GNSS在矿区地表移动观测中的应用研究.pdf

分类号分类号 P258P258 密密 级级 公公 开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 GNSSGNSS 在矿区地表移动观测中的应用在矿区地表移动观测中的应用研究研究 王王 哲哲 申请学位级别申请学位级别工学硕士工学硕士 专业专业名名称称大地测量学大地测量学 与测量工程与测量工程 指导教师姓名指导教师姓名徐泮林徐泮林 职职 称称 教教 授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二〇一七二〇一七年年六六月月 万方数据 论文题目论文题目 GNSSGNSS 在矿区地表移动观测中的应用在矿区地表移动观测中的应用研究研究 作者姓名作者姓名 王王 哲哲 入学时间入学时间 2014 年年 9 月月 专业名称专业名称 大地测量学大地测量学 研究方向研究方向 工程测量与工程测量与 与测量工程与测量工程 工业测量工业测量 指导教师指导教师 徐泮林徐泮林 职职 称称教教 授授 论文提交日期论文提交日期2017 年年 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期2017 年年 6 月月 授予学位日期授予学位日期 万方数据 APPLICATION RESEARCH OF GNSS IN SURFACE MOVEMENT MERSUARMENT IN MINING AREA A Dissertation ted in fulfillment of the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Wang Zhe Supervisor Professor Xu Panlin College of Geomatics June 2017 万方数据 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除所列参考文献和世所公 认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。认的文献外，全部是本人攻读学位期间在导师指导下的研究成果。除文中已经除文中已经 标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研 究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 硕士生签名硕士生签名 日日 期期 万方数据 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解本人完全了解山东科技山东科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理。。 作为申请学位的条件之一，作为申请学位的条件之一，学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其学校有权保留学位论文并向国家有关部门或其 指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入指定机构送交论文的电子版和纸质版；有权将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学有关数据库发表，并可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版；允许学 校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫校档案馆和图书馆保留学位论文的纸质版和电子版，可以使用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆描等复制手段保存和汇编学位论文；为教学和科研目的，学校档案馆和图书馆 可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内可以将公开的学位论文作为资料在档案馆、图书馆等场所或在校园网上供校内 师生阅读、浏览。师生阅读、浏览。 （保密的学位论文在解密后适用本授权（保密的学位论文在解密后适用本授权）） 硕士生硕士生签名签名 导师导师签名签名 日日 期期 日日 期期 万方数据 学位论文审查学位论文审查认定书认定书 研究生研究生 在规定的学习年限内， 按照在规定的学习年限内， 按照培养方案培养方案及个人培养计划及个人培养计划，， 完成了课程完成了课程学学习，成绩合格习，成绩合格，修满规定学分，修满规定学分；在我的指导下完成本学位论文；在我的指导下完成本学位论文，， 论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关论文中的观点、数据、表述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关 规定，同意将本论文作为申请学位论文。规定，同意将本论文作为申请学位论文。 导师导师签名签名 日日 期期 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 摘要 I 摘摘 要要 GNSS 技术拥有定位速度，快定位准确，作业时间广泛，实时性，作业方 式简便等优势，在越来越广泛的领域中得到了应用，而且随着各个航天大国在 该技术上的研究 GNSS 定位技术获得了很大的发展。相比与早期 GNSS，三星 GNSS 在定位准确性和速度都有了十分巨大的进步。在以往的地表移动观测中 GNSS 常因精度问题而无法达到测量要求，本文针对在使用三星 GNSS 在地面 移动观测中代替传统的水准测量和导线测量的可行性做了如下研究 在实验区域（某煤矿 11303 工作面）对工作面内的地表移动观测站分别使 用三星 GNSS 接收机，水准和导线三种测量方式进行观测，对两种测量方式的 成果数据进行误差分析，并将 GNSS 的测量数据与导线、水准数据进行对比， 结合工程实例，分析在地表移动监测中使用 GNSS-RTK 技术的可行性。 对工作面上布设于不同环境中的地面监测站分类，探讨在不同工作环境中 使用 GNSS 接收机对观测站坐标信息的获取可以达到的精度。通过分析得出 GNSS-RTK 技术在观测环境良好的耕地中定位精度可以达到厘米级，精度稳定 且可信度高，在实验区域的村庄内精度可以达到 0.04m，在存在遮挡且遮挡较 为严重的区域无法得到固定解，并且精度不稳定。且在实际工程中，耕地多是 地表移动变化量较大的地方而在矿区附近的村庄内地表相对稳定， 变化量较小。 因此在耕地中使用 GNSS 技术测量的结果相对误差较小，村庄内的由于地表移 动的变化量小，而且测量结果十分不稳定，所以会产生很大的相对误差。从结 果分析来看，在耕地中使用 GNSS 代替传统的水准及导线测量是可行的，但是 在测量结果并不是十分理想，地表较为稳定的村庄内 GNSS 所测量数据并不能 满足地表移动观测的要求。 关键词关键词GNSS-RTK，不同环境，地表移动观测，测量精度 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT II ABSTRACT GNSS technology has the advantages of positioning speed, fast positioning accuracy, wide operating time, real-time, easy way of operation and so on, and has been applied in a wide range of fields. With the development of GNSS positioning technology Got a lot of development. Compared with the early GNSS, Samsung GNSS has made great progress in positioning accuracy and speed. In the past, the GNSS is often unable to meet the measurement requirements due to the accuracy problem. In this paper, the feasibility of using the Samsung GNSS in the ground movement observation instead of the traditional leveling measurement and the wire measurement is studied as follows In the experimental area a coal mine 11303 face on the surface of the surface movement observation station were using Samsung GNSS receiver, level and wire three kinds of measurement s to observe the results of the two measurement s for error analysis, and GNSS measurement data is compared with the wire and leveling data, and the feasibility of using GNSS-RTK technology in surface movement monitoring is analyzed with engineering examples. The classification of the ground monitoring stations arranged in different environments on the working surface, and the accuracy of the acquisition of the coordinate ination of the observation stations in GNSS receivers in different working environments. The results show that the GNSS-RTK technique can reach the centimeter level in the well-planned cultivated land, and the precision is stable and the reliability is high. The accuracy of the GNSS-RTK can reach 0.04m in the area of the experimental area, Of the area can not get a fixed solution, and the accuracy of instability. In