北斗與其他星座在GNSS變形監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對比分析

高紹偉，李長青，鄭 闊，姜 晶，叢嘉志

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2. 上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201702)

北斗與其他星座在GNSS變形監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對比分析

高紹偉1，李長青1，鄭 闊1，姜 晶1，叢嘉志2

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2. 上海華測導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201702)

以某露天煤礦排土場邊坡GNSS變形監(jiān)測項目為例，在設(shè)計變形監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用華測HCMonitor變形監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件，對監(jiān)測數(shù)據(jù)采用不同衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了組合定位，分析和對比了解算數(shù)據(jù)，探討了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的應(yīng)用效果并提出了合理的建議。

監(jiān)測系統(tǒng)；組合定位；解算數(shù)據(jù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)，目前泛指美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo及中國的BDS。目前建立的GNSS變形監(jiān)控在線實時分析系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大壩、大型橋梁、高層建(構(gòu))筑物、滑坡和地區(qū)性地殼變形監(jiān)測。如我國在青江隔河巖大壩建立的GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析3大部分組成。實踐證明，采用一機多天線GPS系統(tǒng)，不僅可大大節(jié)省硬件設(shè)備費用的投入，而且能夠有效地應(yīng)用于滑坡和大壩等局部變形監(jiān)測[1]。為此研究建立技術(shù)先進(jìn)而又實用的GNSS變形監(jiān)控在線實時分析系統(tǒng)是一個重要的發(fā)展趨勢。然而，由于美國的GPS政策，出于保護(hù)美國信息安全的需要，美國軍方對GPS發(fā)布的民用信號所進(jìn)行的不定期短暫干擾而經(jīng)常出現(xiàn)RTK失鎖現(xiàn)象，大大降低了測量精度，并導(dǎo)致可能會出現(xiàn)在某個關(guān)鍵時刻(如臺風(fēng)、地震、船撞等)監(jiān)測不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象[2]。而GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址的方式調(diào)制衛(wèi)星信號，不同衛(wèi)星的頻率不同，這給模糊度的固定造成了一定困難[3-4]。

基于上述GPS和GLONASS系統(tǒng)的缺陷，文獻(xiàn)[5]利用GPS/GLONASS組合定位驗證了上述方法在變形監(jiān)測中的有效性。本文在分析監(jiān)測系統(tǒng)各種誤差的基礎(chǔ)上，出于對項目和對數(shù)據(jù)的保密性，以某露天煤礦排土場邊坡GNSS變形監(jiān)測項目為例，在設(shè)計變形監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用華測HCMonitor變形監(jiān)測系統(tǒng)專用軟件，對監(jiān)測數(shù)據(jù)采用不同衛(wèi)星監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合定位，分析和對比解算數(shù)據(jù)，探討北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的應(yīng)用效果并提出合理的建議。

1 北斗監(jiān)測系統(tǒng)工作原理

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

BDS是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)在進(jìn)行定位測量時，不論是測碼偽距絕對定位還是測相偽距絕對定位，由于衛(wèi)星星歷誤差、接收機鐘與衛(wèi)星鐘同步差、大氣折射誤差等各種誤差的影響，導(dǎo)致定位精度較低。

相對定位是用兩臺GPS接收機，分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，通過兩測站同步采集GPS數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理以確定基線兩端點的相對位置或基線向量,故相對定位有時也稱為基線測量。這種方法可以推廣到多臺GPS接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測相同的GPS衛(wèi)星，以確定多條基線向量。相對定位中，需要在多個測站中至少以一個測站的坐標(biāo)值作為基準(zhǔn)，利用觀測出的基線向量，去求解出其他各站點的坐標(biāo)值。

1.2 變形監(jiān)測點的數(shù)據(jù)處理

目前變形監(jiān)測的基線向量解算模式可分為獨立解算模式和相關(guān)解算模式。

1.2.1 獨立解算模式

獨立解算模式對基線進(jìn)行逐條解算，每次解算僅包含一條基線向量結(jié)果。換言之，一次僅提取基準(zhǔn)點和一個測點的同步觀測數(shù)據(jù)，并通過站星際雙差模型求解它們之間形成的基線向量。當(dāng)某時段進(jìn)行了多個測點同步觀測，而需要求解多條基準(zhǔn)-測點基線向量時，則需要將基準(zhǔn)點與各個測點分別形成雙差模型，獨立解算各基線向量。然而，解算的結(jié)果無法反映同步觀測基線向量間的統(tǒng)計相關(guān)性。另外，單個基線向量獨立求解，無法利用待定參數(shù)的關(guān)聯(lián)性與觀測數(shù)據(jù)的共享性。其優(yōu)點是：平差數(shù)學(xué)模型簡單、估計參數(shù)較少、數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度快。因此，在工程實踐中，普遍采用獨立解算模式，絕大多數(shù)商業(yè)軟件也采用該模式進(jìn)行基線解算。

