VRS 及其在矿山测量应用中关键技术分析

精品论文推荐VRS 及其在矿山测量应用中关键技术分析牛作鹏1 ，张书毕1 ，高伟 21 中国矿业大学(徐州)环测与测绘学院，江苏徐州 (2210082)2 山东农业大学信息科学与工程学院，山东泰安 (271018)E-mail：playboy2000new摘要：VRS（虚拟参考站）技术是 GPS（全球定位系统）网络 RTK（实时动态定位）技 术的一种，它与传统测量技术和传统 RTK 技术相比有很多优点。VRS 以其自身的特点和不同行业的特殊性，在测量工作中越来越多地被应用到，尤其是在矿山测量当中，它会越来越 被普及，进一步改变矿山测量模式。本文介绍了 VRS 技术基本原理及构成，在理论分析的基础上对 VRS 在矿山测量应用中的若干关键技术作研究和讨论，对其在矿山测量中的应用 前景进行了展望。关键词：VRS；矿山测量；坐标转换；信号传播 中图分类号：TU198+.41.引言GPS 全球定位系统（Global Positioning System）在矿山工程测量中得到广泛的应用。但 是，作业模式仍是依靠逐级建立的控制网点进行相关测量工作，未改变传统的技术作业模式。 由于 GPS-RTK 技术的日益成熟，RTK 技术已被引入矿山工程测量中，人们发现矿区内传统 控制网具有一系列固有的缺陷，为了满足新技术发展的需求，需要一种高效率低费用，且能够全面取代传统控制网的手段，这就是网络 RTK 技术 11 。网络 RTK 技术又称多基准站技 术，这是对普通 RTK 方法的改进。目前应用于网络 RTK 数据处理的方法有虚拟参考站法（Virtual Reference StationVRS）、偏导数法、线性内插法和条件平差法，其中虚拟参考 站 VRS 技术最为成熟。2.VRS 系统的构成及原理2.1 VRS 系统的基本构成VRS系统主要有3个基本的组成部分：基准站网、数据处理中心(控制中心)和用户部分2 。基准站是VRS系统的数据源，用于实现对卫星信号捕获、跟踪、记录和传输，各基准站 均匀分布在整个网络中构成基准站网，一般一个完整的GPS网络RTK系统至少有3个已知的 基准控制点，站与站之间的距离可达70km，甚至更远。通过长时间GPS静态相对定位等方 法来确定基准站的精确坐标，再通过配备在基准站上的GPS接收机和数据通信设备，实时的 将观测资料传送给数据处理中心。数据处理中心既是通讯控制中心，也是整个VRS系统的核心部分，由VRS系统软件、计 算机、路由器和通讯服务器组成。控制中心包括了VRS系统中数据的传输、接收、转换、处 理、发送等重要任务，其中最关键的就是根据接受的信息采用一定的算法计算改正数，从而 计算出流动站的精确坐标。用户部分也就是流动站部分，可分为米级用户、测绘工程用户、车辆导航用户等。它由 移动电话、调制解调器和GPS接收机组成。控制中心通过接收接收机发来初始位置，并结合 差分信号生成厘米级的位置信息。- 5 -2.2 VRS 技术的基本原理分析VRS(Virtual Reference Station)技术是一种多基准站环境下的 GPS 载波相位差分定位技 术，代表的是网络 RTK 技术，是网络 RTK 系统中一种很有发展前景的技术。虚拟参考站就 是利用地面布设的多个基准站组成 GPS 参考站网，综合利用各个基准站的观测信息，通过 精确的误差模型修正卫星的各种误差，在用户附近产生一个物理上不存在的基准站，与用户 构成短基线或超短基线差分，用户接受该基准站的差分信息进行定位和测速。VRS 系统的基本原理是：在流动站 u 附近建立一个虚拟的基准站 P，如图 1 所示。并根 据周围各基准站上的实际观测值算出该虚拟基准站上的虚拟观测值。由于虚拟基准站距离流 动站很近，一般仅有数米至数十米。因此，动态用户只需采用常规 RTK 技术就能与虚拟基 准站进行实时相对定位，获得准确的定位结果。图 1 虚拟参考站法示意图从虚拟参考站法的原理分析中，可知此方法的关键是构造出虚拟基准站 P 的虚拟观测 值。在数据处理中就把虚拟基准站作为一般的基准站来看待。基于商业利益的原因，国外对 虚拟参考站法的数学模型是保密的，无法得知其核心内容，只能对基本思想做一个初步的阐 述。同样假设基准站 A、B、C 以及单点定位得到的虚拟基准站 P 坐标分别是（ XaYa Za ）、（ XbYb Zb ）、（ Xc YcZc ）、（ XpYp Zp ）。流动站的坐标是（ Xu YuZu ）。