автореферат диссертации по разработке полезных ископаемых, 05.15.01, диссертация на тему:Разработка метода создания маркшейдерских горных сетей на горнодобывающих предприятиях с использованием спутниковых технологий

I* —1 - _

'■•о од

о и КАР 1993

На правах рукописи

ПЛЕХАНОВА Наталья Петровна

УДК 622.1 : 526.9; 629.7

РАЗРАБОТКА МЕТОДА СОЗДАНИЯ МАРКШЕЙДЕРСКИХ ГОРНЫХ СЕТЕЙ НА ГОРНОДОБЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЯХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.15.01 — «Маркшейдерия»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998

Работа выполнена в Московском государственном горн университете.

Научные руководители: канд. техн. наук, проф. БРУЕВИЧ П. Н., канд. техн. наук ПАХМУТОВ Л. П.

Официальные оппоненты: докт. техн. наук МИХАЛЕВИЧ Д. С., канд. техн. наук ПАРФЕНОВ А. А.

Ведущее предприятие — НПО ВИОГЕМ.

Защита состоится « ^б. » . 1998

в час. на . заседании диссертационного сове К-053.12.05 в Московском государственном горном универс тете по адресу: 117935, Москва, В-49, Ленинский проспа Д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке упивс ситета.

Автореферат разослан « » _ 1998

Учены/! секретарь диссертационного совета

докт. техн. наук, проф. КРЮКОВ Г. 1

ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. В настоящее время в горнодобывающей отрасли большой обгём работ приходится на открытые горкыз предприятия. Совреиекный уровень развития горнодобывающей отрасли характе-. ризуется повысенкыми требованиями к геологическо-марклеидерсксму обеспечении предприятий. Поэтому очевидна целесообразность внедрения в геодезическо-маршнейдерское производство современных спутниковых технологий,основанных на использовании систем GPS и ГЛО-НАСС.

Актуальность темы заключается в том,что насыщение рынка спутниковой геодезической аппаратуры (СТА) различными типами спутниковых приемников не приводит к автоматическому решению вопросов, связанных с использованием .всех преимуществ и достоинств спутникового метода определения координат .Особенно это касается применения спутникового метода в геодезическо-млрксендерских работах, где имеются,на нал взгляд.следующие особенности.

1. Больной интервал точностей определения косрзшат пунктов геодезической основы :от нескольких дециметров до милли^етрев.

2. Довольно «алые (до 1 км) длины сторон опорных ¡.¡аркгОдесских сетей

3.Неблагоприятные условия наблюдения навигационных космических аппаратов (КА) из-за закрытости горизонта в карьерах.

4.Высокая стоимость спутниковой геодезической аппаратуры.

Одной из главных задач геодезтеско-иаркЕейдерской службы при

строительстве лябых видов подземных и наземных объектов язляется создание планово-высотных марксейдерско-геодезических сетей,поэтому главное внимание в диссертационной работе уделено совершенствования спутниковых методов создания маркпейдерскои основы на горнодобывающем предприятии, так как на многих предприятиях ухе тлеются спутниковые геодезические приемн!:ки и накоплен определенный опыт их применения.

Таким образом, внедрение в практику гожего дела спутникового метода определения координат . позваляхцего резко повысить эффективность геодезическо-маркпепдерскога обеспечения гсрнодсбыза-ющих предприятий, является актуальной научной задачей.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ.Разработка методики создания маркшейдерских опорных сетей на основе применения абсолютных.статических и кинематических режимов спутниковых измерений, вносящей определенный вклад в теорию и практику маркшейдерского обеспечения на открытых-

- г -

горных работах.

ОСНОВНАЯ ИДЕЯ работы заключается в обосновании возможности использования абсолютных спутниковых определений и передачи координат спутниковым методом на большие расстояния при создании местной системы координат и сокращения длительности производственного цикла (ДПЦ) маркшейдерских работ при использовании кинематических режимов измерений и ограниченного числа исходных пунктов в районе работ.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ,ЗАВЕЩАЕМЫЕ СОИСКАТЕЛЕМ, И ИХ НОВИЗНА:

1 Разработана методика создания местной системы координат (СК) в районе горнодобывающего предприятия на основе абсолютных спутниковых определений в условиях удаленности от государственной геодезической сети путем передачи системы координат на большие расстояния.

2 Обоснована эффективность использования кинематических режимов спутниковых измерений для создания маркшейдерской опорной сети на открытых горных работах.

3 Предложены методики перехода от СК к системе координат потребителя с использованием ограниченного числа исходных пунктов в районе работ и методики обработки результатов спутниковых измерений в зависимости от точности определения координат пунктов.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения и результаты исследований докладывались на научно-технической конференции "День горня-ка-96".Москва,МГГУ; на семинаре кафедры МДиГ, МГГУ,ноябрь 1997.

