RTK技术原理及在水泥原料矿山测量管理中的应用

  摘要：大型水泥原料矿山测量技术管理是一项系统、繁琐又艰苦的测绘工作。传统的测量仪器有经纬仪、水准仪、测距仪、及全站仪等，测量方法有导线测量、交会测量等，其共同特点是测点和控制点间必须通视，因此不能进行大面积的测量工作，而且需要3个工作人员以上，费时费力，效率低下，常常受天气影响不能有效工作。近十年来国产GPS系统不断完善及硬件、软件的提高，特别是“北斗”卫星导航定位系统成功在亚太地区的应用，RTK技术其简单高效的特点被广泛应用于矿山地形图测绘、各种工程放样、控制测量以及矿区界址点寻找等方面，很受矿山测量管理人员欢迎。目前，RTK技术定位精度达到厘米级，能满足矿山工程需要。

  一、GPS-RTK技术

  RTK（Real-Time  Kinematic）技术又称载波相位差分技术，是以WGS-84坐标为基础的全球通用的一种动态测量技术，实时处理基准站、移动站两个测站载波相位观测值的差分方法。

  是能够在野外实时提供测量点在指定的坐标系中的三维坐标的厘米级定位精度的测量方法，是GPS在测量领域应用的重大里程碑，它的出现与不断完善为矿山工程带来极高的外业作业效率。

  RTK测量系统一般由以下三部分组成：（1）GPS接收设备（2）数据传输设备旣数据链，是实现实时动态测量的关键性设备。（3）软件解算系统：对保障实时动态测量结果的精确、可靠具有决定性作用。

  RTK技术的作业原理是：基准站采集跟踪的GPS卫星载波相位观测量通过调制解调器进行编码和调试，经电台数据链发射出去，移动站在对GPS卫星进行观测并采集载波相位观测量的同时，也接收来自基准站的电台信号。移动站在对所接收的信号进行解调和实时分析处理，并根据给定的转换参数进行坐标系统的转换，只要保证4颗以上卫星相位观测值的跟踪和必要的卫星几何图形，移动站便可实时给出厘米级定位结果。

  我矿使用的南方灵锐S86 2013型设备是三星产品。旣接收“北斗”卫星、美国GPS卫星、俄罗斯格洛纳斯系统信号。

  二、RTK测量精度验证

  RTK测量过程中需要对三维坐标进行转换，在各种工程测量中我们所要得到地方平面直角坐标系下的直角坐标，就必须把观测的WGS-84坐标转换到地方坐标系中，就必然存在模型转换误差，这是RTK测量误差的第一个来源；在整个测量过程中，会受到电离层传播延迟误差，对流层传播延迟误差，及电台和高层建筑物、树林干扰等因素的影响，对差分结果造成误差，也会成为RTK测量误差的一部分；另外，对高程还存在高程拟合模型误差，这些转换模型误差将影响到RTK测量精度。因此，必须对RTK进行质量控制，其方法有：①已知点检核比较法：利用一些静态GPS或者全站仪实测的控制点；用RTK测量这些点进行坐标和边长及高程比较检核。②重测比较法：每次搬迁基准站或初始化成功后，先重测1-2个已测过的RTK点或高精度控制点进行坐标比较检核。

  为此，我们利用南方灵锐S86 2013双频RTK仪器对我矿高等级控制点进行测量精度对比，仪器做好四参数后，测点坐标精度1-2厘米、高程精度3厘米以内，各点位之间不存在误差累积，克服了传统测量技术的弊病，可见RTK测量精度足以满足矿山生产管理工作需要。由于RTK定位精度与所测卫星空间几何分布状态不同有关，可能有部分测点PDOP值超限或精度因子超限，只有通过减小测距和增加測回数加以解决。

  三、RTK测量在矿山的主要应用

  1、应用于采场验收测量。

  我矿属于特大型水泥原料矿山，征地面积5.05km2,目前分南北两大采区生产，距离1000多米。南采区有39、51、63、75、87、103米采场，北采区有87、99、111米采场和纱帽山171、159采场。由于矿石质量搭配的需要，不同采场分采分爆，日本“小松”铲需在不同采场位置和不同时间吃料，这就需要每月底每个采场进行收方测量，移动站必须把每个采场上下边缘形状测出来，内业以CAD成图形式反映出采场现状，并与上月CAD图比较后计算出本月采矿量，并在水平分层图上计算出矿石量与废石量，从而掌握采场情况，为调整月生产计划提供依据，为完成年度生产计划提供保证。

