北斗导航系统（BDS）在矿山测量中的研究
小 组 名 称： 测量队QC小组 参 加 单 位： 地测科 计 划 类 别： 创新型 课 题 专 业： 测 量
目录
QC小组概况 .................................................................................................................................... 1 选择课题........................................................................................................................................... 2 设定目标及目标可行性论证 ........................................................................................................... 4
1.1设定目标 ............................................................................................................................ 4 1.1目标可行性论证 ................................................................................................................ 5
1.1.1必要性 .................................................................................................................... 5 1.1.2可行性 .................................................................................................................... 5 1.1.3综合分析 ................................................................................................................ 6
提出方案并确定最佳方案 ............................................................................................................... 6
1.1方案一 ................................................................................................................................ 6
1.1.1点位选择 ................................................................................................................ 6 1.1.2采集数据 ................................................................................................................ 7 1.2方案二 ................................................................................................................................ 7
1.2.1点位选择 ................................................................................................................ 7 1.2.2采集数据 ................................................................................................................ 8 1.3方案论证 ............................................................................................................................ 8 1.4方案细化 ............................................................................................................................ 9
1.4.1点位选择 ................................................................................................................ 9 1.4.2采集数据 ................................................................................................................ 9
制定对策......................................................................................................................................... 10 对策实施......................................................................................................................................... 11
1.1仪器准备 .......................................................................................................................... 11 1.2点位选择 .......................................................................................................................... 11 1.3数据采集 .......................................................................................................................... 11 1.4数据分析 .......................................................................................................................... 12 检查效果......................................................................................................................................... 15 标准化 ............................................................................................................................................ 16 总结和下一步打算 ......................................................................................................................... 17
QC小组概况
地测科测量队QC小组最早成立于1989年，自小组成立后，一直把TQC的方法贯彻于我们工作的始终。近年地测科测量QC小组围绕影响开拓、掘进工作面生产的各种因素进行研究，高效快捷的辅助采、掘、开工作面的正常生产，为矿井规划和工作面设计提供更加准确的测量资料，使矿井资源得到合理高效回收，满足矿井日益增长的对准备煤量的需求。
测量队QC小组成员表 小组名称 课题类型 活动日期 活动频率 序 号 1 2 3 4 5 6 7 测量队QC小组 创新型 2021.6～2021.9 经常性 文化程度 研究生 本科 本科 研究生 大专 大专 大专 大专 成立时间 组 长 课题注册 QC教育时间 职 务 地测科长 副科长 测量组组长 测量组技术 操作工 操作工 操作工 操作工 1989年4月 *** 2021年6月 48小时以上 任务分工 组织策划 组织实施 组织实施 调查分析 具体实施 具体实施 具体实施 具体实施 姓 名 8 1
9 10 11 大专 大专 大专 操作工 操作工 操作工 具体实施 具体实施 具体实施 选择课题
近年，随着全球卫星导航定位系统（GNSS）的广泛应用以及矿山测量技术的不断更新交替，GNSS在矿山测量中的作用日益显现，尤其在点位放样、分界线放样、矿区地形图测绘、矿区沉陷监测中具有很大优势。
中国北斗卫星导航定位系统（Bei Dou Navigation Satellite System，简称BSD）是中国近年来自主研发、制造和建设的全球导航卫星系统，也是继GPS、GLONASS之后全球第三大成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航空间星座部分由35颗卫星构成，其中5颗静止的轨道卫星、27颗中地球轨道卫星和3颗倾斜的同步轨道卫星，见图1所示。此分布情况也可确保在地球上任何一点、任何时间都能够同时观测到的卫星数达4颗以上。
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图1
北斗RTK是基于北斗卫星导航系统的RTK技术，可视卫星多，卫星高度角大，能够长时间以低PDOP值进行工作；能兼容其他3大定位系统，并可自由切换，保证高标准定位精度。最初，北斗系统是覆盖我国本土及周边海域的区域性卫星导航系统，覆盖范围为东70°~145°，北纬5° ~55°，在全国范围内具有良好的导航定位信号。现在北斗系统又得到了更进一步的发展和完善，在我国领土范围内不会存在必然的信号盲区，比GPS RTK具有更好的信号接收能力。