ОБОСНОВАННОСТЬ И ДОСТОВЕРНОСТЬ НАУЧНЫХ ПОЛОЖЕНИЙ И РЕКОМЕНДАЦИЙ подтверждаются теоретическими и экспериментальными исследованиями статических и кинематических методов спутниковых измере-' ний и их математической обработкой при различных объёмах измерительной и исходной информации.

НАУЧНОЕ ЗНАЧЕНИЕ диссертационной работы заключается в разработке методик перехода от СК к СК потребителя на основе известных параметров связи геоцентрической и реферснцной систем координат и оценке эффективности строгих методов уравнивания :путниковых измерений при создании маркшейдерсш опорных сетей.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы заключается в разработке предложений по планированию . организации и обработке спутниковых измерений с помощью одночастотных приемников при различных условиях

наличия исходных геодезических пунктов и требований к точности определения координат ; разработана методика создания местной системы координат на основе абсолютных спутниковых определений и передачи системы координат с помощью подвижного базового пункта.

РЕАЛИЗАЦИЯ ВЫВОДОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ РАБОТЫ осуществлена при-создании опорных маркшейдерских сетей с помощью одночастотной спутниковой аппаратуры фирмы Leica и отечественной СГА "Землемер Л1" на Люберецком ГОКе,Кудиновском ГОКе,на участке опорной межевой сети -в районе пос. "Восточный" Москозсквской обл., на учебном полигоне МГГУ ° пос.Ашукино и др.

ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликованы 2 печатные работы.

ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения.трех глав, заключения, содержит /W страниц машинописного текста, fß рисунков , ¡fi таблиц , список литературы'из 70 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Современное строительство -подземных¿сооружений осуществляется' в условиях более сложных и масштабных, чем 20-30 лот на пл. К ним относятся большие глубины,сложные грунты,протяженные тоннели и горные выработки в сочетании с более жесткими требованиями к качеству строительства, резким повышенна.! эксплуатационных требований к сооружениям и подземному оборудованию, а также охране недр.

В связи с . этим быстро растут потребности в автоматических геодезическо-маркшейдерских измерениях и способах их математической обработки,которые становятся основой организации систем непрерывного наблюдения за геометрией недр, сооружений и оборудования, выполнения высокоточных наблюдении за объектами в динамике и определения параметров их пространственного изменения.

Насыщение рынка геодезическими спутниковыми системами требует более четких и обоснованных методик с цел j достижения экономической эффективности их применения при решении конкретных геодезических задач.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены методики по совершенствованию спутникового метода создания маркшейдерских опорных сетей с помощью одно-частотных спутниковых приемников при открытых разработках место-, рождений.

Они затрагивают все основные технологические этапы создания геодезической основы на горнодобывающих предприятиях, а именно:

1)планирование работ;

2)организацию и методику спутниковых измерений;

3)математическую обработку.

В главе 1 выполнен подробный анализ современного состояния теории и практики применения СГА и сделано обоснование направлений совершенствования спутникового метода геодезическо-маркшей-дерского обеспечения на горнодобывающих предприятиях.

Как известно,в настоящее время созданы и функционируют две спутниковые геодезические системы:ГЛОНАСС (РОССИЯ) и GPS (США).

Прогнозирование движения спутников в навигационной системе GPS происходит в геоцентрической системе координат WGS-84.a в отечественной системе Глонасс - в ПЗ-90.Расхождение данных систем относительно центра масс Земли и ориентировке осей координат относительно звезд очень незначительно и оценивается на уровне ошибок определения их параметров(порядка 1.0-1.5 м для линейных и 0.005" для угловых величин).

На сегодняшний день накоплен большой опыт использования этих систем в геодезическо-маркшейдсрском обеспечении предприятий. Основу спутниковых определений в этой области составляет относительный метод.Абсолютные определения представляют интерес для высшей геодезии и навигации. ...

С целью выявления положительных качеств и недостатков спутникового метода при его применении в условиях добычи полезного ископаемого в работе сделан анализ результатов работ с использованием СГА. выполненных у нас й за рубежом..

Требования к геодезическо-маркшейдерскому обеспечению непрерывно растут в связи с жесткими требованиями к технике безопасности горных работ, охране окружающей среды.А главной особенностью :спутникового метода является высокая точность и оперативность получения конечных результатов.

Наиболее жесткие требования предъявляются к геодинамическим параметра! 1, которые неразрывно связаны с эксплуатацией горнодобывающих предприятий. _ ■

В настоящее время спутниковый метод в маркшейдерии применяется при создании опорных геодезических сс;ой для всех видов предприятий . сгущении геодезической основы ; при решении блока вопросов . связанных с определением сдвижения горных пород,т.е. при решении задач , связанных с координатными определениями.

