北斗、GPS雙星四頻接收機(jī)在長河壩水電站施工區(qū)的效果測試

袁有倉

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院，四川成都 610072)

1 概述

眾所周知，GPS技術(shù)已在各行各業(yè)普遍應(yīng)用。但是，單純的GPS系統(tǒng)在處于高山峽谷中的水電站建設(shè)工地總有一些部位不能正常接收衛(wèi)星或接收數(shù)量少于4顆，進(jìn)而導(dǎo)致其無法完成定位。其主要原因是GPS衛(wèi)星大部分高度角較低，受山體遮擋較嚴(yán)重，有時信號時斷時續(xù)，衛(wèi)星信號的連續(xù)性直接影響數(shù)據(jù)解算的精度、穩(wěn)定性和可靠性。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國正在實施的自主研發(fā)、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，縮寫為BDS。北斗衛(wèi)星的高度角較高，加之北斗衛(wèi)星系統(tǒng)具有地球同步衛(wèi)星特性，可大大提高跟蹤的連續(xù)性，降低PDOP，提高解算精度，特別是山區(qū)、高邊坡、遮擋嚴(yán)重的地區(qū)。現(xiàn)北斗衛(wèi)星已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)，使用北斗加GPS雙星系統(tǒng)測量將大大提升測量數(shù)據(jù)的可靠性和穩(wěn)定性。為了驗證北斗加GPS雙星系統(tǒng)在水電工程高山地區(qū)的使用效果，我們選用了上海司南衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)有限公司出品的M300C雙星四頻(北斗二代B1/B2加GPSL1/L2)監(jiān)測型接收機(jī)在長河壩水電工程工地進(jìn)行測試。該接收機(jī)可以同時跟蹤GPS衛(wèi)星和北斗衛(wèi)星。

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河流域水電梯級近期開發(fā)的大型水電工程之一。該水電站壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高 240m，裝機(jī)容量 2600MW［1］。電站地處高山峽谷之間，其工程邊坡高差很大，大多數(shù)在100m以上，在谷底、高邊坡區(qū)域等部位無法正常使用GPS定位。

2 實地測試

為了較為準(zhǔn)確地了解長河壩水電站工區(qū)雙星系統(tǒng)接收機(jī)衛(wèi)星接收情況，我們選取了幾處具有代表性的測點進(jìn)行測試。測試點選于山腳或懸崖底部等衛(wèi)星遮擋較為嚴(yán)重的地方。測試分2012年8月25日上午、下午以及26日上午三個時段進(jìn)行，每時段測試保證同步連續(xù)觀測時間達(dá)到2個h。測試點位分布及其條件見圖1～4。

圖1 1號測試點位置圖

1號測試點位于懸崖底部隧道口。8月25日上午，北斗衛(wèi)星始終保持4～5顆且連續(xù)跟蹤，而GPS僅有2顆為連續(xù)跟蹤;8月25日下午，北斗衛(wèi)星有5顆，GPS有2顆是連續(xù)的;8月26日上午，北斗衛(wèi)星有4顆連續(xù)跟蹤，而GPS僅有2顆為連續(xù)跟蹤。從以上衛(wèi)星接收情況看，單純的GPS數(shù)據(jù)是無法解算的，而北斗衛(wèi)星和GPS雙星連續(xù)觀測衛(wèi)星最少的數(shù)量為6顆，因此完全可以解算。

圖2 2號測試點位置圖

2號測試點位于半山坡，視野較為開闊。8月25日上午，北斗衛(wèi)星連續(xù)跟蹤5顆且總衛(wèi)星數(shù)最少時為11顆;8月25日下午，北斗衛(wèi)星最少時為4顆，總衛(wèi)星數(shù)最少時為8顆;8月26日上午，北斗衛(wèi)星連續(xù)跟蹤為6顆，且總衛(wèi)星數(shù)最少時為11顆。顯然，衛(wèi)星情況很好，該點在三個時段均可解算出有效觀測值。

3號測試點位于懸崖底部上游圍堰頂。8月25日上午，衛(wèi)星最少時為8顆，其中北斗衛(wèi)星連續(xù)跟蹤為4顆;8月25日下午，衛(wèi)星最少時為5顆，其中北斗衛(wèi)星為3顆，GPS為2顆;8月26日上午，衛(wèi)星最少時為8顆，其中有4顆北斗衛(wèi)星處于連續(xù)跟蹤狀態(tài)。