1.2.2 相關(guān)解算模式

相關(guān)解算模式對獨立基線進(jìn)行逐時段解算，每解算包含n條基線向量的結(jié)果。換言之，一次提取基準(zhǔn)點和n個測點的同步觀測數(shù)據(jù)、解算過程中，求解出n條相互函數(shù)獨立的基線向量。且可反映同步基線向量之間的統(tǒng)計相關(guān)性。但是，相關(guān)解算模式的平差數(shù)學(xué)模型及解算過程交復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度較慢。因此，僅在高精度應(yīng)用中采用相關(guān)解算模式，絕大多數(shù)科學(xué)軟件也采用該模式進(jìn)行基線解算[6]。

2 邊坡監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測體系設(shè)計

根據(jù)某露天采礦場和排土場邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀及未來采礦工程發(fā)展需要，在礦山南部采區(qū)和西部采區(qū)重點部位，建立邊坡自動監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，對邊坡變形動態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)包括參考站1個、連續(xù)監(jiān)測站18個、系統(tǒng)制軟件1套。

邊坡監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)單元、數(shù)據(jù)通信單元、數(shù)據(jù)處理與控制單元(HCmonitor軟件部分、HCmas平臺軟件)、避雷系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)等各個分部組成，如圖1所示。

圖1 GNSS變形監(jiān)測系統(tǒng)總體框架

3 BDS監(jiān)測數(shù)據(jù)精度驗證

出于項目保密需要，使用數(shù)據(jù)受限，項目選取參考站1個(GP02)、監(jiān)測站2個(GP01、GP03)，課題組根據(jù)2015年5月10日至2015年6月13日(15天)的監(jiān)測數(shù)據(jù)分別提取了GPS、GPS+GLONASS和BDS三組衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。以5月10日作為起始數(shù)據(jù)，利用HCmonitor軟件每天按5個時段(2 h)，分別解算出每個時段的空間三個坐標(biāo)方向的相對累計變化量，同時計算出每天的平均累計變化量。最后利用Excel軟件畫出三坐標(biāo)軸方向的變化折線圖(如圖2—圖4所示)。

圖2

圖3

空間位置定位結(jié)果的精度取決于衛(wèi)星空間分布，即其空間定位的圖形精度GDOP因子。在不考慮BDS系統(tǒng)的前提下，從衛(wèi)星定位的原理分析，一般認(rèn)為GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果為最佳的可靠成果。結(jié)合圖2(a)、(b)X軸方向的變化情況分析可以看出，對比BDS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)解算結(jié)果，點的位移變化趨勢一致。最大的位移量為GPS系統(tǒng)，最小的位移量為BDS系統(tǒng)，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果位于上述兩單系統(tǒng)的中間。BDS系統(tǒng)X軸方向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)值比GPS系統(tǒng)、GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果均偏小。通過對為期15天的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，BDS系統(tǒng)和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)最大差值GPS01點僅為1.8 mm，GPS03點僅為3.6 mm。

Y軸方向的變化情況如圖3(a)、(b)所示，最大的位移量為GPS系統(tǒng)，最小的位移量為GPS+GLONASS雙系統(tǒng)，BDS系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果位于上述兩系統(tǒng)的中間。BDS系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果比GPS系統(tǒng)偏小，比GPS+GLONASS雙系統(tǒng)偏大。BDS系統(tǒng)與GPS+GLONASS雙系統(tǒng)最大差值GPS01點僅為1.3 mm；GPS03點僅為1.4 mm。

Z軸方向的變化情況如圖4(a)、(b)所示，BDS系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)的情況隨點的位置不同而不同，沒有規(guī)律可言。但BDS系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果差值不大。BDS和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)最大差值GPS01點僅為3.3 mm；GPS03點僅為2.7 mm。