В настоящее время десятками зарубежных фирм выпускается большое количество спутниковой аппаратуры для различных целей. Современную спутниковую геодезическую аппаратуру можно охарактеризовать следующими свойствами:

1)высокая степень автоматизации процесса измерений и математической обработки;

2)портативность и малая энергоемкость;

3)универсальность при различных видах координатных определений. -

Однако ночьзя не отметить их высокую стоимость . Достоинством спутникового метода является независимость от погодных условий, времени суток ; отпадает потребность в постройке дорогостоящих наружных знаков ; возможность получения сразу трех координат (х;у;г;) .что обуславливает значительную экономию времени при выполнении полевых и камеральных работ.

Основные источники погрешностей определения положения наблюдателя : ионосферная и тропосферная задержки,шум приемника,геометрический фактор ,связанный с расположением КА в зоне видимости пункта,точность прогнозирования положен"^ спутников.уровень стабильности генераторов.

Все типы спутниковых приемников подразделяются на одно- и двухчастотные. Использование двух несущих частот, излучаемых бортовым генератором, позволяет в несколько раз снизить ошибки прохождения ионосферы.Анализ применения одночастотных спутниковых приемников у нас в стране и за рубежом,а также собственные исследования автора показали, что с помощью одночастотных спутниковых приемников можно решить большинство геодезическо-маркшейдерских задач. Это обосновано тем.что для достижения более высоких точностей при использовании СГА необходимо увеличить на 30-50й время наблюдений на пункте. Как известно,при дифференциальном методе координатных наблюдений ошибки среды и эфемерид спутника на коротких расстояниях (несколько километров) практически исключаются.

У нас - в стране наибольшее распространено получили одночас-тотные спутниковые приемники фирм Аштек.Лейка.Тримбл.

В состав каждого комплекта входит приемник.антенна, контроллер, блок питания, пакет программ математической обработки результатов измерений.

В главах 2 и 3 разработана методика создания местной СК в районе горнодобывающего предприятия ; обоснована эффективность использования кинематических режимов спутниковых измерений

предложена методика перехода от СК \iGS-84 к СК потребителя с использованием ограниченного числа исходных пунктов.

Различные типы спутниковой аппаратуры позволяют в несколько раз, а в некоторых случаях и на порядок повысить эффективность ге-одезическо-маркшейдерских работ при создании координатной основы. В первую очередь это обуславливается общими достоинствами спутникового метода,сформулированными ранее. Однако практика применения СГА показывает, что наиболее актуальными являются исследования по обоснованию наиболее эффективных методик планирования, организации и выполнения спутниковых измерений с учетом решения конкретных задач.Особенно актуальной становится задача совершенствования методов математической обработки спутниковых измерений.

Одним из направлений совершенствования применения спутникового метода при геодезическо-ыаркшейдерском обеспечении становятся также исследования по обоснованию всех конструктивных и программных возможностей спутниковой аппаратуры.Проведенный в работе анализ опыта использования СГА в различных видах геодезических и маркшейдерских работ показывает, что недостаточно используются кинематические режимы работы спутниковой аппаратуры. В инструкциях по эксплуатации одночастотной аппаратуры приводятся, на наш взгляд, заниженные данные о точности кинематических режимов, т. к. экспериментальные исследования показали,что один из видов кинематических режимов - Б^р-йо - может обеспечить более 60£ всех видов маркшейдерских работ. •

В опубликованных материалах по использованию спутникового метода в геодезическо-маркшейдерских работах почти не освещен вопрос планирования и организации спутниковых измерений с учетом особенностей,присущих открытым горным выработкам.

Наибольшей эффективности использования СГА можно достиг-' нуть,применяя все возможности, заложенные в программном математическом обеспечении аппаратуры. Так,'например, процедура планирования позволяет организовать спутниковые измерения в любых условиях геометрической гмдимости. в глубоких выработках, где видимость по горизонту в каждом секторе может быть различной. В работе приведена методика применения процедуры планирования при работе с аппаратурой "Землемер ЛГ'.Суть ее заключается в том, чт<.- определив углы возвышения в каждом секторе, на пунктах с полузакрытой видимостью можно выбрать такой момент наблюдений в течение суток, когда с этой точки будут наблюдаться не менее 4 КА.Данные об условиях

наблюдения могут быть определены по крупномасштабной карте или в результате рекогносцировки.

Разнообразие физико-географических условий районов работ,а также такие параметры,как площадь участка создания геодезической основы, требуемая точность определения координат и высот пунктов ,• наличие исходных пунктов и другие факторы обуславливают применение наиболее гибких организации и производства спутниковых измерений.

В настоящее время в этом плане наиболее актуальной становится проблема передачи системы координат в район горнодобывающего предприятия и создания на ее базе местной СК.

Эта проблема вытекает из того,что существующая Государственная геодезическая сеть ГГС, как известно , имеет плотность 1 пункт на 50-60 км", что соответствует среднему расстоянию между пунктами 7-8 км. Однако опыт выполнения работ по созданию геодезической основы свидетельствует о том, что реальная плотность пунктов значительно ниже. Это приводит к тому,что привязка местной СК,в которой создается геодезическая основа на горном предприятии, требует значительных затрат в общем комплексе работ.

