龍羊峽大壩監(jiān)測(cè)網(wǎng)GNSS數(shù)據(jù)處理模型優(yōu)選研究

李卓駿，趙志華，武志剛，王 立，陰承志，米世恩

（國(guó)家電投集團(tuán)青海黃河電力技術(shù)有限責(zé)任公司，青海 西寧 810003）

1 研究背景

水電站大壩外觀安全監(jiān)測(cè)中傳統(tǒng)技術(shù)方法監(jiān)測(cè)頻率通常每月一次，易受人為因素干擾、內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)繁冗、處理復(fù)雜易出錯(cuò)等缺點(diǎn)，無法滿足快速、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)大壩變形的要求。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，GNSS技術(shù)憑借其高精度、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)越性，被廣泛用于大壩安全監(jiān)測(cè)，對(duì)確定大壩健康狀態(tài)和保證大壩安全運(yùn)營(yíng)具有重大意義[1-2]。

公司在龍羊峽電站的壩體、近壩巖體及近庫滑坡體上建設(shè)了GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)被監(jiān)測(cè)部位進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。這些系統(tǒng)的建設(shè)在保證壩體、近壩巖體及近庫滑坡體的安全運(yùn)營(yíng)具有重要的作用。但是通過對(duì)龍羊峽GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的考察，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在實(shí)際使用中沒有監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集應(yīng)執(zhí)行的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，數(shù)據(jù)采集與計(jì)算等全過程不便管理等問題。本文以龍羊峽大壩監(jiān)測(cè)網(wǎng)為例，從參數(shù)、策略模型、監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方面入手，進(jìn)行GNSS大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理模型優(yōu)選研究，以期為后續(xù)形成獨(dú)立的GNSS數(shù)據(jù)處理方法提供基礎(chǔ)。

2 解算參數(shù)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

2.1 衛(wèi)星高度截止角

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎疾煨l(wèi)星高度截止角設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)GNSS基線解算精度的影響[3]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選用龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡、邊坡和壩體監(jiān)測(cè)網(wǎng)各部位具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)G639、G651、G7H12、G707、YG01、JZ、LY03、LYT09構(gòu)成全面網(wǎng)（見圖1），綜合考察不同截止高度角對(duì)網(wǎng)的重復(fù)基線、同步閉合環(huán)、異步閉合環(huán)、最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差的影響（見表1）。

表1 不同截止高度角的重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)閉合差比較表

圖1 龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡、邊坡和壩體監(jiān)測(cè)網(wǎng)

實(shí)驗(yàn)方法：計(jì)算采用中海達(dá)HGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、觀測(cè)量L1、廣播星歷、自動(dòng)衛(wèi)星選取、增強(qiáng)處理模式、氣溫0℃、氣壓750.8 hP、濕度50%、對(duì)流層改正模型采用Hopfield。

結(jié)果：①隨著截止高度角提高，重復(fù)基線較差、同步環(huán)閉合差、異步環(huán)閉合差超限個(gè)數(shù)在減少。對(duì)全自動(dòng)解算系統(tǒng)而言，應(yīng)設(shè)置較高的截止高度角。②隨著截止高度角提高，全部/合格重復(fù)基線長(zhǎng)度相對(duì)中誤差、全部/合格同步環(huán)閉合差總長(zhǎng)相對(duì)中誤差之間差值在減小。說明提高截止高度角有利于減小觀測(cè)值粗差的影響。③隨著截止高度角提高，網(wǎng)的最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差也在減小。綜合考慮，截止高度角設(shè)置以20°～30°為宜。

2.2 觀測(cè)值采樣間隔

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎疾煊^測(cè)值采樣間隔設(shè)置對(duì)實(shí)驗(yàn)GNSS基線解算精度的影響[4]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選用龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡、邊坡和壩體監(jiān)測(cè)網(wǎng)各部位具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)G639、G651、G7H12、G707、YG01、JZ、LY03、LYT09構(gòu)成全面網(wǎng)（見圖1），綜合考察不同采樣間隔對(duì)網(wǎng)的基線、閉合環(huán)、點(diǎn)位中誤差的影響（見表2）。

表2 不同采樣間隔對(duì)重復(fù)基線、同步環(huán)、異步環(huán)閉合差比較表

實(shí)驗(yàn)方法：計(jì)算采用中海達(dá)HGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、最少歷元數(shù)10個(gè)、觀測(cè)量L1、廣播星歷、自動(dòng)衛(wèi)星選取、增強(qiáng)處理模式、氣溫0℃、氣壓750 hP、濕度50%。對(duì)流層改正模型采用Hopfield。

