基于GNSS實時在線監(jiān)測技術在天津市大型水工建筑位移監(jiān)測的關鍵技術研究

孫加東++劉振宇++肖楠

[摘 要]組建一套高精度的GNSS實時在線監(jiān)測系統(tǒng)為基礎，監(jiān)測網(wǎng)的設計為支撐，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法為補充，監(jiān)測數(shù)據(jù)的多因素分析成果為目標，從而解決GNSS實時在線監(jiān)測系統(tǒng)在大型水工建筑監(jiān)測應用中的實際問題。

[關鍵詞]GNSS 實時 監(jiān)測 水工建筑 位移監(jiān)測

中圖分類號：P228 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）17-0041-01

一、國內外研究概況、水平、專利情況及發(fā)展趨勢

（一）國內外研究概況

GNSS（Global Navigation Satellite System）定位技術以合理的衛(wèi)星星座框架，強大的服務功能，特別是具有可以實現(xiàn)任何地方、任何時間的全天候定位功能、作業(yè)靈活簡便、定位精度高等優(yōu)點，尤其是進入90年代后，GNSS衛(wèi)星定位和導航技術與現(xiàn)代通信技術相結合，在空間定位技術方面引起了革命性的變化。從靜態(tài)擴展到動態(tài)，從單點定位擴展到局部與廣域差分，從事后處理擴展到實時（準實時）定位于導航，絕對和相對精度擴展到米級、厘米級乃至亞毫米級，從而拓寬了它的應用范圍和在各行各業(yè)中的作用。不僅已經(jīng)廣泛應用于崩塌、滑坡、泥石流等地質災害監(jiān)測中，也在大型橋梁、水庫大壩等領域應用較多。在上世紀80年代，國際上就已經(jīng)逐漸采用GNSS定位技術對火山、崩塌、滑坡、地面沉降、地裂縫等方面進行了監(jiān)測和預警。

（二）項目背景

綜合上述因素，為了實時掌握水工建筑主體的安全運行狀況，特別是在特大洪水與大潮情況下能夠實時獲取泵站的安全運行情況，建立一套GNSS在線監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。同時，現(xiàn)場惡劣的自然條件和場地空間的限制，監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化設計、周跳探測、整周模糊度解算、參考點的建設方案、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析成為解決問題的關鍵。

二、研究的主要內容

GNSS觀測數(shù)據(jù)中的周跳探測、整周模糊度快速解算、監(jiān)測網(wǎng)形的優(yōu)化和監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析是本研究課題的重點內容。

與傳統(tǒng)的視準線監(jiān)測方法相比，GNSS實時在線監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：

1.高精度，三維化。視準線法只能得到水平位移，不能得到垂直位移；

2.可以實時在線觀測監(jiān)測點的變化量與變化過程線；

3.不受惡劣天氣的影響，即便極端的天氣環(huán)境下（特大洪水、狂風暴雨）也能做到真正意義上的全天候全時段監(jiān)測；

4.長期來看，節(jié)省了人力、物力，減少了運行成本，提高了經(jīng)濟效益；

5.解決了GNSS實時在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝與運行中的關鍵問題，為后續(xù)大型水工建筑的安全監(jiān)測提供了借鑒。

（一）周跳的探測

導致周跳產(chǎn)生的信號失鎖可長達數(shù)分鐘，也可能發(fā)生在兩個相鄰歷元之間。在前一情況下，周跳很容易識別，因為此衛(wèi)星在失鎖期間就不再有相位差觀測值；但在后一情況下，在失鎖前后的每個歷元都有包括整數(shù)和小數(shù)部分的相位差觀測值，故難以察覺已曾發(fā)生的周跳。對于某顆衛(wèi)星瞬時相位差觀測值，發(fā)生中斷的第一類周跳，可據(jù)發(fā)生之前此衛(wèi)星的若干個連續(xù)的單差觀測值，用高階拉格朗日多項式進行擬合，然后外推恢復跟蹤后第一個歷元單差觀測值中應有的整周數(shù)，并取而代之，推求出的整周數(shù)與原整周數(shù)之差也用于修正隨后各歷元的整周數(shù)。亦可用周跳后的觀測值逆向外推之前的觀測值，求得整周數(shù)偏差后再改正周跳后的觀測值；對于發(fā)生在兩個歷元之間的第二類周跳，可用前面若干個正確的連續(xù)觀測值擬合外推下一個歷元觀測值，據(jù)其整周數(shù)與實際觀測值的整周數(shù)是否有差異判斷是否存在周跳，若存在，即用求得的整周數(shù)之差修正此歷元及其隨后的歷元觀測值中的整周數(shù)。

