GPS在西龍池上水庫(kù)表面變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

趙 燕

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035503）

GPS在西龍池上水庫(kù)表面變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

趙 燕

（山西西龍池抽水蓄能電站有限責(zé)任公司，山西省忻州市 035503）

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)西龍池上水庫(kù)變形的連續(xù)、自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，研制了GPS變形監(jiān)測(cè)軟件DDMS，建立了西龍池上水庫(kù)連續(xù)運(yùn)行監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。運(yùn)行表明，系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性，DDMS在觀測(cè)數(shù)據(jù)無(wú)缺失的情況下，提供有效解的概率高于98%。該軟件2h時(shí)段解在N、E、U 方向的重復(fù)性分別為1.2mm、0.9mm、2.2mm，4h時(shí)段解算N、E、U 方向的重復(fù)性為0.8mm、0.7mm、1.5mm。實(shí)現(xiàn)了GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可進(jìn)行高效率的實(shí)時(shí)、自動(dòng)化、高精度大壩變形監(jiān)測(cè)。

GPS；表面變形；監(jiān)測(cè)

0 引言

山西西龍池抽水蓄能電站設(shè)計(jì)4臺(tái)機(jī)組，裝機(jī)容量120萬(wàn)kW。電站于2002年開(kāi)工建設(shè)，于2008年第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2011年機(jī)組全部投產(chǎn)商業(yè)運(yùn)營(yíng)。電站以500kV電壓等級(jí)接入山西電網(wǎng)，主要服務(wù)于山西電網(wǎng)。

根據(jù)電站可研設(shè)計(jì)資料，電站設(shè)計(jì)年發(fā)電量18.05萬(wàn)kWh，抽水電量24.07萬(wàn)kWh，綜合效率75%，電站主要功能是調(diào)峰、填谷、調(diào)頻、調(diào)相和事故備用等方面。

1 西龍池上水庫(kù)GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

西龍池上水庫(kù)GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建了一套合理、高度集成化的GPS監(jiān)測(cè)軟件平臺(tái)，使用TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)接收機(jī)與主機(jī)的互聯(lián)互訪、遠(yuǎn)程控制等，具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于維護(hù)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)組成（如圖1所示），系統(tǒng)無(wú)需人工值守，其數(shù)據(jù)采集，處理、分析等在監(jiān)控室主機(jī)的自動(dòng)控制下完成。

圖1 上水庫(kù)GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 數(shù)據(jù)采集

圖2 西龍池上水庫(kù)表面變形GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

西龍池GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)共設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)2個(gè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，如圖2所示。各測(cè)站上均配備TRIMBLE NETRS接收機(jī)及CHOKERING天線（TRM29659.00），天線固定在強(qiáng)制對(duì)中基座上（安裝于觀測(cè)墩上），觀測(cè)墩要求嚴(yán)格水平。兩個(gè)基準(zhǔn)站距上水庫(kù)庫(kù)區(qū)均有一定的距離（小于800m），仰角8?以上沒(méi)有遮擋，連續(xù)監(jiān)測(cè)站位于環(huán)庫(kù)的5個(gè)斷面上，7個(gè)測(cè)站進(jìn)行全天候24h不間斷觀測(cè)。

1.2 數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)某一網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他點(diǎn)的正常工作。監(jiān)控室主機(jī)與各測(cè)站上的接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，并轉(zhuǎn)為RINEX文件存儲(chǔ)。同時(shí)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕到y(tǒng)保留了FTP下載功能，如實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換失敗，則自動(dòng)更改為定時(shí)FTP下載。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理軟件采用由武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院研制的DDMS軟件，該軟件主要由總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫(kù)管理4個(gè)模塊組成，主要功能包括GPS基線解算、坐標(biāo)估計(jì)、變形量提取以及精度分析、基準(zhǔn)穩(wěn)定性分析、變形過(guò)程線顯示、預(yù)警報(bào)警等。針對(duì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中基線短的特點(diǎn)，并兼顧實(shí)時(shí)性以及高精度的需求，對(duì)GPS基線解算模型進(jìn)行精化，開(kāi)發(fā)了GPS基線解算軟件。主要模型以及處理策略如下：