Математическое обеспечение всех типов спутниковой г ■одези-ческой аппаратуры имеет программы преобразований координат, основанные на классическом методе решений этой задачи с использованием трех опорных пунктов. По этой проблеме в работе приведены исследования по возможности координатных преобразований при наличии одного и двух опорных пунктов на основе использования прямого преобразования координат по известным параметрам связи геоцентрических и референцных СК.

Математическая обработка спутниковых определений при любых видах работ составляет наиболее ответственную задачу при определении координат. С этой целью в работе проведены исследования методики выполнения математической обработки при помощи пакета программ ВЬ-1Л в комплекте СГА "Землемер Л1",позволяющие повысить надежность обработки спутниковых измерений. 1„лолнснных с применением фазовых и доплеровских измерений, а также с применением кинематических режимов.

Предложения по совершенствованию спутниковой технологии создания маркшейдерской сети имеют экспериментальное обоснование, выполненное в натурных условиях (на Призаводском карьере в Кудино-во,Люберецком ГОКе.в п.Восточный.на Ашукинском полигоне и в районе г.Зубцов Тверской области).

В работе выполнены исследования по созданию местной СК в районе горнодобывающего предприятия.В настоящее время отвод земель под горные выработки должен выполняться в местной СК,имеющей надежную связь с единой государственной СК.-Известно, что такой государственной системой является СК - 42 на основе эллипсоида Кра-совского и проекции Гаусса-Крюгера.

Координаты пунктов в этой системе не общедоступны, поэтому их использование на практике крайне затруднительно.При выполнении работ традиционными методами местная СК, как правило, строится путем назначения условного начала в одном из пунктов сети и разворотом ее на заданный угол.

Однако при наличии СГА местную систему координат можно построить более эффективным и простым методом. Как показали исследования, на практике встречаются два случая: создание местной СК на изолированном удаленном предприятии (карьере) и в районе, где имеется достаточная плотность исходных пунктов.

Для первого случая был проведен эксперимент на Призаводском карьере. Цель эксперимента: передать СК- 42 на пункты опорной маркшейдерской сети,созданной традиционным методом. С этой целью одна из спутниковых станций была установлена на пункте ГГС4 второго класса, удаленном от района работ на 40 км. Вторая станция попеременно устанавливалась-на двух точках полигонометрического хода. Время наблюдений на каждой точке - 1 час.

Обработка выполненных измерений сводилась к получению наклонных дальностей между точками на концах известного базиса из спутниковых определений в СК №(55-84 и Сравнению их с соответствующими дальностями,полученными лазерным дальномером. Так как координаты этих пунктов в СК- 42 имели грубую привязку по одному опознавательному контуру, то расхождения этих координат и спутниковых наблюдений являются погрешностью задания СК с учетом ошибок' измерений, т.к. точность спутниковых измерений на одном уровне с традиционными измерениями (табл. 1). В данной таблице также обоснован разворот принятой ранее СК. Разность длин базисов, полученная из непосредственных измерений и спутникового метода, составляет 18,9 см. (Координаты приведены в условной СК)~

Таблица 1

КООРДИНАТЫ ОПРЕДЕЛЯЕМЫХ ПУНКТОВ

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЙ Пункт 3 Пункт 6

X V г X У г

СПУТНИКОВЫЙ 765. 92 609. 47 ' 144,88 767.55 895.68 145.11

НАЗЕМНЫЙ 754.83 620.98 144.38 754.00 907.00 | 144.77 |

ДХ ,ДУ ДХ ,ДУ + 11.09 +13.55 -11.51 -11.32 +0; 50 +0.34 +13.-55 1 -11.32 1 +0.34 ' 1 |

ДХ.ДУ 2,46 1 0.19 1 0,16

Б = 286,210«- Ж&-84 Н = -0,223«- «СБ-..!

Б - 286,215м- СК -42 Н = -0,226к- СК -42

Б = 286.021«- наземн. Н =-0,100«- нивелир

Обработка измерений в .системе №03-84 была выполнена в режиме фазовых и доплеровских измерений.Таким образом, геодезическое обоснование было сделано с использованием одного опорного пункта в течение одного дня полевых работ;выполнение этих работ традиционным методом потребовало бы нескольких дней.

В районе Люберецкого ГОКа местная СК была создана следующим образом: за начало СК был принят базовый пункт, который находится в центре карьера .Его координаты получены путем перевычисления по соответствующей схеме.

Из условия равенства систем ^-84 и иЗ-90 координаты базового пункта из геоцентрической системы координат переведены в СК-42 года.Абсолютные координаты базового пункта были получены из нескольких сеансов наблюдений по навигационным измерениям.

