實(shí)時(shí)廣域自動(dòng)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

吳文壇，高星偉，田 摯，田時(shí)雨，鄭 闊

(1.國土環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測(cè)國家測(cè)繪地理信息局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050031；2.河北省測(cè)繪資料檔案館，石家莊 050031；3.中國測(cè)繪科學(xué)研究院，北京 100830；4.河北省第二測(cè)繪院，石家莊 050031；5.北京奧騰巖石科技有限公司，北京 101102)

1 概述

全球定位系統(tǒng)(global positioning system，GPS)技術(shù)用于形變監(jiān)測(cè)已經(jīng)有十多年的時(shí)間，具有實(shí)時(shí)、高效和高精度的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大壩、橋梁和地表等形變監(jiān)測(cè)，同時(shí)也取得了非常好的效果[1-4]。后來，在GPS形變監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，引入或發(fā)展出一些相關(guān)的新技術(shù)，如偽衛(wèi)星、一機(jī)多天線、合成孔徑雷達(dá)和激光等，使得形變監(jiān)測(cè)的技術(shù)越來越靈活便捷[5-10]。近些年，隨著連續(xù)運(yùn)行跟蹤站(continuously operating reference stations，CORS)技術(shù)越來越成熟，也逐漸應(yīng)用于形變監(jiān)測(cè)中[11-12]。

河北CORS系統(tǒng)始建于2008年，于2010年正式投入運(yùn)營，已廣泛應(yīng)用于測(cè)繪、國土、規(guī)劃、氣象、水利電力、石油物探等多個(gè)行業(yè)部門，期間經(jīng)過多次升級(jí)改造，截止目前共建設(shè)64個(gè)站點(diǎn)。實(shí)時(shí)目標(biāo)高精度監(jiān)測(cè)是河北CORS服務(wù)的一個(gè)主要內(nèi)容，監(jiān)測(cè)目標(biāo)包括各種不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如低動(dòng)態(tài)的大壩、橋梁和建筑物等的形變監(jiān)測(cè)，高動(dòng)態(tài)的人員和車載用戶的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本文將重點(diǎn)對(duì)河北CORS系統(tǒng)在形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用情況進(jìn)行探討和測(cè)試分析。

2 方法研究

2.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括兩部分內(nèi)容：一是CORS站網(wǎng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理，二是監(jiān)測(cè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理[13]。

2.1.1 CORS網(wǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理

對(duì)于CORS站網(wǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理主要是為了得到CORS網(wǎng)的彌散誤差(主要是電離層延遲)和非彌散誤差(主要是對(duì)流層延遲和軌道誤差等)。本文的方法是首先進(jìn)行雙差組合，盡可能多地消除衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差，并削弱具有相關(guān)性的系統(tǒng)誤差；然后由于CORS站坐標(biāo)精確已知，可分別通過無幾何誤差組合和無電離層組合求出雙差后的CORS網(wǎng)的彌散誤差和非彌散誤差大小。

2.1.2 監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理

對(duì)于監(jiān)測(cè)站的數(shù)據(jù)處理主要是為了實(shí)時(shí)得到每個(gè)監(jiān)測(cè)站的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確位置。本文采用的方法是首先跟距離較近的CORS站進(jìn)行雙差組合；然后利用前面求出的CORS網(wǎng)的誤差信息內(nèi)插監(jiān)測(cè)站的相關(guān)誤差，并進(jìn)行改進(jìn)，求解整周模糊度和精確坐標(biāo)信息。

2.2 形變分析

形變分析中包含兩類模型：觀測(cè)模型和形變模型。觀測(cè)模型可參見2.1節(jié)或文獻(xiàn)[13]。形變模型可表示為

X=BS+w

(1)

式(1)中，X為形變模型的觀測(cè)值；S為形變參數(shù)；B為設(shè)計(jì)矩陣；w為模型噪聲向量。根據(jù)最小二乘原理可以計(jì)算出形變參數(shù)S的估值。上面的形變模型也可以與前面的觀測(cè)模型融合在一起。

2.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、結(jié)果分析等五個(gè)主要子系統(tǒng)，另外還包括供電、避雷等。

數(shù)據(jù)采集：為系統(tǒng)提供原始觀測(cè)數(shù)據(jù)。主要包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測(cè)站全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellite system，GNSS)接收機(jī)，另外根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象的不同，可增加一些安全監(jiān)測(cè)輔助傳感器，如氣象設(shè)備、傾斜儀和視頻傳感器等。

數(shù)據(jù)傳輸：將野外采集的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)傳回系統(tǒng)中心。目前支持有線通訊和無線通訊兩種模式，或者兩種模式相結(jié)合。

數(shù)據(jù)處理：將外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)處理為對(duì)應(yīng)的位置信息。該子系統(tǒng)可以根據(jù)所監(jiān)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)情況，任意設(shè)置結(jié)果輸出頻率(監(jiān)測(cè)頻率)，最高可設(shè)置為單歷元，即與GNSS接收機(jī)的采樣率相一致。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：采用數(shù)據(jù)庫技術(shù)，可對(duì)所需要的原始觀測(cè)值和處理結(jié)果進(jìn)行存儲(chǔ)。

結(jié)果分析：對(duì)處理后的位置信息進(jìn)行分析，提取形變信息，并進(jìn)行顯示、生成工作日志和報(bào)警等。

圖1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程圖

3 實(shí)測(cè)分析

為了驗(yàn)證軟件系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)效果，選取河北CORS網(wǎng)的尚義、陽原和涿鹿為基準(zhǔn)站網(wǎng)，測(cè)站間的平均距離大約為110 km，對(duì)位于張渤(張家口-渤海)斷裂帶上的懷安站進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，測(cè)站的分布如圖2所示。

圖2 測(cè)站分布圖

利用本文中方法開發(fā)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖3所示，對(duì)上述區(qū)域的監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，結(jié)果如圖4所示。圖4為其中一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在2014-08-12的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)果，其中橫軸表示時(shí)間，單位為 s，縱軸表示形變量，單位為 m。

圖3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件界面

圖4中的結(jié)果為單歷元定位結(jié)果。通過對(duì)圖2情況下的定位結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析可知：北方向(N)、東方向(E)和天頂方向(U)的單歷元定位誤差分別為1.81 cm、1.62 cm和2.4 cm。

4 結(jié)論

隨著我國各地的CORS網(wǎng)建設(shè)的陸續(xù)完成，基于CORS的應(yīng)用也越來越廣泛，較之傳統(tǒng)的高精度實(shí)時(shí)定位，基于CORS的實(shí)時(shí)高精度定位具有明顯的優(yōu)勢(shì)。本文提出的基于CORS的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方法有效監(jiān)測(cè)范圍廣，能夠?qū)崿F(xiàn)單歷元厘米級(jí)的高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可根據(jù)監(jiān)測(cè)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度情況，調(diào)整監(jiān)測(cè)結(jié)果頻率，通過短時(shí)間的平均與濾波，可以很快實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的監(jiān)控效果，可以滿足快至車載目標(biāo)，慢至地表監(jiān)測(cè)的各類目標(biāo)監(jiān)測(cè)應(yīng)用。

圖4 2014-08-12的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果/m

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