（1）衛(wèi)星軌道采用廣播星歷計(jì)算。對(duì)于1km以內(nèi)的基線，軌道誤差對(duì)基線的影響很小。經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算表明，5m的星歷誤差，在最不利的情況下，其影響為0.05mm。目前廣播星歷的精度遠(yuǎn)小于5m，因此，由廣播星歷導(dǎo)致的軌道誤差可以完全忽略。

（2）由于西龍池基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)大致在一個(gè)平面上，且基線小于1km，氣象條件幾乎完全一致，采用雙差觀測(cè)值建立觀測(cè)方程，忽略了電離層、對(duì)流層的影響。

（3）對(duì)于地球自轉(zhuǎn)的影響，不采用慣性系下建立觀測(cè)方程的嚴(yán)密方法，忽略了歲差、章動(dòng)以及極移在信號(hào)發(fā)射至接收期間的變化，簡(jiǎn)化得到近似的地球自轉(zhuǎn)影響修正方法。對(duì)于1km的短基線，地球旋轉(zhuǎn)近似誤差對(duì)基線解的影響可以完全忽略。

（4）由于L1觀測(cè)值的噪聲水平僅為L(zhǎng)C觀測(cè)值的1/3，因此使用L1觀測(cè)值進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)估計(jì)，L2觀測(cè)值僅用于輔助周跳探測(cè)與修復(fù)。

（5）采用網(wǎng)解模式進(jìn)行參數(shù)估計(jì)。獨(dú)立基線的選擇基于基線越短、模糊度越容易分離的原則，選擇一組長(zhǎng)度依次增加的最優(yōu)獨(dú)立基線。

（6）模糊度固定是實(shí)現(xiàn)GPS高精度監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)，DDMS對(duì)于每一條獨(dú)立基線，先選擇觀測(cè)值最多的衛(wèi)星作為參考星，其余的衛(wèi)星分別與之求差，從而構(gòu)成全網(wǎng)的一組獨(dú)立雙差模糊度。計(jì)算非差模糊度與雙差模糊度間的映射因子，并將雙差模糊度引入法方程中。法方程求解后可獲得雙差模糊度浮點(diǎn)值及其方差。浮點(diǎn)模糊度根據(jù)其能夠被固定為整數(shù)的概率進(jìn)行排序，采用區(qū)間判定法固定部分模糊度后，將其作為已知值代入觀測(cè)方程中，并重新構(gòu)建法方程，計(jì)算未固定的模糊度浮點(diǎn)值，并重新固定。循環(huán)迭代上述過(guò)程，直到所有的模糊度都固定。如迭代次數(shù)超過(guò)設(shè)定值后仍存在模糊度未能固定的情況，則使用方差比檢驗(yàn)法搜索一組最優(yōu)的模糊度。基線解算軟件的基本流程如圖3所示。為了統(tǒng)一不同期監(jiān)測(cè)成果的基準(zhǔn)，參數(shù)估計(jì)時(shí)，將基準(zhǔn)點(diǎn)TN02固定。

圖3 基線解算軟件流程

（7）采用CHOKERING天線，截至高度角設(shè)為25?，并將觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度定為4h，以有效地抑制多路徑的影響。為了防止天線定向差異引起的瞬時(shí)相位中心誤差，采用與高度角、方位角有關(guān)的絕對(duì)天線相位中心改正模型。

變形分析軟件主要進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、粗差剔除、變形量計(jì)算以及變形經(jīng)度評(píng)估、變形直觀圖輸出、顯示等。GPS基線解算的坐標(biāo)屬于WGS-84地心坐標(biāo)系，常需要大壩工程獨(dú)立坐標(biāo)系下的變形量，因此須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為防止由于基準(zhǔn)點(diǎn)的變動(dòng)而擾亂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分析，需要對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性驚醒分析與評(píng)估。相同基準(zhǔn)下的兩期坐標(biāo)估計(jì)值之差為變形量。