4 結(jié) 論

(1) BDS系統(tǒng)X軸方向位移監(jiān)測數(shù)據(jù)值比GPS系統(tǒng)、GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果均偏?。籅DS系統(tǒng)Y軸方向位移的監(jiān)測結(jié)果位于GPS系統(tǒng)結(jié)和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果中間，BDS的監(jiān)測數(shù)結(jié)果比GPS系統(tǒng)結(jié)果偏小、比GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果偏大；BDS系統(tǒng)Z軸方向位移變化情況，隨點的位置不同而不同，沒有規(guī)律可言。但BDS系統(tǒng)的監(jiān)測結(jié)果和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果差值不大。

(2) 目前，BDS系統(tǒng)只覆蓋亞太地區(qū)，一旦衛(wèi)星的數(shù)量達(dá)到全球覆蓋，北斗系統(tǒng)完全可以取代GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)。

(3) 研制BDS接收機產(chǎn)品的費用比三星系統(tǒng)的費用成本要低，從而用于監(jiān)測的成本和總費用隨之也下降，使衛(wèi)星定位監(jiān)測技術(shù)到達(dá)普及。

(4) 開發(fā)更加嚴(yán)密的BDS系統(tǒng)的解算軟件，以便消除衛(wèi)星定位測量的各項誤差，從而提高變形監(jiān)測的精度。

[1] 馬琴.基于GPS在變形監(jiān)測中應(yīng)用的研究[J].測繪技術(shù)裝備,2014(2):25-26.

[2] 邵伯興,彭家意.潤揚長江公路大橋GPS+北斗變形監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)用探索[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2014,11(4):32-34.

[3] 裴霄．GPS/GLONASS組合定位[D]．上海:同濟大學(xué)，2013．

[4] 高星偉，葛茂榮，李毓麟．GLONASS浮點解的解算方法與實驗[J]．全球定位系統(tǒng)，2000，25(1):22-24．

[5] 王建，余代俊，戴繼紅.GPS/GLONASS組合定位及其在變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].工程勘察,2014,42(2):78-81.

[6] 劉志平.GNSS邊坡監(jiān)測與變形分析[M].北京：測繪出版社，2014.

[7] 周在明，許德偉，陳本清.河口海岸區(qū)GPS高程異常的空間特征與擬合研究[J].測繪科學(xué)，2014，39(12)：36-39.

[8] 熊春寶，田力耘，葉作安，等，GNSS RTK技術(shù)下超高層結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形監(jiān)測[J].測繪通報，2015(7):14-17.

[9] 鄒進(jìn)貴，李勇.GNSS 天線陣列接收機數(shù)據(jù)采集與解碼的實現(xiàn)及應(yīng)用[J].測繪通報，2015(8):1-3.

[10] 陳振，秘金鐘,王權(quán)，等.BDS/GPS實時動態(tài)網(wǎng)絡(luò)偽距差分定位[J].測繪科學(xué)，2015，40(12)：81-85.

[11] 甘雨，隋立芬，張清華，等.利用時間差分載波相位的GNSS/INS緊組合導(dǎo)航[J].測繪通報，2015(6)：5-8.

[12] 王孟陽，應(yīng)忍冬，劉佩林，等.GNSS星座模擬器關(guān)鍵問題研究[J].測繪通報，2015(3)：19-21.

BeiDou with Other Constellations in GNSS Data Comparison and Analysis of Deformation Monitoring System

GAO Shaowei1，LI Changqing1，ZHENG Kuo1，JIANG Jing1，CONG Jiazhi2

(1. Beijing Polytechnic College, Beijing 100042, China; 2. Shanghai China Navigation Technology Co., Ltd., Shanghai 201702, China)

Taking an opencast coal mine dump slope GNSS deformation monitoring project as an example, based on the design of deformation monitoring system, using special software Huace HCMonitor deformation monitoring system, different satellite positioning data monitoring system is combined. Monitoring data are analyzed and compared. The application effect of the BeiDou Satellite Navigation System (BDS) is discussed and reasonable suggestions are put forward.

monitoring system; combination positioning; computed data

高紹偉，李長青，鄭闊,等.北斗與其他星座在GNSS變形監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對比分析[J].測繪通報，2017(4)：21-24.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0112.

2016-09-07

2014年北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點課題項目(bgzyky201411)

高紹偉(1962—)，男，碩士，教授，主要從事衛(wèi)星定位測量和變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用等工作。E-mail：gaoshaoweiGSW@163.com

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A

0494-0911(2017)04-0021-04