GNSS精密單點定位技術(shù)在大壩變形監(jiān)測中的應(yīng)用

吳 皓， 陳必焰

(1.中國電建集團 中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南 長沙 410014； 2.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410006)

1 引言

大壩是水利樞紐的重要組成部分，起著防洪、調(diào)節(jié)水位的作用，因此大壩的安全運營十分重要。對壩體進行監(jiān)測可及時掌握其變形程度，是預(yù)測變形趨勢、制定修復(fù)方案和評估災(zāi)害損失的基礎(chǔ)技術(shù)依據(jù)，及時提供合理、有效的大壩變形災(zāi)害治理措施，可大大降低大壩變形沉降造成的經(jīng)濟財產(chǎn)損失和安全威脅。因此大壩變形監(jiān)測可保證大壩的安全運行，是大壩實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要組成部分。目前，GNSS(Global Navigation Satellite System全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng))以其全天候、高精度等優(yōu)勢成為大壩變形監(jiān)測的重要手段，采用相對定位技術(shù)可以獲得毫米級的定位精度。然而，GNSS相對定位技術(shù)需在距離大壩幾公里之外的地方布設(shè)參考站。近十幾年發(fā)展起來的精密單點定位(Precise Point Positioning， PPP)技術(shù)無需依賴參考站，而且每個測站的觀測模型和參數(shù)化等處理可以單獨進行。因此，PPP技術(shù)以其低成本、方便高效的優(yōu)點，可有效監(jiān)測偏遠(yuǎn)大壩的變形。

2 PPP定位的基本原理

GPS是一種全天候、高精度的無線電導(dǎo)航定位系統(tǒng)，能提供全球范圍內(nèi)各處的三維位置信息。載波相位相對定位采用兩臺及以上的GPS接收機進行同步觀測，靜態(tài)相對定位的精度通常可以達到厘米級甚至毫米級。因此，載波相位相對定位技術(shù)以其高精度定位優(yōu)勢得到了廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。雖然載波相位相對定位的精度很高，但會受到測站間距離的限制。美國噴氣推進實驗室(JPL,Jet Pulsion Laboratory)的Zumberge等人于1997年首次提出了精密單點定位(Precise Point Positioning,PPP)這一技術(shù)，并通過在他們開發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件GIPSY上實現(xiàn)了這一設(shè)想。PPP技術(shù)利用衛(wèi)星精密星歷和精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品，對單臺GPS接收機采集的雙頻碼和載波相位觀測值進行非差分定位處理。PPP技術(shù)只需單臺GNSS接收機就可以工作，具有數(shù)據(jù)獲取方便、效率高、費用低等諸多優(yōu)點。

在GPS衛(wèi)星定位中，常用的觀測值有測碼偽距和載波相位觀測值。對于一個雙頻的接收機，L1和L2頻段上的觀測值可以通過如下的等式來表示。

(1)

(2)

在PPP技術(shù)中，衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差可由IGS(International GNSS Service)及其分析中心發(fā)布的高精度GPS衛(wèi)星軌道和鐘差產(chǎn)品進行精確改正。此外，可通過設(shè)置一定的信號高度截止角(如10°)來減輕多路徑誤差的影響。因此，其他剩余需要解算的未知數(shù)包括有三維位置坐標(biāo)、接收機鐘差、對流層延遲和觀測到的每顆觀測衛(wèi)星上對應(yīng)的消電離層組合的模糊度參數(shù)。對于其中對流層誤差延遲，通常是利用改正模型對對流層干分量進行模型改正延遲模型提供先驗值，然后將剩余濕對流層濕分量延遲部分當(dāng)作未知參數(shù)與其他未知參數(shù)一起進行解算，獲取高精度的GPS定位結(jié)果。PPP技術(shù)可以得到全球一致的厘米級的定位精度。