Достоинства такой сети:

1)в условиях изолированности данного карьера от исходной геодезической сети такая сеть вполне приемлема для решения внутренних задач горного производства,хотя условия ее задания недоста-

точны для стыковки с границами земель других фондов;

2)она имеет СК, близкую к единой, в том числе по ориентировке по азимуту и позволяет работать с ней как с открытой системой ;

3)сохраняет свойства проекции Гаусса-Крюгера.

Такая сеть может быть создана только с помощью математического обеспечения, имеющегося в комплекте аппаратуры или собственного алгоритма перевычисления с общеземного эллипсоида в эллипсоид Красовского.

Методика передачи СК была реализована в эксперименте, проводимом на испытательном полигоне МПС ст.Щербинка. Суть эксперимента состояла в обеспечении единства СК по трассе движения инерциаль-ной навигационной системы из НИИ "Электрооптика" (р-н ВВЦ) на станцию Щербинка.

С этой целью СК задавалась одним исходным пунктом. Здесь исследована методика передачи координат с помощью подвижного базового пункта с целью сохранения высокой точности взаимного положения пунктов. Длина сторон принималась не более 20 км, что позволило сохранить сантиметровую точность при длительности сеанса наблюдений 40-50 минут.

Цель эксперимента:продемонстрировать практические возможности спутниковой аппаратуры по вынесению протяженной трассы в одной системе координат. Наблюдения на пунктах осуществлялись по принципу нивелирного хода.Контроль осуществлялся в использовании фазового и доплеровского режимов,а также путем обратных перевычислений, т. е. назначением конечной точки в качестве базовой,а базовой в качестве определяемой. Такой метод позволяет избежать грубых ошибок и показывает надежность спутниковых измерений. Получены следующие разности результатов ДИ в фазовом и доплеровском режимах ; Д I? „, п = 0,004 м Д Я с;, = 0,028 м Л И ,1,= 0.058 м

Таким образом, в' этих экспериментах была обоснована методика создания местной СК в условиях изолированности и передачи системы координат на большие расстояния .

Следующим направлением совершенствования спутникового метода создания геодезическо-маркшейдерской основы является разработка надежных методик использования кинематических р<_'..имов спутниковых измерений.На наш взгляд,актуальность этих исследований вытекает из того,что освоение в маркшейдерском производстве кинематических методов позволяет достичь наиболее ощутимых результатов экономи-

ческой эффективности применения СГА, т.к.сущность кинематических режимов заключается в следущем:

1)в отличие от статических методов,время приема информации на точке сокращается до 10 с;

2)при движении между определяемыми точками приемник остается на связи со спутниками,но информация не фиксируется в памяти ; на определяемой точке осуществляют несколько эпох, измерений при условии наблюдения на линии не менее 4 КА.

Один из видов кинематических режимов- "Stop-Go"- в СГА ""Землемер JU" предусматривает на первой точке от базовой производить уверенное разрешение многозначностей Фазовых измерений.С этой целью первая точка наблюдается не менее 15-20 минут и служит точкой инициализации,которая задает цепочку точек. Алгоритм ведения работ в реяиме "Stop-Go" приведен на рис. 1.

Для исследования эффективности этого режима на практике при создании типовой геодезической сети на небольшой площади использовалась учебная геодезическая сеть МГГУ в пос. Аиукино .Сеть ранее была получена по результатам линейно-угловых измерений (базовых) , уравнивание сети было выполнено параметрическим способом.

Оценка точности линейно-угловых измерений характеризуется ошибкой единицы веса )х=2", которая вычисляется по формуле

где v - поправки из уравнивания к измеренным величина},!; р - веса измерений; n~k=r - число избыточных измерений.

Измерения выполнялись в режиме "Статика" (доплеровские и фазовые измерения DJon. и Ц}33) и в режиме "Stop-Go" (Dstop.Go), Максимальные расхождения с базовым вариантом получены при фазовых измерениях , минимальные - при доплеровских (рис 2). Ряд отклонений по точности объясняется тем, что измерения были выполнены с интервалом в один год, т.е. было возможным смещение реперов.

Существенность значения экономической эффективности метода "Stop-Go" (в данном случае базового ) по отношению к статическому определяется по формуле

р( Itl > t,)= 1-2ФШ, (2)

где нормированные значения сокращений t, = |d,| / и,'

J, - сокращение длительности производственного цикла (ДПЦ);

(1)

Рис.1. Алгоритм ведения работ в резюме "Stop-Go"

î

V-.—-

га, + т0

га0 , и, - стандарты ДПЦ ; ФШ- значение нормированной функции Лапласа. В нашем случае значение вероятности р ( М > 1;, X 0.1 .т.е. налицо качественный эффект базового варианта.

