GNSS大壩監測多路徑模型優化與應用

摘要：

在復雜的觀測環境下，GNSS變形監測技術往往受遮擋和反射信號多路徑影響，測量精度降低，限制了其在混凝土壩監測領域的應用推廣。為了提高GNSS大壩監測精度，通過提取GNSS監測位移序列的多路徑信號，構建大壩環境多路徑延遲分布模型。基于外部精準監測數據，提出了顧及大壩動態變形的多路徑時變誤差補償技術，實現順河向位移的高精度監測，并應用于冶勒水電站實測精密位移裝置GNSS監測中。結果表明：傳統的多路徑建模方法忽略了大壩自身變形所引起的影響，導致多路徑改正模型產生偏差；所提出的多路徑補償技術克服了傳統方法的上述不足，可顯著提高順河方向的監測精度。多路徑建模過程中考慮大壩本身的變形量有利于提高GNSS監測精度，獲取更客觀的大壩位移監測結果。研究成果可為大壩安全監測提供參考。

關鍵詞：

GNSS監測； 多路徑誤差； 大壩監測； 監測精度； 冶勒水電站

中圖法分類號：TV698.1

文獻標志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2025.02.012

文章編號：1006-0081（2025）02-0068-04

0 引 言

在水利水電工程領域，外部變形監測是工程安全監測的必要內容［1］，DL/T 5178-2016 《混凝土壩安全監測技術規范》規定混凝土重力壩水平位移精度≤1.0 mm，混凝土拱壩徑向位移精度≤2.0 mm，切向位移精度≤1.0 mm［2］。目前大型水電工程變形監測常用水平位移監測方法包括極坐標法、邊角交會法、正倒垂系統、激光準直系統和全球導航衛星系統（global navigation satellite system，GNSS）等。

在觀測條件良好的情況下，利用GNSS進行變形監測，其精度水平方向可達毫米級，垂直方向可達亞厘米級甚至毫米級。然而在水電工程中，遮擋或周圍環境造成的多路徑效應影響，使得觀測值精度下降［3］。各工程由于觀測環境的差異及解算方法的不同，GNSS監測精度水平、垂直位移精度為1～3 mm［4］。為了提高GNSS監測精度，目前主要的研究方向是如何削弱多路徑誤差帶來的影響。大壩變形監測網在經過多路徑誤差改正后精度有較大提升，200 m以內的短基線在改正多路徑誤差后，北、東、高程3個方面的精度分別提高了約33%，33%和43%［5］。但是傳統的GNSS多路徑改正模型只適用于穩定序列建模或趨勢性序列，對于大壩監測而言，許多電站由于水位、溫度的短期波動，會導致短周期的大壩變形，這些變形容易被當成誤差信號剔除，導致GNSS多路徑改正模型修正不準確。本文通過開展精密位移裝置（云臺）實驗，發現大壩在順河向與橫河向監測精度存在顯著差異，對此提出了一種傳統的多路徑改正模型誤差補償技術，以提升多路徑誤差模型的準確性以及大壩順河向位移的監測精度，進而克服GNSS大壩監測應用中傳統多路徑改正模型的偏差問題。本文技術路線如圖1所示。

1 多路徑模型補償方法

衛星信號多路徑誤差周期與衛星運動周期相同，采用相關分析法對連續2 d的位移序列數據進行處理，估計兩者之間的相關系數，對于大樣本的相關系數達到0.8以上的，表明誤差序列存在周日強相關性［6］。