the actual project, the cultivated land is 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 ABSTRACT III the place where the change of the surface movement is large, and the surface is relatively stable and the change is small in the village near the mining area. Therefore, the relative error of the result measured by GNSS in cultivated land is small, and the change of surface movement in the village is small and the measurement result is very unstable, so it will produce great relative error. From the results analysis, it is feasible to use GNSS instead of traditional level and wire measurement in cultivated land. However, the measured data is not very satisfactory. The measured data of GNSS in villages with stable surface can not meet the requirement of surface movement observation. Keywords GNSS-RTK, Different environment, Ground motion measurement, measuring precision 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 1 目目 录录 1 1 绪论绪论 .................................................................................................. 1 1 1.1 研究的背景和意义 ...................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 .......................................................................................... 2 1.3 研究内容 ...................................................................................................... 3 1.4 本章小结 ...................................................................................................... 4 2 2 北斗卫星导航系统的发展和定位原理北斗卫星导航系统的发展和定位原理 ............................................ 5 5 2.1 北斗一代卫星导航系统 .............................................................................. 5 2.2 北斗二代卫星导航系统 .............................................................................. 6 2.3 北斗、GPS、GALILEO、GLONASS 系统的比较 .................................. 8 2.4 本章小结 ...................................................................................................... 9 3 GNSS3 GNSS- -RTKRTK 测量及误差因素测量及误差因素 ............................................................ 1010 3.1 GNSS 测量的误差来源 ............................................................................. 10 3.2 RTK 测量误差的影响因素 ........................................................................ 13 3.3 对 RTK 测量影响因素的处理 ................................................................... 14 3.4 本章小结 .................................................................................................... 16 4 4 对三星对三星 GNSSGNSS 在地在地表移动观测表移动观测中测量数据的分析中测量数据的分析 ........................ 1717 4.1 实验概况 .................................................................................................... 17 4.2 实验过程 .................................................................................................... 18 4.3 实验结果 .................................................................................................... 20 4.4 实验总结 .................................................................................................... 27 4.5 本章小结 .................................................................................................... 28 5 5 三星三星 GNSSGNSS- -RTKRTK 测量在地测量在地表表移动观测中的应用移动观测中的应用 ............................ 2929 5.1 工程区域概况 ............................................................................................ 29 5.2 求取测区转换参数 .................................................................................... 31 5.3 对工程区域的测量 .................................................................................... 31 5.4 测量成果及精度分析 ................................................................................ 33 5.5 工程项目总结 ............................................................................................ 38 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 目录 2 5.6 本章小结 .................................................................................................... 40 6 6 总结与展望总结与展望 .................................................................................... 4141 6.1 结论 ............................................................................................................ 41 6.2 展望 ............................................................................................................ 41 参考文献参考文献 .............................................................................................. 4343 致谢致谢 ...................................................................................................... 4545 攻读学位期间主要成果攻读学位期间主要成果 ...................................................................... 4848 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents 3 Contents 1 Introduction .............................................................................................1 1.1 Purpose and significance of the research ......................................................................... 