0:1 у - DStop Go

(IVj-Dtu 0,01Jm ( 0я-7 - = 0,0«м (Dn-J - Dsiof с« )cp - 0,034м

Рис.2. Гистограммы погрешностей наклонных расстояний

Проведенные исследования выявили следующие трудности при практической реализации режима "Stop-Go" и пути их преодоления:

1)необходимо иметь хорошие условия видимости по трассе движения, т. е. метод может применяться на достаточно открытых площадях. Для работы в карьере он может быть применим, если будет устанавливаться связь с не менее чем 4 КА;

2)программа обработки режима "Stop-Go" в комплекте "Земле-мер-Л1" имеет ограничение: в одном файле обрабатывается не более 100 точек;

3)расстояния между пунктами не должны превышать 1км;

4)сеансы измерений не должны превышать 1 час,чтобы не произошла смена спутников;

5)при потере связи со спутниками в процессе движения необходимо следующую точку сделать точкой инициализации;

6)исследования в пос.Апукино и на эталонной сети МГГУ показали, что точность режима "Stop-Go" находится в пределе паспортной - 3 см.

В качестве рекомендаций при практическом использовании режима "Stop-Go" необходимо выполнять следующее:

а)тщательно провести рекогносцировку движения подвижной станции;

- и -

б)иметь подготовленный персонал .что поможет избежать трудностей при наборе полевых измерений.

Общая схема математической обработки спутниковых определений включает два этапа :

1)Определение относительных приращений координат определяемых пунктов и наклонных дальностей по базовым линиям, производимым в геоцентрической спутниковой СК Ш5-84.Этот этап обработки, как правило, не допускает вмешательства пользователя, за исключением редактирования измерений и выполняется по стандартным программам.

2)Перевычисление координат из СК 1^3-84 в СК потребителя.

В работе -ыполнены теоретические и экспериментальные исследования по обоснованию методики совершенствования математической обработки по каждому этапу. Практическую ценность имеют результаты, связанные с реализацией алгоритмов второго этапа обработки -преобразованием координат, и процедуры уравнивания геодезической сети по способу наименьших квадратов.

Как известно, в аппаратуре "Землемер Л1" предусматривается два режима первичной обработки измерений - фазовый и доплеров-ский.Физическая сущность данных методов координатных определений состоит в следующем:при фазовом методе определяются вторичные разности фазовых измерений,по которым можно оценить остаточные влияния интегрального решения по определению наклонных дальностей между приемником и КА и между исходным и определяемым пунктом. Сущность доплеровского метода заключается в реализации эффекта Доплера. Изменение расстояния между излучателем и приемники.! сигналов может быть оценено с помощью доплеровского сдвига частоты, зная который , можно вычислить разность расстояний между двумя положениями КА относительно приемника.Изготовителем аппаратуры заявлена следующая точность фазовых измерений,характеризующая СКП измерения расстояний для одночастотной СГА:

аи =10мм 1*10~с0 мм.

Что касается доплеровских измерений,есть достаточные основания считать, что они дают более грубые результаты по сравнению с фазовым алгоритмом.

Однако практикой установлено, что доплеровский режим обработки менее чувствителен к качеству полученной информации. При проведении эксперимента с помощью СГА "Землемер Л1" на сети МГГУ было установлено, что те файлы измерений, которые при фазовой обработке отбраковывались программой, уверенно обрабатывались в допле-

ровском режиме.Но при этом сходимость этих результатов по сравнению с фазовыми сильно зависела от длины базисной линии и времени набора информации.При создании маркшейдерских опорных сетей в условиях . сильно различающихся условий наблюдений на пунктах этот фактор имеет большое значение для надежности результатов.Для выявления зависимости результатов доплеровских измерений от качества измерений и длин линий был выполнен ряд экспериментов.

Наиболее обширная информация для исследования данного фактора была получена при создании обширной геодезической сети в р-не г.Зубцов Тверской обл.Зависимость разности фазовых и доплеровских измерений от времени наблюдений на пункте представлена на рис.3.

ДЯ.м

СК \№5-84

|> а з "^л о п

Ь, сек

Рис.3. Зависимость точности интегрально-доплеровского режима обработки спутниковых измерений от времени наблюдений

Здесь сравниваются первичные результаты в СК согласно

которым с увеличением времени наблюдений на точке разности расстояний Д1? уменьшаются. С увеличением расстояния до базового пункта разности фазовых и доплеровских измерений увеличиваются .

Проблема преобразований координат при спутниковых измерениях связана с различием СК, в которых задается положение спутников навигационной системы и СК потребителя. Однако реализация данных условий в каждой стране на практике производится различными путями и методами в зависимости от наличия и точности измерительной информации. Исходя из общности теоретических установок следует ожидать одинаковые результаты в реализации геоцентрических систем координат ПЗ-90 и 4/08-84, т. е. соблюдение равенства

(ХУ2)пз_до»Шг)иа5-84 (3)

дли пространственных координат любых точек на поверхности Земли и околоземного пространства (при условии равноточности ошибок в измерении координат). Однако на практике условие (3) строго не выполняется, т. к. при выводе параметров данных систем координат использовалась различная по составу, объему и точности измерительная информация.