基于多路徑的上述特征，傳統的GNSS多路徑改正模型利用總體完備經驗模態分解，從X，Y，Z位移序列中分離并提取多路徑信息，形成多路徑改正模型，并對第2天坐標序列進行改正，采用的方法通常有經驗模態分解、移動平均去噪法等［7-8］。本文首先利用連續觀測數據，采用單歷元動態差分解算模塊得到監測點三維位移，提取其中觀測時段中的所有歷元數據，并剔除3倍中誤差以外的粗差數據。在坐標域內對前1 d 的位移序列進行濾波降噪，以削弱高頻噪聲影響，從而提取多路徑改正模型。再利用多路徑具有重復性的特點，對第2天的坐標序列進行改正。其次，利用GNSS測點布置的精密監測設施（例如倒垂或真空激光系統等，通常認為垂線或激光的測量精度、靈敏性優于GNSS測量［9］），對GNSS原始觀測序列進行信號分解，增加垂線數據分量，對濾波分解時損失的大壩位移信息進行補償，達到提高模型精度的目的。多路徑模型補償的具體步驟如下。

（1） GNSS采用單歷元動態差分解算模塊得到監測點三維位移，提取其中觀測時段中的所有歷元數據，通常采用30 s一個歷元，而倒垂觀測通常是每天2次或每天6次，因此需要對倒垂觀測數據進行插值處理，與GNSS數據進行配準，形成一一對應的垂線測值序列，插值方法可采用線性法或者樣條函數法。

（2） 獲得精密監測（垂線/激光）測值序列后，對GNSS坐標雙差殘差進行初步修正，同步觀測修正15 d 左右，過程中動態調整修正權值，最終以修正后成果的標準差來確定垂線測值序列修正的權值，并獲取垂直測值修正序列。

（3） 利用精密位移測值修正序列對GNSS變形位移原始序列進行改正，最后利用濾波方法降噪分離出具有重復性的多路徑信號，建立多路徑改正模型，處理流程見圖2。

2 GNSS監測實驗

本文以冶勒水電站為例，采取云臺實驗的方式驗證多路徑模型的有效性，即安置精密云臺導軌裝置，通過人為精確移動導軌，進行外符合精度測試分析，測試現場照片見圖3。

變形監測試驗數據采集共15 d。采用自動化全天候觀測模式，期間確保設備連續穩定供電，記錄天

氣與周邊環境變化情況，并按計劃精確移動云臺導軌，具體移動情況如下。

（1） 維持原狀（共3 d）。云臺滑軌歸零到中心位置，持續觀測3 d，期間不得變動。

（2） 變形+恢復（共8 d）。向下游方向移動4 mm，維持2 d；調整至下游方向1 mm，維持3 d，調整至下游方向5 mm，維持3 d。

（3） 漸進變形（共6 d）。調整至下游1 mm，維持2 d；調整至上游1 mm，維持2 d；調整至上游3 mm，維持1 d；調整至上游5 mm，維持1 d。

數據后處理采用項目組研制開發的北斗/GPS變形監測數據處理核心軟件程序，數據處理采用雙差觀測模型，衛星星歷采用廣播星歷，周跳的探測及修復采用改進的TurboEdit算法［10］，整周模糊度的固定采用LAMBDA方法，對于多路徑效應，采用CEEMD方法提取建模。

3 精度分析

3.1 常規多路徑模型監測精度

常規多路徑模型監測精度見表1。表1中ΔX云臺，ΔY云臺為云臺順河向、橫河向移動值，ΔXGNSS，YGNSS為GNSS順河向、橫河向觀測值，dX為ΔXGNSS-ΔX云臺，dY為ΔYGNSS-ΔY云臺。位移成果顯示，不考慮大壩日變形的情況下，順河向統計觀測精度為1.02 mm，橫河向統計觀測精度為0.42 mm，兩者數值存在顯著差異。

3.2 多路徑補償修正后模型監測精度

以單日解為樣本，將當天GNSS解算成果減去前1 d 的變形值，檢查修正后的成果精度是否提高，用以驗證多路徑模型中包含了當天的大壩變形信息。

首先計算試驗期間真實的順河變形，即云臺移動值加上變形值，ΔX變形為大壩順河向變形值，ΔX實際位移為該測點順河向實際位移值，即ΔX實際位移=ΔX云臺+ΔX變形。dX為GNSS測值與云臺移動值之差（ΔXGNSS-ΔX云臺）；dX1為考慮大壩變形情況下GNSS測值與實際值之差（ΔXGNSS-ΔX實際位移）；dX2為采用變形數據進行修正后的測值與實際位移值之差（ΔXiGNSS-ΔXi實際位移-ΔXi-1變形，上標表示日期，例如ΔXiGNSS表示第i天的GNSS測值）。GNSS監測成果X向分量偏差統計見表2。

