摘 要：由于GPS系统可以连续实时地提供高精度的空间位置，在测量、制图、资源勘查、导航等许多领域有着广泛的应用，因而引起了广泛的关注。本文介绍了GPS的基本工作原理，阐述了其在矿山测量中发挥的重要作用。
关键词： GPS, 矿山测量,工作原理
1 前言
传统的测量工作中，不仅使用仪器种类繁多、人员多，而且测量精度在施工作业现场由于各方面的阻挡和干扰，也受到影响。GPS自身的优越性使得测量工作变得简单方便，它的应用在很大程度上综合代替了传统测量仪器，并且在作业效率上有很大的提高。
2 原理与组成
2.1 GPS卫星定位的基本原理
GPS(Global Positioning System)系统，起初是美国国防部为了满足军事上对定位和导航的需要于1972年开始研究的。就无线电导航定位来说，设想在地面上有三个无线电信号发射台，其坐标为已知，用户接收机在某一时刻采用无线电测距的方法分别测得了接收机至三个发射台的距离d1、d2、d3,只需以三个发射台为球心，以d1、d2、d3,为半径作出三个定位球面，即可交会出用户接收机的空间位置。
将无线电信号发射台从地面点办到卫星上，组成一个卫星导航定位系统，应用无线电测距交会的原理便可由三个以上地面已知点(控制站)交会出卫星的位置，反之，利用三个以上卫星的已知空间位置又可交会出地面未知点(用户接收机)的位置，如图1 所示。这就是GPS卫星定位的基本原理。
图1 GPS卫星定位的原理
2.2 GPS系统组成
GPS系统包括三大部分:空间部分,即GPS卫星星座;地面控制部分，即地面监控系统;用户设备部分，即GPS信号接收机。
GPS卫星星座见图2，其基本参数是：卫星颗数24,卫星轨道面个数为6，卫星高度为20200km，轨道倾角为55°卫星运行周期为11h58min(恒星时12h)，载波频率为1575.42MHZ和1227.60MHZ。卫星通过天顶时，卫星可见时间为5h，在地球表面上任何地点任何时刻，在高度角15°以上平均可同时观测到6颗卫星，最多可达9颗卫星。
图2 卫星星座
GPS工作卫星的地面监控系统包括一个主控站、三个注入站和五个监测站。
GPS信号接收机的任务是:能够捕获到按一定卫星高度截止角所选择的待测卫星的信号，并跟踪这些卫星的运行，对所接收到的GPS信号进行变换、放大和处理，以便测量出GPS信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文，实时地计算出测站的三维坐标，甚至三维速度和时间。
2.3 GPS-RTK工作原理[1]
利用差分技术来完善GPS定位功能。差分GPS定位技术是用2台或2台以上的GPS接收机同时接受卫星信号，其中一台安置在已知坐标点上作为基准站。其他的用来测定未知的坐标(移动站)。工作原理是基准站根据改正点的准确坐标求出到卫星的距离的改正数并将这一改正数发给移动站，移动站接收到这一改正数来改正其定位结果。
目前用于差分定位其精度可达亚米级至厘米级。GPS接收机体积越来越小，重量越来越轻，野外观测方便易行。
3 GPS野外观测
GPS野外观测应严格按照要求进行。其主要步骤如下：
(1)安置天线，天线安置是GPS精密测量的重要保证，要仔细对中、整平、量取仪器高。仪器高要用钢尺在互为120°方向量三次，互差小于3mm,取平均值后输入GPS接收机。
(2)安置GPS接收机，GPS接收机应安置在距天线不远的安全处，连接天线及电源电缆，并确保无误。
(3)按规定时间打开GPS接收机，输入测站名、卫星截止高度角、卫星信号采样间隔等。详细情况可见仪器操作手册。
(4)一个时段测量结束后要查看仪器高和测站名是否输入，确保无误再关机、关电源。
外业观测成果经检核无误后，便可进行数据处理。
4 GPS在矿山测量中的作用
GPS在矿山测量中可用于钻孔、境界线工程放样、地表地形测量，利用GPS-RTK的快速定位和实时得到坐标结果的特点，在一定的测量环境中可以进行地形的碎部测量。地形点的测量可以在数据采集的功能下进行，也可以根据现场地形的实际情况进行测量设定，在测量的过程中可以设定按距离进行采集，距离可以是人为设定;在匀速运动测量的过程中，也可以按时间设定采集，而且时间间隔也可人为设定，采集完的地形点坐标经过成图处理，生成数字化矿山地形图。
GPS也能用于矿区大比例尺地形图的测绘[2]，采用GPS-RTK测量技术，基准站设置好启用参数到固定解后校正就可以自动运行，一个流动站只需要一个人就可以操作，在沿线碎部点上只需要停留几秒钟就可以获得每点坐标、高程，再结合输入的点特征编码及属性信息，构成碎部点的数据库，通过计算机专业绘图软件CASS[3]，数据处理，即可绘成DWG数据文件的地形图。
GPS还用于矿山土方工程量验收测量，可建立单基站CORS系统实现无人值守，用VRS技术提供GPS实时测量数据服务，还可配合成图软件形成管理一体化数据链，减少数据转抄，输入等中间环节。
GPS在矿区控制网的布设、地表沉陷分析、巷道贯通测量、矿山测绘管理工程也发挥着重要作用，利用GPS-RTK的测量手段，可以得到每一个测点的三维坐标，并且可以以数据、图形和位置等不同的表现形式反映到不同的应用环境中。
5 结束语
GPS在矿山测量工作中应用广泛，它改变了传统的测量工作方式，突破了经典测量中的种种限制，解决了传统测量方法在各个控制点互不通视的条件下无法解决的问题。它适合在地形复杂的矿区作业，且工作效率和作业精度高。它还促进了矿山地形图的数字化管理和使用，在矿山测量工作中有着举足轻重的地位。
参考文献
[1] 张应学.GPS在矿山测量中的工作原理及应用分析[J].中国新技术新产品,2010，5
[2] 汪莉萍.GPS-RTK技术在露天矿山测量中的应用[J].铜业工程,2011，4
[3] 南方测绘仪器有限公司.CASS2008参考手册[M].2008