В общем случае связь любых двух систем координат (а.Б) осуществляется на основе уравнений вида :

X | Г 3 и. _*„

У I = (1+т)И-. 1 щ 1 1э I и,,, и. 1

XI X

У (4)

Ыз г 0

где

- линейные параметры вектора связи двух начал систем координат; "к - угловые параметры, характеризующие рассогласо-

вание соответствующих координат осей; и - масштабный параметр.

Каждый совмещенный пункт ,т.е. имеющий координаты в системах 0 и Б ,дздт три уравнения для определения неизвестных параметров х0, уР, г0, Як, , иг,, и. Таким образом, для получения и оценки точности всей совокупности параметров связи необходимо иметь не менее трбх опорных пунктов. Решение данной системы уравнений по способу наименьших квадратов с избыточным числом опорных пунктов позволяет повысить надежность определения параметров связи систем координат 0 и 5.

Таким образом, преобразование спутниковых геоцентрических систем координат в систему координат .в которой создаются маркшейдерские опорные сети, теоретически может производиться по двум направлениям:

1) из совместного решения систем уравнений при числе опорных пунктов п>3;

2) по известным параметрам ("ключам") связи спутниковой системы координат и системы координат потребителя.

Классический подход при решении задач геодезического профиля основан на реализации первого направления. К недостаткам его относятся явные завышения объёма полевых работ на опорных пунктах при ограниченном числе определяемых пунктов, например, не более 4-6 пунктов , что наиболее характерно для маркшейдерских сетей горно-

добывающих предприятий. Такие алгоритмы реализованы в пакетах математического обеспечения практически всех типов спутниковой геодезической аппаратуры.

На наш взгляд,практический,интерес для геодезическо-маркшей-дерских работ представляет в настоящее время и второе направление. Базой данного направления является наличие системы параметров связи,надежность оценки которой подтверждена фундаментальными работами . В результате совместного уравнивания АГС (ITC). ДГС и КГС сделан вывод о том,что геоцентричность начала системы ПЗ-90 оценивается величиной средней квадратической ошибки -1,0 м и по данной характеристике она аналогична системе координат WGS-84.

Имеется достаточный экспериментальный материал для различных условий и требований к преобразованию координат. Обобщены данные о возможности реализации алгоритма прямого перехода к системе 1942 года или местной системе (имеющей связь с СК-42) при создании высокоточного геодезического обоснования на ограниченной территории и во многих случаях определения положения наземных координат пунктов с субдециметровой и субметровой точностью.

Таким образом,схема координатных преобразований

(XYZ)wgs.84 = (XYZ)n3.9a - (XYZ)CK.4S - (xyh)CK-4? " (xyh)M<;K (5)

будет вполне реальна при развитии опорных маркшейдерских сетей и создании •других видов геодезического обоенэвания при землеустройстве. При этом достигается не только существенная экономическая эффективность, но и значительно упрощается организация полевых измерений.

При исследовании этого вопроса среди специалистов в этой области существует много мнений. Так ,утверждалось, что преобразование. (XYZ)n3.90=(XYZ)wes_84 (3) является нестрогим.Однако серия экспериментов подтвердила, что в большинстве случаев в практике геодезическо-маркшейдерских работ эта методика приемлема. Алгоритм реализации этой методики был разработан совместно с кафедрой "Астрономии и геодезии" военно-инженерной академии им. Куйбышева (в диссертационной работе он обозначен "AND").

Так как преобразование (3) является "нестрогим", стояла задача определить пределы применения этого метода в смысле его точности при различных параметрах геодезической сети . На опорной сети п. "Восточный" площадью ~300*300 м'~ получено максимальное различие в координатах - 1 см . На опорной сети а районе г. Зубцов по-

1

- io -

лучены расхождения по AR при строгой обработке в фазовом и допле-ровском режимах .которые отражены в табл. 2.

• Таким образом, данные результаты подтверждают возможность применения этой методики при создании маркшейдерской основы при расстояниях между пунктами до 10 км, когда погрешности пересчета координат соизмеримы с точностью измерений. Однако на больших площадях погрешности могут достичь нескольких дм.

Одной из проблем математической обработки спутниковых измерений является вопрос уравнивания геодезических сетей.Большинство математических программ обработки GPS- аппаратуры предусматривает применение уравнительных вычислений,однако в практических руководствах не заостряется внимание на том.что строгое уравнивание по методу наименьших квадратов может быть выполнено только при наличии избыточных измерений. На практике это значит, что в геодезической сети, полученной спутниковым методом,должны быть замкнутые фигуры.позволяющие вычислить линейную невязку. Такой подход предполагает также,что замкнутую фигуру можно получить путем включения в сеть линейных непосредственных измерений. На опорной сети в р-не г.Зубцов выполнено исследование по выявлению эффективности процедуры уравнивания путем включения в геодезическую сеть дополнительных базовых пунктов , полученных из спутниковых измерений.Результаты свидетельствуют о том , что достигнут незначительный эффект (табл.2):

