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(tuán) 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(jìn)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(jìn)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(jìn)行同步觀測，靜態(tài)相對定位的精度通常可以達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(hù)，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(jìn)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(jìn)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(dá)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?；? 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(jìn)行PPP定位，從表1可以發(fā)現(xiàn)在E方向達(dá)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(dá)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(jìn)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?；谌斓挠^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。