根据内插法基本原理我们可以得到以基准站 A 为基准，基准站 B、C 的误差改正数是:Rij= a (X X ) + a( Y Y )AB1BA2BARij= a ( X X ) + a(Y Y )（1）AC1CA2CA同样的，在虚拟参考站法中，虚拟基准站 P 的误差改正数：Rij= a ( X X ) + a( Y Y )（2）AC AP 1 P A 2 P A从而可以得到系数 a1 、 a 2 ：a X X Y Y 1 R ij 1 = BABA A B a 2 X C X AYC YA R ij（3）得到虚拟基准站 P 的改正数： R ij= a ( X X) + a( Y Y)AP 1 P A 2 P AAC ij （4）= ( X XY Y) X B X A YB YA R A B P A P A X C X A YC YA R ij得到虚拟基准站的改正数之后，可以推导出基准站 A 与虚拟基准站 P 的双差观测值: ( AP + NAP ) AP R AP = 0（5）在式（5）中， NAP 和 R AP 都是可以求得的，相当于已知值，在知道虚拟基准站 和基准站 A 的坐标后就很容易求得 AP 和 AP 。数据处理中心就可以利用虚拟基准站P 上的单差观测值和流动站 u 上的单差观测值构成双差观测方程进行动态相对定位，通过相关软件就可以求得流动站 u 的精确坐标。3.VRS 在矿山测量应用中关键技术3.1 坐标转换的分析GPS 定位提供的 WGS84 大地坐标在绝大数矿山工程测量应用中没有太大的意义。实际 的工程需要将 GPS 观测的 WGS84 坐标转换为国家平面坐标或是地方坐标。但是对于单纯的 矿山边坡变形监测来说，可以直接比较同一个测点不同周期的观测结果，而不需要通过坐标转换求出其差值即移动量 8 。为了反推一些以往用常规测量技术测点的控制点，以求解出 历年来的累计变形量，需要考虑坐标转换。WGS-84 又称为 1984 年世界大地坐标系，使用 WGS-84 椭球，长半径数值为a=6378137m，扁率 =1/298.257223563。而矿区中使用的地方坐标系是将地方独立测量控制网建立在当地的平均海拔高程平面上，并以当地子午线作为中央子午线进行高斯投影求得平面坐标。不同的地方坐标系有不同的原点，不同的定向，它们所采用的参考椭球称为“地方 参考椭球”。对于 WGS-84 到地方坐标的转换，需要求出坐标系之间的转换参数，转换参数一般是利 用三个以上的重和点的两套坐标值通过一定的数学模型进行计算，当旋转参数和尺度变化参 数为微小量时，转换数学模型如下: X D x XW 0 z y XW YD = y + (1 + k ) YW + z0 x YW （6） Z D z ZW y x0 ZW 上式中 x 、 y 、 z 为平移参数，k 为尺度变化参数， x 、 y 、 z 为旋转参数。具体的坐标转换流程如图 2 所示：经过上述一系列步骤，可以将 WGS-84 坐标转换为矿区所使用的地方坐标，由于每一步 变换所采用的公式均很复杂，需根据不同 GPS 接收机和相关的数据处理软件解决每一步的 换算。3.2 VRS 在矿山测量应用中信号传播的分析随着 GPS 技术的发展、硬件、软件的配置不断改进、价格不断降低、体积和重量越来 越小，使高精度 GPS 应用于矿山测量成为可能。但是 GPS 接收机是靠接受卫星信号来提供 定位信息，GPS 卫星信号不能穿过岩石、建筑物、金属和密林等障碍物，因此矿区内某些地方可能接收不到参考站台提供的信息，这些地方就是所谓的“信号盲区” 8 ，为了得到最佳 效果应尽量在天空开阔处使用，但是矿区作业条件艰苦，作业环境复杂，常规 RTK 往往不 能完全发挥其优点，同时存在用户需架设本地的参考站、误差随距离增长等缺陷，为了解决 RTK 在矿山测量应用中这一问题，有以下两个途径：GPS 测得高精度控制点的WGS-84 坐标通过高斯投影得到 XW 、 YW 、 ZW高精度控制点的 地方坐标用布尔莎公式求解转换参数用转换参数将矿区内测得的 GPS点转换为地方坐标图 2 坐标转换流程提高矿区内参考站的密度。提高矿区内参考站的密度可以通过建立新的基准站或者设置 临时参考站这两种方法。前者可以从根本上解决矿区内信号盲区的问题，提高矿区内信号覆 盖度，进一步的改善 VRS 系统的稳定性；后者是一种有效的应急措施，用户只需在信号盲 区附近找一个合适点，通过接收参考站信号确定其精确点位，最好将该点设置为参考站模式 进行信息的播发，确保了信号盲区内的作业。