3 大壩變形監(jiān)測試驗結(jié)果與分析

本試驗采取的是廣東某大壩監(jiān)測站GD12的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文中分析處理了從2016年10月20日至2016年10月31日為期12 d的GPS監(jiān)測數(shù)據(jù)。所采用的是由瑞士伯爾尼大學(xué)人文研究所研究開發(fā)的高精度GNSS數(shù)據(jù)處理軟件Bernese 5.2，它是目前世界上四個廣泛用于科研的高精度GPS數(shù)據(jù)處理軟件之一。由于該軟件一直保持有人開發(fā)和維護，整體來說，它的數(shù)學(xué)處理模型以及處理方法在同行中處于領(lǐng)先地位。該軟件主要針對大學(xué)、研究機構(gòu)和高精度的國家測繪機構(gòu)等用戶，界面友好，模塊條理清晰，并且內(nèi)嵌有圖形軟件，功能強大，具有很大的潛在應(yīng)用研究價值。除采用非差方法進行精密單點定位外，它也可以采用雙差模型處理GNSS數(shù)據(jù)。

利用Bernese 5.2軟件，我們得到了基于5 min、1 h、2 h和24 h觀測數(shù)據(jù)計算出的四組三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。然后，將由PPP技術(shù)計算的三維位置坐標(biāo)與已知坐標(biāo)進行求差，并轉(zhuǎn)換成了N、E、U分量。圖1表示的是基于5 min觀測數(shù)據(jù)的PPP定位結(jié)果在E、N、U三個分量上的誤差變化。在水平E和N方向上，PPP定位結(jié)果誤差在正負(fù)0.1 m之間變化，而在垂直U方向上，誤差變化范圍明顯增大，基本上在-0.2～0.1 m范圍內(nèi)浮動。圖2中展示的是基于1 h觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度。在水平方向上，PPP定位精度變化在正負(fù)0.05 m范圍之內(nèi)，但是在垂直方向上，定位誤差依舊在正負(fù)0.2 m范圍內(nèi)變化。圖3中給出了基于2 h觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度。相比圖1和圖2結(jié)果，可以明顯看出圖3中PPP定位精度有了很大的提高。其中，垂直U方向上，誤差變化范圍在-0.05～0.1 m之間。圖4展示了基于24 h GPS數(shù)據(jù)得到的PPP定位精度。可以看出，利用全天數(shù)據(jù)得到的定位結(jié)果達到了毫米級水平。整體來說，在三個方向上，PPP全天定位誤差在0.01 m之內(nèi)浮動。

圖1 基于5 min觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度

圖2 基于1 h觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度

圖3 基于2 h觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度

圖4 基于24 h觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度

表1給出了基于5 min、1 h、2 h和24 h觀測數(shù)據(jù)處理得到的PPP定位精度。基于5 min數(shù)據(jù)的定位結(jié)果精度在E，N和U方向上分別為0.121 m，0.246 m和0.368 m。利用1h的數(shù)據(jù)，PPP計算得到的坐標(biāo)位置精度在分米級水平。利用2 h的GPS數(shù)據(jù)進行PPP定位，從表1可以發(fā)現(xiàn)在E方向達到了0.009 m的毫米級水平，而在N和U方向上分別為0.013 m和0.026 m。隨著數(shù)據(jù)量的增加，當(dāng)我們利用24 h全天的GPS數(shù)據(jù)解算時，其定位精度在三個方向上都達到了毫米級水平，具體來說，在E，N和U方向上精度分別為0.008 m，0.006 m和0.009 m。

表1 基于5 min、1 h、2 h和24 h觀測數(shù)據(jù)的PPP定位精度

4 結(jié)論

當(dāng)前，全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)以其全天候、高精度等優(yōu)勢成為大壩變形監(jiān)測的重要手段。本文通過對廣東某大壩實地采集的高頻GPS觀測數(shù)據(jù)進行分析，得到了壩區(qū)復(fù)雜環(huán)境下靜態(tài)PPP的定位精度。監(jiān)測研究結(jié)果表明，基于靜態(tài)PPP定位技術(shù)，觀測2 h以上可以獲得水平毫米級和垂直厘米級的定位精度。基于全天的觀測數(shù)據(jù)，靜態(tài)PPP技術(shù)可以獲得毫米級的定位精度。與差分GPS相比，處于同等觀測環(huán)境條件下的PPP技術(shù)可用于大壩、滑坡等的高精度監(jiān)測和預(yù)報。隨著PPP定位誤差模型的不斷精化、組合多種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS的深入發(fā)展以及對PPP技術(shù)研究的日益深入和精密定位服務(wù)產(chǎn)品的不斷發(fā)展和完善，相信PPP技術(shù)在水利設(shè)施、地質(zhì)災(zāi)害等監(jiān)測領(lǐng)域的用途會越來越廣泛。