1 1.2 Research status at home and abroad ................................................................................ 2 1.3 Research contents ............................................................................................................ 3 1.4 Summary of this chapter .................................................................................................. 4 2 The Development and Positioning Principle of Beidou Satellite Navigation System ..........................................................................................................5 2.1 Beidou first generation satellite navigation system ......................................................... 5 2.2 Beidou second generation satellite navigation system..................................................... 6 2.3 Compare of Beidou、GPS、GALILEO、GLONASS ................................................... 8 2.4 Summary of this chapter .................................................................................................. 9 3 GNSS-RTK measurement and error factors .............................................. 10 3.1 GNSS measurement error source ................................................................................... 10 3.2 RTK measurement influencing factors .......................................................................... 12 3.3 The treatment of RTK measurement factors .................................................................. 14 3.4 Summary of this chapter ................................................................................................ 16 4 Analysis of Measurement Data of Samsung GNSS in Ground Subsidence Survey ......................................................................................................... 17 4.1 Experiment overview ..................................................................................................... 17 4.2 Experiment process ........................................................................................................ 18 4.3 Experimental results analysis and research ................................................................... 21 4.4 Experiment summary ..................................................................................................... 27 4.5 Summary of this chapter ................................................................................................ 28 5 Application of Samsung GNSS - RTK Measurement in Surface Movement Measurement ............................................................................................... 29 5.1 Engineering project overview ........................................................................................ 29 5.2 Calculate the transation parameters ....................................................................... 31 5.3 Measurement of the engineering area ............................................................................ 31 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 Contents 4 5.4 Accuracy analysis and research of surveying results .................................................. 33 5.5 Summary of the project ................................................................................................. 38 5.6 Summary of this chapter ................................................................................................ 40 6 Conclusion and prospect ......................................................................... 41 6.1 Conclusion ..................................................................................................................... 41 6.2 Prospect ......................................................................................................................... 41 Reference .................................................................................................... 43 Acknowledgement ........................................................................................ 47 Main Work Achievement of the During Working on Master Paper ............. 48 万方数据 山东科技大学硕士学位论文 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 1.1 研究的背景研究的背景和意义和意义 国家的经济正在飞速发展，各类资源的消耗也会变得日益增多，为了确保 矿区各种工作的顺利进行，同时又要保护好矿区内的各类重要建筑物，就必须 观测和研究矿区开采引起的地表移动与变形，从而获得矿区的工作面上的各类 岩移参数，准确的掌握矿区地面的移动和变形规律。随着 GNSS 定位性能的进 步，其应用领域愈发的防范，然而矿区地表移动观测还多是由传统的水准测量 的方式进行，虽然在精度方面传统的水准测量可以满足，但是其效率远远不如 GNSS 测量[1]。 在 GNSS 中，最早开始发展的是美国的 GPS 系统，早在 1958 年美国就开 始了 GPS 技术的研究，其目的最初是服务于军方，后来逐步对民用开放，从而 运用于各个领域。由于美国的 GPS 技术开始研究的时间早，研究时间长，因此 它也是目前最为稳定的一个系统。 于 1993 年俄罗斯的 GLONASS 系统也开始建 立，并于 2007 年正式开始运营，从此美国不在是唯一拥有空间卫星的国家。北 斗卫星系统相比于上述两种系统起步相对较晚，但是由于我国的大力支持发展 速度很快，并且在 2014 年获得了面向海事应用的国际合法地位。上述四种系统 的日渐成熟组成了现在应用广泛且技术全面的 GNSS。多种卫星的进步以及接 收机性能的进步，也意味着卫星接收机必然将从单一的 GPS 卫星接收机进化为 多星的接收机。 近年来，GNSS 随着研究的加大有了很大进步，而且测绘工程是一个比较 早就开始接触并使用 GNSS 技术的领域，在现如今的 GNSS 技术更成为测