设计一个将 GPS 和 GSM 网络定位集成在一起的双定位终端。其基本思想是该定位终端 收到定位请求之后，实时获取 GPS 提供的定位信息和 GSM 网络提供的位置服务信息，并以 短信息的形式发送给请求位置的手机或者控制中心12 。GSM 主要采用 AT 指令完成短消息 的读取和发送，除此之外 GSM 还能实现网络定位功能，基于 GSM 网络的位置服务能够弥补 GPS 定位中信号盲区的问题，该终端可以整合两者定位的优点，克服它们各自的不足， 可以在矿区内 GPS 定位精度大大降低或信号盲区而无法定位的地方采用 GSM 网络定位，提 高其定位性能。4.结束语随着通讯技术和无线网络的日益成熟，VRS 技术的应用前景更加广阔，将进一步改善 其传输原始数据量大而信息传输效率低的缺陷，并在许多生产实践和科技领域中发挥重要的 作用。VRS 技术推进数字矿山建设向前发展，它以稳定的定位精度、较高的成果质量和较 低的作业强度等优点，将进一步改变矿山测量模式，同时 VRS 技术还可以与其他技术相结 合，更深层次的应用于矿山测量中，不断开发和拓宽系统的应用领域，为新时期的矿山建设 迈向数字化提供可靠的技术保障。参考文献1 吕继生，吕华新. 虚拟参考站（VRS）技术在宁波的应用前景初探J. 城市勘测, 2007(2) 2 王平，郑勇. 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GPS 和 GSM 双定位终端的软硬件设计与实现J. 计算机工程, 2006, 10VRS and Analysis of Key Technologies of the VRS in MineSurveying ApplicationsNiu Zuopeng 1 , Zhang Shubi 1 , Gao Wei 21School of Environment Science and Spatial Informatics, China university of mining and technology, Jiangsu, Xuzhou (221008)2College of Information Science and Engineering, Shandong agricultural university,Shandong, Taian (271018)AbstractVRS（virtual reference station）is one of the GPS（Global Positioning System）network RTK（real timekinematic）technologies, it has many advantages compared with the traditional survey and RTKtechnology. Due to the characteristics and the specificity different industries of VRS,VRS in survey was applied to more and more,expecially in mine surveying,it will be increasingly popular and goes a step further to change the pattern of mine surveying.This paper introduces the basic principles of theVRS and its own constitute，based on the theory to study and discuss a number of key technologies ofthe VRS in mine surveying application.Carrying on the prospect to it in mine surveying applications prospect.Keywords: Mine Surveying; Coordinate Transformation; Signal propagation作者简介：牛作鹏，男，1985 年生，山东定陶人，大地测量学与测量工程专业硕士研究生， 主要从事高精度 GPS 数据处理及应用方面的研究。