Таблица 2

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УРАВНИВАНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКОЙ СЕТИ В РАЙОНЕ Г.ЗУБЦОВ

Рассматриваемые варианты ¿R + bf ,м ДН.м

¿R min to cp- Д R aax йН min &H cp йН шах

t -ЗЬ - f lb 0 0,012 0,061 0 0,005 0.020

d 3b - d lb 0 0,066 0,158 0,030 0,254 0, 560

f 3b - And 0.070 0,133 0,242 0.030 0,211 0, 450

d 3b - And 0,070 0,149 0,341 0,020 0.084 0,240

Это подтверждает как строгость уравнивания, так и точность

фазовых и доплеровских измерений при трех базах. Незначительный эффект,достигаемый при строгом уравнивании, обуславливается тем, что здесь основное влияние оказывают ошибки исходных пунктов , которые на порядок выше, чем ошибки спутниковых измерений. Поэтому строгость уравнивания не имеет значительного эффекта.т.к. исходные пункты имеют точность взаимного положения до 10 см и более.

Из этого следует . что для достижения высокой точности необходимо уравнивать сети как свободные,т. е. без включений координатных условий исходных пунктов, но для этого необходимо изменять алгоритм, заложенный в пакет программ вторичной обработки. Однако это уравнивание может быть использовано при создании маркшейдерских сетей повышенной точности по алгоритмам и программам, дополняющим стандартные фирменные пакеты обработки.

Заключение

В диссертационной работе дано решение актуальной научной задачи разработки методики создания маркшейдерских опорных сетей на основе применения абсолютных, статических и кинематических режимов спутниковых измерений , вносящей существенный вклад в теорию и практику маркшейдерского обеспечения на открытых горных работах.

Выполненные исследования позволяют сделать основные выводы:

1. Одночастотные спутниковые приемники по точности позволяют решать большинство маркшейдерских задач и могут обеспечить экономический эффект при их применении. Наибольший эффект здесь приобретает использование всех конструктивных особенностей данного типа прибора, в частности:

а)использование процедуры планирования условий измерений с рекогносцировкой по крупномасштабным планам и картам.

б)использование абсолютных координат из спутниковых измерений для создания начального пункта местной СК;

в)стремление получить замкнутые фигуры в сети.

2. Разработанная методика создания местной системы координат путем передачи единой системы координат на большие расстояния,методом подвижного базового пункта или путем использования абсолютных координат при спутниковых определениях на базовом пункте позволяет создать необходимую сеть исходных геодезических пунктов требуемой точности в районе работ, что существенно сокращает сроки их выполнения.

- ¿и -

3. Использование режима "Stop-Go" для определения координат пунктов маркшейдерских опорных и съёмочных сетей на открытых месторождениях полезных ископаемых позволяет на порядок уменьшить длительность полевых наблюдений по сравнению со спутниковым методом в режиме "Статика".

4.Проведенные в работе исследования позволили определить минимальный объём и вид исходной'"'и измерительной информации при использовании одночастотных спутниковых приемников для создания опорных маркшейдерских сетей,а именно : при развитии опорных сетей на небольших участках (до 1-2 юл ) можно использовать интег-рально-доплеровский режим обработки измерений и ограничиться одним-двумя исходными пунктами.

5. Одним из существенных вкладов в совершенствование спутникового метода при использовании одночастотных приемников является предложенная методика координатных преобразований при сокращенном числе исходных пунктов,что позволит при создании опорных маркшейдерских сетей сократить число наблюдений на исходном пункте до двух раз. Одним из условий применения этой методики является наличие координат исходных пунктов в СК- 42 или СК-63 . В зависимости от требований к точности в пределах до 1 дм можно обеспечивать преобразование координат на участке протяженностью до 10 км.

Наибольшую точность имеют результаты .полученные на маркшейдерских опорных сетях,где расстояния не превышают 1 км.

6. Уравнивание маркшейдерских сетей строги!,i методом предусматривает наличие замкнутых фигур в сети, что не является обязательным при использовании спутниковой технологии. Дополнительные наблюдения на пунктах опорной маркшейдерской сети для получения замкнутых фигур целесообразно'производить только в случае, когда ошибки исходных данных соизмеримы с ошибками относительных координат полученных спутниковым методом. . В других случаях эффективность строгого уравнивания незначительна.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Пахмутов Л. П., Киндрат Н. П.- (Плеханова Н. П.). Андреев В. К. Использование спутниковой технологии при создании опорных маркшейдерских сетей //Маркшейдерский вестник. -1998. -N 1.

2.Киндрат Н. П. (Плеханова Н.П.), Пахмутов Л.П. Оценка эффективности спутниковой технологии при геодезическо-маркшейдерском обеспечении /Материалы научной конференции. М.,МГГУ,1997.-С.45-51.