  2、应用于采场标高及采准测量

  每个采场由于采矿设备作业水平不同，需要经常测量采场标高以保持采场平整度。由于我矿产量大，每天爆破次数多，更需要对每个爆区高度和位置进行测量，才能控制采矿进度和爆破设计施工质量。

  3、应用于矿山边界界址点管理

  我矿周围有8个村庄，矿山与村庄有127个界址点。为便于我矿管理和避免矿产资源丢失，公司曾多次努力用水泥桩加铁丝网把边界围起来，由于个别村庄干扰都没有完成这项工作，甚至筑起的砖墙也部分被少数农民拆掉，经常越界到我矿盗采矿石。虽经唐山市公安局东水分局派出所和我矿合力制止，起到一定效果但仍然加重测量难度，需要经常寻找边界点解决纠纷，维护我矿正当的采矿权益。

  4、应用于矿山各种工程放样

  采用RTK测量技术进行放样（包括点、线、面）只需根据需要设置好基准站，并将所要放样的坐标输入RTK手薄中，便可手持移动站点位校正后根据系统提示确定出放样的点位等，无需沿途布设控制点，节约经费、节省时间。由于测点间无需通视等优点和可以单人作业更显示出其优越性。我矿修建道路、图纸上已知矿体坐标放样是经常性工作。

  5、应用于矿山边坡监测管理

  经过30余年的开采，马头山采区已形成长1200米、最大垂高123米的巨大边坡，每12米一个台段，边坡按技术要求形成，由于边坡较缓（40°）内边坡已成为天然排废场以缓解矿床排废压力。外边坡已被农民乱采乱挖，因此必须在边坡上做若干个固定监测点，以防雨季、雪季发生滑坡，基本上每半年检测一次。南采大盖山采区的马蹄山、东大盖山、西大盖山目前已完全连在一起，经过18年的开采，形成长500米、最大垂高156米的边坡，其南端形成排废场，也存在滑坡的危险，必须设若干个固定监测点，每半年检测一次，发现问题及时加固。以此确保边坡稳定性。

  四、RTK技术在矿山应用的体会

  1、RTK应用于矿山的优势：

  ①作业速度快，效率高。通常情况下利用RTK测量1秒钟即可获得一个点的三维坐标；②定位精度高。RTK测量各点间的精度基本上是独立的，减少了测量误差积累，这不同于导线测量和GPS网测量成果中点的精度；③操作简便，容易使用。随着GPS接收机的不断改进，自动化程度越来越高，体积小、重量轻；④全天候全天时作业。

  2、基准站设置要合理。避免选择在强电磁波干扰源附近，及大功率无线电发射设施，高压输电线等，基准站站址及数据链电台发射天线必须具备一定的高度。最好在办公楼顶或山坡上。使移动站在一定范围内能清晰的高质量接收基准站发出的数据。

  3、RTK应用于矿山的不足：

  ①对于影响GPS卫星信号接收的遮蔽地带或在三期厂区矿石均化库、煤库、及其他库房内测量，应使用全站仪、水准仪、测距仪等仪器，野外采用5颗或者更多卫星也可能因卫星信号不好而难以得到“固定解”，这就需要掌握好符合RTK使用时间范围②对厘米级以下的高精度测量（如水准测量、设备抄平等）不能应用③不能达到100%可靠度，RTK确定整周模糊度的可靠性为95~99%，在稳定性上不及全站仪。

  五、结束语

  目前RTK测量已经广泛应用于地形测绘、公路、水利等部门。水泥矿山多位于山地、丘陵等，这就为RTK测量提供了良好条件，将成为今后矿山测量主要的技术手段，我们将不断总结经验，加强同行间的交流。

  主要参考文献：

  1、全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范（国家测绘局发布CH/T2009-2010测绘行业标准）

  2、南方灵锐S86  2013RTK测量系统使用手册及工程之星3.0软件用户手册

  3、数字化地形地籍成图系统CASS9.1参考手册（广东南方数码科技有限公司）

  4、地形测量学（冶金工业出版社）