結(jié)果：由表2可知，采樣間隔變化對(duì)基線、閉合環(huán)、點(diǎn)位中誤差的影響不顯著。

3 解算策略模型優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

3.1 星座選用策略實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎疾爝x用不同的GNSS星座組合對(duì)基線解算精度的影響[5-6]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選用龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡、邊坡和壩體監(jiān)測(cè)網(wǎng)各部位具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)G639、G651、G7H12、G707、YG01、JZ、LY03、LYT09構(gòu)成全面網(wǎng)。

實(shí)驗(yàn)方法：計(jì)算采用HGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、固定相位、廣播星歷、霍普菲爾德對(duì)流層模型（溫度18℃，氣壓775.4 hP，濕度50%）。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：分別用單GPS星座、單BDS星座、GPS+BDS星座、GPS+BDS+GLONASS星座組合及GPS+BDS+GLONASS+GALLi星座組合。計(jì)算出網(wǎng)的重復(fù)基線較差超限個(gè)數(shù)、重復(fù)基線長(zhǎng)度相對(duì)中誤差、同步環(huán)全長(zhǎng)相對(duì)閉合差、異步環(huán)全長(zhǎng)相對(duì)閉合差與最弱點(diǎn)點(diǎn)位中誤差，見表3。

表3 星座選用策略

結(jié)果：①使用BDS星座與GPS星座基線解與平差后最弱點(diǎn)的精度相當(dāng)。②僅使用BDS星座與GLONASS星座組合精度欠佳。③增加星座組合數(shù)量可以提高基線解的精度和可靠性。在有條件的情況下應(yīng)盡量使用多星座組合參與計(jì)算。④GPS與BDS組合；GPS、BDS、GLONASS組合；GPS、BDS、GLONASS、GALILEO組合精度相當(dāng)。選用何種組合主要因素應(yīng)是可靠性。

3.2 衛(wèi)星星歷選用策略實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎疾爝x用廣播星歷與精密星歷對(duì)基線解算精度的影響。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選用2021年7月9日、10日兩天，龍羊峽電廠滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)中G639與JZ兩點(diǎn)構(gòu)成的基線向量觀測(cè)值。該觀測(cè)值時(shí)段長(zhǎng)度為1小時(shí)，共48個(gè)時(shí)段。觀測(cè)時(shí)日平均氣溫18℃。測(cè)線海拔高程2 200 m，推得氣壓775.4 hP。同時(shí)，選用龍羊峽水電站近壩庫岸滑坡、邊坡和壩體監(jiān)測(cè)網(wǎng)各部位具有代表性的監(jiān)測(cè)點(diǎn)G639、G651、G7H12、G707、YG01JZ、LY08、LYT09構(gòu)成全面網(wǎng)。

實(shí)驗(yàn)方法：基本計(jì)算采用HGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、L1、GPS+BDS+GL星座、霍普菲爾德對(duì)流層模型（溫度18℃，氣壓775.4 hP，濕度50%）。對(duì)比計(jì)算采用Infinity解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、固定相位、僅GPS星座、Hopfield對(duì)流層模型、Klobuchar電離層模型。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：分別廣播星歷與精密星歷計(jì)算出基線解，計(jì)算基線解的離散度并且對(duì)比兩種基線解求出48個(gè)時(shí)段的對(duì)應(yīng)基線較差的極差值，見表4。分別由精密星歷和廣播星歷計(jì)算出網(wǎng)的基線、閉合環(huán)、點(diǎn)位中誤差見表5。

表4 衛(wèi)星星歷選用策略1

表5 衛(wèi)星星歷選用策略2

4 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)優(yōu)選

4.1 觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎疾觳煌挠^測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度對(duì)基線解算精度的影響。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選用2021年7月9日、10日、11日三天，龍羊峽電廠滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)中G639與G707兩點(diǎn)構(gòu)成的基線向量觀測(cè)值，基線長(zhǎng)約5 000 m。該觀測(cè)值時(shí)段長(zhǎng)度為1小時(shí)，共72個(gè)時(shí)段。觀測(cè)時(shí)日平均氣溫18℃。測(cè)線海拔高程2 200 m，推得氣壓775.4 hP。

實(shí)驗(yàn)方法：基本計(jì)算采用HGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、L1、GPS+BDS星座、霍普菲爾德對(duì)流層模型（溫度18℃，氣壓750.8 hP，濕度50%）。對(duì)比計(jì)算采用LGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、固定相位、僅GPS星座、Hopfield對(duì)流層模型、Klobuchar電離層模型。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：分別將基線觀測(cè)數(shù)據(jù)生成1小時(shí)、4小時(shí)、24小時(shí)三種不同的觀測(cè)量，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的基線解，計(jì)算基線解的離散度并且對(duì)比三種基線解求出較差的極差與中誤差值，見表6。