分別計算各方式下殘差值的標準差，RMS（dX）為1.02，RMS（dX1）為0.79，RMS（dX2）為0.63，考慮實際大壩變形的情況下GNSS觀測精度為0.79，利用精密監測數據對GNSS成果進行修正后，其點位精度提高至0.63，統計精度提高38%。GNSS監測成果順河向（X向）分量偏差歷時曲線見圖4。

由于傳統多路徑建模方法是在坐標域內對前1 d的位移殘差序列進行降噪，以削弱高頻噪聲，從而提取多路徑改正模型，所以大壩的日變形量會被判定為位移殘差項，導致多路徑模型改正不準確。因此利用精密監測成果（激光或垂線）對GNSS數據進行修正，在一定程度上能提高GNSS多路徑模型的準確性以及監測成果精度和可靠性。

4 結 論

（1） 隨著北斗組網完成以及解算模型的優化，監測成果的可靠性和精度都得到了有效提升，GNSS技術開始更廣泛地運用于水利水電工程監測，逐漸從邊坡監測拓展到更高精度要求的大壩監測，但在大壩高精度監測領域尚存在誤差建模精度不足的問題。

（2） 提出了顧及大壩動態變形的多路徑時變誤差補償技術，已消除大壩本身存在順河向的日變形對GNSS多路徑模型的影響。試驗結果表明，新方法的順河向位移監測點位精度能夠提升38%。可見，在GNSS多路徑建模過程中考慮該變形可顯著提高監測精度。

（3） 多路徑模型需要較長時間的觀測數據進行反復優化與更新，本文方法利用其他已有的高精度監測數據進行修正，有利于獲取更客觀的監測結果，研究成果可為大壩安全監測提供參考。

參考文獻：

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（編輯：張 爽）

Optimization and application of multi-path model for GNSS dam monitoring

LI Yujie1，HUA Boshen2，XIE Changning1，YUAN Shuchao1

（1.Nanya Branch of CHN Energy Sichuan Power Generation Co.，Ltd.，Ya′an 625000，China；

2.POWERCHINA Chengdu Engineering Corporation Limited，Chengdu 610000，China）

Abstract： Global Navigation Satellite System （GNSS） deformation monitoring technology is affected by multiple paths of occlusion and reflection signals in the complex observation environment of hydropower engineering，resulting in reduced measurement accuracy and restricted its application and promotion in the field of concrete dam monitoring.In order to improve the accuracy of GNSS dam monitoring in the satellite observation environment of hydropower engineering，we extracted a multi-path signals from GNSS monitoring displacement sequences，modeling a multi-path delay distribution error for the dam environment，and based on external precise monitoring data，proposed a multi-path time-varying error compensation technology that taking into account the dynamic deformation of the dam，achieving high-precision monitoring of displacement along the river.The results of the GNSS monitoring experiment on the precision displacement device measured at Yele Hydropower Station showed that the traditional multi-path modeling method might ignore the influence caused by the deformation of the dam itself，resulting in deviations in the multi-path correction model.The proposed multi-path compensation technology overcame the shortcomings of traditional methods and could significantly improve the monitoring accuracy along the river direction.Considering the deformation of the dam itself in the process of multi-path modeling is beneficial for improving the accuracy of GNSS monitoring and obtaining more objective results of dam displacement monitoring.The research results can provide a reference for dam safety monitoring.

Key words：

GNSS monitoring； multi-path model； dam monitoring； monitoring accuracy； Yele Hydropower Station