（二）整周模糊度的解算

當采用一定的數(shù)學方法確定出整周模糊度后，衛(wèi)星至用戶的距離測定就可精確到不足一個波長，達到厘米乃至毫米的誤差量級。由于觀測值中存在整周模糊度和周跳使GPS的基線處理復雜化。

可通過衛(wèi)星和測站的先驗信息或偽距觀測值，估算其近似值并在平差計算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算時，需隨觀測時間的延長使衛(wèi)星的幾何構形發(fā)生較大的變化，使電離層折射效應和多路徑效應等系統(tǒng)性偏差的影響被逐漸削弱以至消除，從而保證其確定的可靠性。在通常的靜態(tài)定位中，為確保確定的可靠性，至少要觀測1小時左右。為縮短觀測時間、提高工效，應改進確定的方法和采用特殊的測量模式。

（三）監(jiān)測網(wǎng)的優(yōu)化

高質量的監(jiān)測網(wǎng)可以準確地監(jiān)測變形體的變形，由于監(jiān)測網(wǎng)的主要作用在發(fā)現(xiàn)變形，因此它是變形觀測與分析的基礎。如果監(jiān)測網(wǎng)布設不合理，觀測的精度不高，控制網(wǎng)就不能有效發(fā)現(xiàn)粗差、抵抗粗差，就不可能靈敏第檢查出異常信號。監(jiān)測網(wǎng)的質量可以用網(wǎng)的精度、可靠性、靈敏度、費用等來表示，大量研究分析表明，監(jiān)測網(wǎng)的質量與控制點的坐標無關，但與監(jiān)測網(wǎng)的基線數(shù)、基線的連接形式、基線本身的精度密切相關。基線本身的精度與使用的儀器、觀測時間的長短、選擇的衛(wèi)星窗口、數(shù)據(jù)處理技術、模型的選擇等有關。在監(jiān)測中，對觀測時間、環(huán)境、技術等現(xiàn)實條件很難改變，但監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形結構則比較容易，因此研究監(jiān)測網(wǎng)的網(wǎng)形結構十分重要，有助于優(yōu)化監(jiān)測網(wǎng)的布置，提高其質量。

1、監(jiān)測網(wǎng)形的優(yōu)化研究

以網(wǎng)形優(yōu)化理論和相關文獻為指導，采用我單位現(xiàn)有的六套GNSS接收機進行多次試驗，對多次試驗的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理、基線解算等工作，以確定網(wǎng)形對監(jiān)測成果的影響。并到現(xiàn)場實際查勘，以確認制定的網(wǎng)形優(yōu)化方案在現(xiàn)場的可實施性。

2、數(shù)據(jù)處理方法研究

待已經(jīng)安裝和調試完備的實時在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝完畢并開始運行之后，取一定時段的數(shù)據(jù)在進行實時處理的同時，采用數(shù)據(jù)后處理軟件進行重新處理并解算。比較解算的成果的差別并分析其原因，力求使實時在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠獲取高精度的監(jiān)測成果。

3、參考框架的選擇與精度評定

以現(xiàn)有的參考框架選擇理論為指導，根據(jù)網(wǎng)形優(yōu)化研究的成果并結合現(xiàn)場情況，確定零點位置和縱橫軸方向，從而建立坐標系統(tǒng)。

目前，項目組實驗室擁有多套GNSS設備，多次采用這些設備通過靜態(tài)觀測的方法進行控制測量，熟知數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)處理方法。多名項目組成員曾在天津市南水北調中線濱海新區(qū)供水一/二期工程中參加了管線的安全監(jiān)測項目，連續(xù)多年承擔了海河下游局五閘樞紐垂直位移監(jiān)測與分析項目。

三、結束語

我市位于華北沉降漏斗區(qū)，在我國屬于沉降相當嚴重的地區(qū)，盡管近些年在多個部門的齊心協(xié)力下，沉降速率有所下降，但是由沉降引起的問題依然嚴峻。我市境內的各大型水工建筑基本上每年都會采用傳統(tǒng)的測量方法進行安全監(jiān)測（主要包括水平位移、垂直位移），費時、費力的同時也增加了經(jīng)濟成本。

特別是當特大洪水來臨時，GNSS實時在線監(jiān)測系統(tǒng)不僅能夠保障監(jiān)測人員的人身安全，還能夠實時得到水工建筑當前所處的狀態(tài)。為相關部門的決策提供強有力的支持。