2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

本文統(tǒng)計(jì)了2014年5月的運(yùn)行狀態(tài)，時(shí)段長(zhǎng)度為2h，應(yīng)提變形量計(jì)算以及變形精度評(píng)估、變形直觀圖輸出、供解個(gè)數(shù)為4380個(gè)，模糊度未固定30個(gè)，單位顯示等。GPS基線解算的坐標(biāo)屬于權(quán)方差過(guò)大有4個(gè)，表1列出了統(tǒng)計(jì)結(jié)果。對(duì)于WGS-84地心坐標(biāo)系，常需要大壩工程獨(dú)立坐標(biāo)獲取到完整的觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)段，DDMS系統(tǒng)提供有效的變形量，因此須進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。為防止有效解的概率高達(dá)98%。不到2%的數(shù)據(jù)未能獲得于基準(zhǔn)點(diǎn)的變動(dòng)而擾亂監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形分析，需要有效的解算結(jié)果，其中TN01、L022由于測(cè)站對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與評(píng)估。相同基準(zhǔn)下導(dǎo)致數(shù)據(jù)缺失，提供有效解的比率約為90%的兩期坐標(biāo)估計(jì)值之差為變形量。

表1 7個(gè)測(cè)站有效解的解算成功率

3 監(jiān)測(cè)精度

利用基準(zhǔn)點(diǎn)TN01、TN02在2014年5月27日～6月6日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，分別計(jì)算2h、4h基線時(shí)段解。由于這2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)較為穩(wěn)定，因此TN01—TN02基線各時(shí)段解的重復(fù)性能真實(shí)反映系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度。取各時(shí)段解的加權(quán)平均值作為基線真值，2h、4h各時(shí)段解殘差如圖4和圖5所示。可見(jiàn)，4h解的基線重復(fù)性較2h解稍好，同時(shí)，基線時(shí)間序列中的水平分量存在一個(gè)微弱的周日信號(hào)，量級(jí)約為1mm。GPS短基線時(shí)間序列中的周日信號(hào)來(lái)源較多，如GPS衛(wèi)星星座幾何分布的影響、多路徑效應(yīng)的影響、基準(zhǔn)站觀測(cè)墩的熱脹冷縮等，本文忽略了周日信號(hào)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的影響。

圖4 TN01-TN02 2h時(shí)段解殘差

圖5 TN01-TN02 4h時(shí)段解殘差

DDMS的解算精度統(tǒng)計(jì)如表2和表3所示。可以看出，西龍池上水庫(kù)GPS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)2h解的水平方向的精度優(yōu)于2mm，高程方向的精度優(yōu)于2.5mm；4h解的水平方向的精度優(yōu)于1.5mm，高程方向的精度優(yōu)于2.0mm。

表2 基線重復(fù)性

表3 DDMS 2h和4h解殘差統(tǒng)計(jì)

趙 燕（1983—），女，工程師，大學(xué)本科，現(xiàn)從事合同管理、水工監(jiān)測(cè)等相關(guān)工作。E-mail:yan-zhao@sgxy.sgcc.com.cn

GPS in the Xilongchi Upper Reservoir Surface Deformation Monitoring Applications

ZHAO Yan
（Shan Xi Xilongchi Pumped Storage Power Station Co. Ltd.,Xinzhou 035503,China）

In order to realize the deformation of Xilongchi upper reservoir of continuous and automatic monitoring developed GPS deformation monitoring system DDMS,establish the Xilongchi upper reservoir continuous operation monitoring system. The results show that the system has the high stability, and the DDMS can provide the effective solution with the probability of the valid solution without the absence of the observation data, and the probability of providing the effective solution is higher than 98%. The repeatability of the software 2H time solution in the N,E, U directions were 1.2mm, 2.2mm, 0.9mm, 4H time of the N, U, E direction of repeatability for 0.8mm, 0.7mm,1.5mm. The GPS monitoring system can achieve high efficiency, automatic and high precision dam deformation monitoring.

GPS ; Surface deformation ; Monitor