表6 觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)優(yōu)選

結(jié)果：①隨著觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度增加，基線解的精度在提高。②基線的坐標(biāo)分量誤差大于基線邊長(zhǎng)誤差。③在自動(dòng)解的條件下，1小時(shí)觀測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)集合中存在粗差。故應(yīng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核后再使用。

4.2 組網(wǎng)形式優(yōu)選實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)?zāi)康模嚎疾觳煌腉NSS網(wǎng)形對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)解算精度的影響。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：選用2021年7月9日、10日、11日三天，龍羊峽電廠滑坡監(jiān)測(cè)網(wǎng)中G639與G707兩點(diǎn)構(gòu)成的基線向量觀測(cè)值，基線長(zhǎng)約5 000 m。該觀測(cè)值時(shí)段長(zhǎng)度為1小時(shí)，共72個(gè)時(shí)段。觀測(cè)時(shí)日平均氣溫18℃。測(cè)線海拔高程2 200 m，推得氣壓775.4 hP。

實(shí)驗(yàn)方法：基本計(jì)算采用HGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、固定相位、GPS+BDS星座、霍普菲爾德對(duì)流層模型（溫度18℃，氣壓775.4 hP，濕度50%）。對(duì)比計(jì)算采用LGO解算軟件，進(jìn)行基線靜態(tài)解。計(jì)算采用的標(biāo)準(zhǔn)基線解參數(shù)為：高度截止角15°、采樣間隔為15″、最少歷元數(shù)10個(gè)、固定相位、僅GPS星座、Hopfield對(duì)流層模型、Klobuchar電離層模型。

實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：分別將基線觀測(cè)數(shù)據(jù)生成24小時(shí)的觀測(cè)量，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的基線解，由計(jì)算基線解分別構(gòu)建GNSS星形網(wǎng)、測(cè)邊交會(huì)網(wǎng)、全面網(wǎng)三個(gè)構(gòu)網(wǎng)方案（圖2、3、4）。依據(jù)解算的點(diǎn)位坐標(biāo)計(jì)算出各點(diǎn)的位移量。由此位移量求出各方案的靈敏度并反推其精度。將各方案的精度與靈敏度值，見表7。

表7 組網(wǎng)形式優(yōu)選

圖2 星形網(wǎng)

圖3 測(cè)邊交會(huì)

圖4 全面網(wǎng)

結(jié)果：①全面網(wǎng)的解算精度高于測(cè)邊交會(huì)，測(cè)邊交會(huì)的解算精度高于星形網(wǎng)。②全面網(wǎng)的可靠性優(yōu)于測(cè)邊交會(huì)，測(cè)邊交會(huì)的可靠性優(yōu)于星形網(wǎng)。③利用全面網(wǎng)的同步環(huán)閉合差檢測(cè)基線觀測(cè)值中存在的粗差很有必要。④GNSS高程中誤差約是平面點(diǎn)位中誤差的1.5～2.0倍。

5 結(jié)束語

通過對(duì)龍羊峽大壩監(jiān)測(cè)網(wǎng)GNSS數(shù)據(jù)處理模型優(yōu)選的研究得到以下結(jié)論。一是解算參數(shù)方面：截止高度角設(shè)置以20～30°為宜；采樣間隔變化對(duì)基線、閉合環(huán)、點(diǎn)位中誤差的影響不顯著。二是解算策略模型方面：增加星座組合數(shù)量可以提高基線解的精度和可靠性，在有條件的情況下應(yīng)盡量使用多星座組合參與計(jì)算；使用精密星歷較使用廣播星歷基線解的精度稍有提高。三是監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方面：隨著觀測(cè)時(shí)段長(zhǎng)度增加，基線解的精度在提高。基線的坐標(biāo)分量誤差大于基線邊長(zhǎng)誤差，在自動(dòng)解的條件下1小時(shí)觀測(cè)時(shí)段的數(shù)據(jù)集合中存在粗差，故應(yīng)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢核后再使用；全面網(wǎng)的可靠性優(yōu)于測(cè)邊交會(huì)，測(cè)邊交會(huì)的可靠性優(yōu)于星形網(wǎng)，GNSS高程中誤差約是平面點(diǎn)位中誤差的1.5～2.0倍。■