本课题对北斗卫星导航系统在矿山测量进行应用的可行性进行探讨，从北斗卫星导航系统的定位原理出发，在同时段，研究观测条件相同的情况下，锁定卫星数、固定解个数、PDOP值、点位观测平面中误差、点位观测中误差等重要参考指标，来衡量北斗 RTK优劣性，结合在矿山的实测数据分析了北斗 RTK测量系统在矿山测量中的应用前景以及应注意的问题。
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设定目标及目标可行性论证
1.1设定目标
目前，随着全球导航卫星定位（GNSS）的发展，差分技术的应用也越来越广泛，GPS实时动态差分技术（RTK）就是一种主要应用于各行业领域的差分技术（见图2）。它将数据通信技术与卫星定位技术相结合，采用实时解算和数据处理的方式，在极短的时间内实现厘米级高精度的位置定位。
图2
传统的RTK只能接受GPS、GLONASS导航卫星信号。由于GPS卫星空间组成和信号强度等原因，我国中、低纬度地区每天总有2次盲区，每次20~30 min。特别是每天中午12点~13点，此时间段GPS-RTK很难得到固定解，尤其在山林、楼房密集地区，RTK信号容易被遮挡，信号强度低，容易造成失锁。北斗RTK可以接受GPS、GLONASS、北斗3种导航卫星信号，且“北斗”特有的IGSO卫星设计，对中国区域进行了局部增强，理论上不存在必然的盲区，在山林、楼房密集地区也可得到固定解。
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因此，本课题研究GPS实时动态差分技术（RTK），采用北斗比GPS在信号屏蔽情况下测量时能够更快、更精确地提供厘米级定位精度。
1.1目标可行性论证
1.1.1必要性
现代测量工作对数据精度的要求比较高，高精度测量是RTK测量系统的主要优势，BDS RTK测量系统是我国独立研发的一种依靠卫星进行测量的工作系统，能在信号屏蔽情况下测量时更好地满足矿山测量的各项工作要求。
1.1.2可行性
a.BDS RTK的作业效率高。矿山测量在矿山的建设和生产时期都是必不可少的，而传统的测量受到矿山的地形，天气等环境的影响，对于施测环境恶劣地区以及一些精度要求较高的局部地区，传统的测量已经难以满足连续精准作业的需求。BDS RTK采用了实时动态载波相位差分定位（Real-Time Kine matic） 技术，只要一次设站，即可对半径数千米的测区进行测量，并且受气候、能见度影响较小，这样不仅极大地提高了在矿区复杂环境里的施测速度，而且也减少了矿山测量工作者的劳动强度。
b.BDS RTK的作业精度高。由于全站仪受其他测量控制点的精度影响，而矿区控制点容易遭到破坏，若是控制点精度不高，使用全站仪易造成误差累积。在矿山测量中应用BDS RTK测量系统，不仅
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在野外作业时流动性好，单点作业不受其他控制点影响，而且能够实时得到厘米级定位精度的点位数据。此外与GPS RTK相比，北斗系统所独有的三频实时精密定位技术比GPS双频更具优势。
c.数据处理效率高。BDS RTK测量系统数据处理的能力强，其所具备的软件自动化程度高，不用现场记录所测数据，数据采集完毕，在室内利用计算机软件即可对所测数据进行优劣评价，也减少了人为 计算失误的可能性，提高了数据处理效率和准确性。
d.安全性好。BDS是我国自行研制的，可靠性好。在矿山测量中使用北斗产品，也有利于矿产资源数据保密和国土安全。
1.1.3综合分析
人员保证：组成QC小组的成员均为业务骨干，技术过硬，善于创新，且拥有一支高素质、经验丰富、善打硬仗的施工队伍。
思想保证：小组成员都具有高度的责任心和荣誉感，有团队精神，对完成目标充满信心。
技术保证：公司对小组设一名专门的技术顾问，技术等部门无条件向小组提供各种技术支持。
提出方案并确定最佳方案
1.1方案一
1.1.1点位选择
选择对空视野较好的空旷场地为实验区，同时周围不存在强无线
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电网络干扰源，选A、B、C、D点作为待测点，测区概况见图3。
A
B C D
图3
1.1.2采集数据 仪器：
SOUTH银河6 GNSS接收机（图4），实时动态定位精度±（8mm+1mm/km×d）（d为被测点间距离，km）。
图4
测量方式：
RTK测量中，计划选择了观测条件相似的两天，在同一时段（中午12：00~13：00），每个基准点都分别采用BDS、GPS进行观测，启用自动采集模式，采样间隔为15 s，固定解时采集，单点解和浮点解过滤。下一次测量前重新初始化，测试时记录锁定卫星数、固定解个数、PDOP值等参数。
1.2方案二
1.2.1点位选择
7
选择对空视野较好的墙体作为实验区，该墙体有3面连接在一起且相互垂直（高3 m），同时周围不存在强无线电网络干扰源，测区概况见图5。
图5
如图所示选 A、B、C分别作为90°、180°、270°信号屏蔽情况下的待测点。
1.2.2采集数据 仪器： 同方案一。 测量方式： 同方案一。
1.3方案论证
选择两天中同一时间采集的数据（表2）对两种方案分析比较，可以得出如下结论:
表2 方案分析
方 案
导航类型 GPS
方案一
BDS
点 号 A
B C D A B C
8
卫星数/个 14 16 16 13 14 17 18
