内的短基线，单频数据通过差分处理可有效地消除电离层影响，从而确保相对定位结果的精度。当基线长度增长时，双频接收机消除电离层的影响将明显优于单频接收机数据的处理结果。
3)基线向量的解算是否合格，应从两个方面进行评价。第一，合格的数据是否执行了合理的估计。该标准能否满足的主要标志是基线分量误差的大小，若该值大于对测站坐标进行的先验约束值，则会发现大量的观测值被剔除掉。第二，数据模型与噪声水平是否适应。该标准能否满足的主要标志是解的正态中误差nrms。如果数据是随机分布且定权正确，则nrms应接近于单位权中误差。实际上，一个好解的nrms通常约为0.25。当nrms大于0.5时，则意味着周跳未完全剔除，或者还有其它参数要估计，或者存在严重的模型问题(如固定站坐标较差，或卫星未模型化等)。若最终结果满足这两个标准，则说明结算结果是合格的。
本控制网经过基线解算，总共解算出有效基线18条，能够满足下一步平差处理的需要。
3.4 外业观测质量检核与平差处理
观测成果的外业检核，是确保外业观测质量，实现预期定位精度的重要环节。外业观测成果的质量检核项目，主要有同步边观测数据的检核、重复观测边的检核、同步环闭合差的检核和异步环闭合差的检核四项。表3给出了各项检核的精度统计情况。
外业观测成果的检核，只能检核观测值中是否含有大量的粗差，而观测值中小的粗差以及GPS网本身的精度和可靠性如何，还需要通过GPS网的空间无约束平差来实现。所谓GPS网的空间无约束平差是指平差在WGS-84三维空间直角坐标系下进行，平差时不引入可能使GPS网产生由非观测量所引起的变形的外部约束条件。
由表中可知，同步边最大相对中误差为0.74 ppm，同步环最大相对闭合差为0.33 ppm，异步环最大相对闭合差为0.76 ppm;经三维空间无约束平差后，最大点位中误差为0.0017 m(B2)，优于《规范》中E级网的要求。
3.5 坐标系统转换与高程拟合
为将GPS测量成果转换为地方参考系下的实用坐标和高程，必须进行坐标系统的转换。以C1、C2、C3三个联测点为基准点，平面坐标转换采用四参数模型，由于矿区地表起伏较大，高程系统转换采用二次曲面模型。
平面坐标系统转换的四参数模型如下[6]：式中，为基准点的WGS-84坐标高斯投影后的坐标，为基准点在参考坐标系中的平面坐标为平移参数;k为尺度比;ω为旋转角，单位为弧度。
高程系统转换的二次曲面模型如下[7]：式中，a、b、c、d、e、g、m、n、l、s为未知参数，x、y为GPS点坐标转换到地方参考系中的平面坐标。
4 单参考站CORS系统测量试验研究
根据《全球定位系统实时动态(RTK)测量技术规范(试行)》， RTK测量可满足平面一级、二级、三级平面控制测量和五等高程控制测量。为了研究采用RTK技术进行近井点测量的可行性，采用矿区独立单参考站CORS系统对5个近井点进行了测试，该CORS系统参考站建立在B矿井的工业广场，覆盖范围为半径15 km的矿区范围。为保证测量精度，外业观测时，用户流动站采用简易三角支架将测杆强制对中，每点观测1min。表6给出了各近井点与静态测量结果的较差统计情况。
从表6可以看出，采用CORS系统进行近井点的测量，与静态方法相比，最大平面较差为0.036 m，仍能满足《规程》规定的近井点的平面精度要求，而高程较差为0.061 m，高程精度超出了《规程》规定中对井口高程基点的要求。
5 结论与建议
1)GPS技术有着操作简便、高效率、高精度等技术优点，采用GPS技术进行矿井近井点的测量，大大提高了作业效率，为矿山建立近井点提供了一种有效的技术手段;
2)采用RTK技术建立近井点，平面精度较好，可以满足规范规定的技术要求;而高程精度有待于进一步提高，若适当延长观测时间，或采用精密高程拟合模型，仍是可行的，有待于进一步的研究;
3)结合GPS观测的特点以及近井点的要求，在建立近井点时，必须考虑井筒周围的观测环境是否适合GPS观测。
参考文献：
[1]张国良，朱家钰，顾和和.矿山测量学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2000
[2]中华人民共和国能源部，煤矿测量规程[S]，北京：煤炭工业出版社，1989
[3]陈俊勇.世纪之交的全球定位系统及其应用[J].测绘学报，1999，28(1)：6-10
[4]高健，王倩，张广龙.GPS技术在建立矿区首级控制网中的应用及近井点的检测[J].矿山测量，2000 (03)：50-52
[5]GB /T 18314-2001，全球定位系统( GPS) 测量规范[S]
[6]周忠谟，易军杰，周琪.GPS卫星测量原理及应用[M].北京：测绘出版社，1996
[7]高伟，徐绍铨.GPS高程分区拟合转换正常高的研究.武汉大学学报(信息科学版)，2004，29( 10)：908-911