圖3 3號測試點位置圖

圖4 4號測試點位置圖

4號測試點位于初期導(dǎo)流洞進(jìn)口近乎直立邊坡坡腳處，周圍遮擋非常嚴(yán)重，單衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)幾乎無法使用。8月25日上午，有效時段的衛(wèi)星為4～6顆，其中北斗衛(wèi)星占一半;8月25日下午，衛(wèi)星總數(shù)僅為3～4顆，有時會到6顆，但衛(wèi)星信號斷斷續(xù)續(xù)，質(zhì)量非常差;8月26日上午，在有效時段內(nèi)衛(wèi)星總數(shù)可以達(dá)到6顆，其中北斗、GPS衛(wèi)星各3顆，雙星系統(tǒng)可以定位。由此可見，在地形條件很差的點位處，若采用北斗、GPS雙星系統(tǒng)接收機(jī)，仍可實現(xiàn)較為準(zhǔn)確的定位。

如果修定1號測試點坐標(biāo)并作為已知數(shù)據(jù)求解2號、3號、4號測試點在三個不同時段的坐標(biāo)，取各測點三個時段坐標(biāo)的平均值與相應(yīng)點各時段的坐標(biāo)進(jìn)行比較，結(jié)果見表1。

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，4號點由于衛(wèi)星遮擋嚴(yán)重，效果相對較差，其高程偏差達(dá)1.5cm。該點在單衛(wèi)星系統(tǒng)條件下無法定位，而雙星系統(tǒng)可以找到有效、可靠的觀測時段，其平面點位精度很好。其他各測試點觀測效果較好，各時段的坐標(biāo)差值較小。

如果將2號、3號點平面和高程坐標(biāo)(三等施工控制點)作為已知數(shù)據(jù)進(jìn)行約束平差計算，其結(jié)果與1號點已知坐標(biāo)(三等施工控制點)比較情況見表2(4號點在測試中因標(biāo)墩問題無法精確對中，在此不參與對比)。

從表2可以看出，雙星系統(tǒng)接收機(jī)所測數(shù)據(jù)與已知點坐標(biāo)平面相差約0.7～7.9mm，高程相差1.5 ～8.5mm，觀測精度較好。

表1 長河壩水電站北斗、GPS雙星系統(tǒng)測試結(jié)果對比表

表2 約束平差成果與已知點比較表

可見，北斗衛(wèi)星定位系統(tǒng)或GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)在長河壩水電站工區(qū)部分條件很差的部位(如4號測試點位)是無法實現(xiàn)定位的，但當(dāng)兩種系統(tǒng)聯(lián)合定位時，觀測衛(wèi)星數(shù)量幾乎增加了一倍，故完全能夠定位。

3 結(jié)語

從此次觀測數(shù)據(jù)看，由于北斗衛(wèi)星的高度角較高，北斗衛(wèi)星的信號跟蹤相對連續(xù)，而GPS衛(wèi)星由于大部分高度角較低，受山體的遮擋較嚴(yán)重，信號跟蹤不是很穩(wěn)定。對于單GPS衛(wèi)星系統(tǒng)來說，每天不同時段的衛(wèi)星數(shù)量不同，正常為5～9顆左右(可通過星歷預(yù)報查看)，有的時段本身GPS衛(wèi)星為4～5顆，若有遮擋時將直接減少一半，僅剩1～3顆，將無法定位。而GPS加北斗衛(wèi)星數(shù)量可以達(dá)到2+3或者3+2，從而能夠?qū)崿F(xiàn)高精度聯(lián)合定位。實際效果證實:北斗加GPS雙星四頻(北斗B1B2兩頻、GPSL1L2兩頻)接收的效果明顯要好于單GPS雙頻效果，對于測點環(huán)境要求也降低了很多，更適用于山谷、山底或遮擋比較嚴(yán)重的部位觀測。

隨著我國北斗衛(wèi)星系統(tǒng)的不斷組網(wǎng)，衛(wèi)星數(shù)量的增多，北斗加GPS使用效果將大大提升，可靠性和穩(wěn)定性將更強(qiáng)。因此，采用雙星系統(tǒng)接收機(jī)，使得在高山地區(qū)使用定位系統(tǒng)完成測繪任務(wù)成為現(xiàn)實，如在RTK地形測繪、施工放樣、控制網(wǎng)點建設(shè)、建立像控點以及邊坡自動化安全監(jiān)測等方面廣泛應(yīng)用，在水電工程高山地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。