PDOP 2.3000 2.9000 2.8000 2.6000 2.3000 2.7000 2.7000
GPS
方案二
BDS
D A B C A B C 13 13 10 6 15 14 13 2.5000 1.4000 3.0000 - 1.2000 2.6000 2.7000
方案一中，在锁定卫星数量和PDOP值上，BDS RTK与GPS RTK无明显优势。
方案二中，明显能够看出BDS RTK相比GPS RTK的锁定卫星数量多，且PDOP值要好于GPS RTK。
通过论证，最终选定方案二为最佳方案。
1.4方案细化
1.4.1点位选择 同方案二。 1.4.2采集数据 仪器：
瑞士徕卡TS09plus全站仪（图6），测角精度为 2\"，测距精度是 （2+2×10-6）mm。SOUTH银河6 GNSS接收机，实时动态定位精度±（8mm+1mm/km×d）（d为被测点间距离，km）。
图6
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测量方式：
取点位精度较高的首级控制点作为基准点，使用瑞士徕卡TS09plus全站仪对A、B、C三点进行测量，将全站仪采集到的坐标作为该三点的坐标参考值。
根据观测计划，选择了观测条件相似的两天，在同一时段（中午12：00～13：00），分别用两种系统的RTK测量。
每个待测点都分别采集BDS、GPS进行观测，启用自动采集模式，采样间隔为15 s，固定解时采集，单点解和浮点解过滤，下一次测量前重新初始化，记录待测点点名、初始化时间、锁定卫星颗数、PDOP等参数；在整个数据采集工作开始前，首先参考星历预报软件提供的指定时间和区域内的可见卫星数量、可供观测的卫星星座编号以及 PDOP值的变化情况，制定详尽的观测计划。保证对空视野开阔情况下，每个观测时段的有效观测卫星总数大于6颗，几何精度因子 PDOP值小于4。
制定对策
表3 对策制定表
序号 1
对策 仪器准备
目标 设备完好，齐全
点位稳定，方
2
点位选择
便观测，周边环境无隐患 严格按方案计
3
数据采集
划采集，数据完整，记录完好
措 施
专人看管、维护 选择90°、180°、270°信号屏蔽待测点 1.全站仪测量A、B、C坐标参考值
2.RTK采集待测点BDS、试验区 GPS数据
3.记录点名、初始化时
10
2021.07.05
~ 2021.07.06
地 点 仪器室
时 间 2021.06.11
负责人
检查人
试验区 2021.06.16
间、锁定卫星颗数等参数
证明北斗
4
数据分析
RTK在信号屏蔽情况下优于GPS
分析RTK参考指标：锁定卫星数、固定解个数、PDOP值、点位观测平面中误差、点位观测中误差
办公室
2021.07.12
~ 2021.07.16
对策实施
1.1仪器准备
方案中，涉及仪器见表4。
表4 仪器清单
名 称
型 号
数量 1 1 3 2
精度指标
测角精度为 2\"，测距精度是 （2+2×10-6）mm ±（8mm+1mm/km×d）（d为被测点间距离，km）
-
镜头精度5″
全站仪 瑞士徕卡TS09plus GNSS接收机 SOUTH银河6 三脚架 SOUTH木制三脚架 棱镜 徕卡GPH1
1.2点位选择
最终现场选择点位见表5。
表5 待测点统计
点名 土质 标石类型 A B C
砼 砼 砼
钢钉 钢钉 钢钉
点位说明
设立日期
位置
水平90°信号屏蔽，周围无干扰 2021.06.16 见图5 水平180°信号屏蔽，周围无干扰 2021.06.16 见图5 水平270°信号屏蔽，周围无干扰 2021.06.16 见图5
1.3数据采集
依据对策实施表，最终采集数据统计见表6。
表6 数据统计表
点名 A
固定解数量/个 BDS 240
11
GPS 231
B C 239 240 62 0
采集数据示例见表7、表8。
表7 BDS点坐标
观测点 编号 A B C
x 251.2524 287.5539 179.6604
坐标 y 907.6103 983.7421 934.4105
h 17.2115 21.5945 21.0955
卫星数 15 14 13
PDOP 1.2000 2.6000 2.2000
表8 GPS点坐标
观测点 编号 A B C
x 251.2501 287.5578 179.6618
坐标 y 907.6076 983.7328 934.4135
h 17.2155 21.5905 21.0935
卫星数 14 16 16
共用卫星数
13 10 6
PDOP 1.4000 3.0000 -
1.4数据分析
从图7、图8可以看出，相同屏蔽情况下，北斗RTK绝大部分时间锁定卫星数更多，持续时间长，特别在270°信号屏蔽情况下，GPS RTK 已经失锁，北斗RTK仍可以很快锁定13颗以上卫星；北斗RTK的PDOP值绝大部分时间都小于GPS RTK对应PDOP值，当GPS RTK 精度因子过大无法采集数据时，北斗RTK的PDOP值还控制在4左右。图9、图10和表9显示，北斗RTK获得的固定解个数比GPS RTK多，在获得固定解的效率上具有明显优势，尤其在270°信号屏蔽情况下，北斗RTK还能够快速获得固定解。相同屏蔽情况下北斗RTK点位观测平面误差和点位观测误差绝大部分时间较GPS
12
RTK 对应误差更小、变化相对更小，波动不大，且北斗RTK点位观测平面中误差及点位观测中误差较小。
图7 不同屏蔽情况锁定卫星数分布图
图8 不同屏蔽情况PDOP值分布图
13
图9 不同屏蔽情况点位观测平面误差分布图 /m
图10 不同屏蔽情况点位观测误差分布图 /m 表9 不同系统 RTK 固定解数、中误差统计表 /m
信号屏蔽范围 应用系统 固定解个数 点位观测平面中误差 点位观测中误差
BDS 240 0.019 0.020
90°
GPS 231 0.030 0.032
BDS 239 0.031 0.049
180°
GPS 62 0.040 0.070
BDS 240 0.025 0.044
270°
GPS 0 无数据 无数据
分析上述所得数据，可以得出如下结论:
相同屏蔽情况下，GPS RTK已经失锁，北斗RTK仍可以很快锁
14
定13颗以上卫星，北斗RTK锁定卫星能力突出，且数量稳定 ；北斗RTK获得的固定解效率更高，GPS RTK失锁时，北斗RTK还能够快速获得固定解；北斗RTK对应PDOP值更小，且趋向稳定；北斗RTK采集坐标点位观测平面误差及点位观测误差更小，波动很小，北斗RTK点位观测平面中误差及点位观测中误差较小。
检查效果
为进一步验证研究结论的正确性，在矿区工业广场上选取14个有信号遮挡的待测点，分别采集BDS RTK与GPS RTK数据，见表10、表11。
表10 GPS RTK精度统计
点 名 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
外符合精度
X（m） 0.0040 0.0035 0.0032 0.0031 0.0060 0.0045 0.0028 0.0063 0.0040 0.0063 0.0038 0.0028 0.0037 0.0039
y（m） 0.0040 0.0045 0.0055 0.0024 0.0045 0.0059 0.0034 0.0049 0.0050 0.0047 0.0034 0.0030 0.0041 0.0045
h（m） 0.0075 0.0116 0.0068 0.0124 0.0140 0.0142 0.0125 0.0163 0.0247 0.0110 0.0086 0.0103 0.0107 0.0087
锁定卫星数
10 10 9 8 11 8 9 10 9 11 10 9 10 8
PDOP 2.5000 2.8000 3.0000 2.5000 2.4000 2.9000 3.1000 2.8000 2.5000 3.0000 2.6000 2.4000 3.0000 2.9000
表11 BDS RTK精度统计 点 名 1 2 3 4
外符合精度
X（m） 0.0035 0.0024 0.0045 0.0027
y（m） 0.0030 0.0031 0.0046 0.0022
h（m） 0.0053 0.0085 0.0103 0.0064
共用卫星数
15 16 14 13
PDOP 1.6000 1.4000 1.6000 2.1000
15
5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 0.0043 0.0035 0.0015 0.0047 0.0056 0.0032 0.0057 0.0042 0.0034 0.0045 0.0032 0.0049 0.0023 0.0047 0.0025 0.0035 0.0037 0.0039 0.0042 0.0029 0.0061 0.0129 0.0071 0.0144 0.0093 0.0128 0.0261 0.0083 0.0169 0.0099 13 14 13 16 14 15 15 13 16 15 2.0000 1.7000 1.5000 1.7000 2.0000 1.7000 1.6000 2.0000 1.7000 1.5000
系统外符合精度是反映系统定位准确性的重要指标，是利用RTK测量的基准点和已知基准点（作为测量点坐标真值）求差，根据公式（1-1）计算得到测量点的外符合精度。
式中：
为观测点的外符合精度；
1-1
为测试点各方向观测值与真值之间的差值；Ｎ为每个观测点测量值的总数。
通过分析，可以看出BDS RTK相比 GPS RTK的外符合精度高，说明BDS在特殊条件下（信号遮挡）定位精度高于GPS，验证了该课题成果的正确性，证明达到了目标。
标准化
BDS RTK作为一种最前沿的GNSS技术，有诸多优点，但在实际应用时也有一定的局限性。为了进一步巩固BDS RTK的实际使用效果，制定了以下标准：
a.实际RTK测量中，在信号屏蔽区域合理安排测量点位，减小卫星失所几率；
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b.PDOP较大时，采用平滑测量，从而获得更精准的数据； c.RTK接收机要尽量远离强烈的反射面，比如湖面等，否则接收信号时容易受到多路径效应的影响，这时候可以采用适当延长观测时间、取平均值等方法予以减弱；
d.尽量选择天气晴朗，可观测卫星数量较多的时间段进行作业； e.北斗采用国家2000大地坐标系（CGCS2000），采矿区可能采用的是地方坐标系或者其他坐标系，要精准地完成RTK实时测量，对坐标转换的精度要求比较高。
总结和下一步打算
通过分析在某矿区的BDS RTK与GPS RTK的实测数据，说明了BDS RTK在矿山测量中应用的可行性，具备与GPS RTK同等的测量精度。实践证明，BDS RTK测量技术给矿山测量带来了重大的技术变革，极大地方便了测量工作者的日常工作，随着其技术的不断进步，必将给矿山测量带来更大的便利，其在矿山测量中的应用领域将更为广泛。BDS在矿区测绘方面应用广泛，对于建设数字化矿山有重要意义，有利于促进矿区的可持续发展。
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