水電站GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理及穩(wěn)定性分析

周命端，郭際明，許映林，李玉平，李 琛

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院測繪工程院，新疆昌吉831100;3.湖南省東安電力公司，湖南永州425900)

水電站GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理及穩(wěn)定性分析

周命端1，郭際明1，許映林2，李玉平2，李 琛3

(1.武漢大學(xué)測繪學(xué)院，湖北武漢430079;2.新疆水利水電勘測設(shè)計研究院測繪工程院，新疆昌吉831100;3.湖南省東安電力公司，湖南永州425900)

以2009年觀測數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用GAMIT軟件和CosaGPS軟件對山口水電站GPS變形監(jiān)測A級網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。探討高精度GPS網(wǎng)數(shù)據(jù)處理的方法和過程，比較研究兩期觀測成果，分析GPS變形監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性，為山口水電站GPS變形監(jiān)測提供參考。

GPS網(wǎng);變形監(jiān)測;穩(wěn)定性分析;數(shù)據(jù)處理

山口水電站工程是新疆某河干流梯級開發(fā)的最末一級，規(guī)模屬于大二型。該工程由攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成，大壩高51 m，水庫總庫容1.21×108m3，裝機(jī)容量140 MW。為保證水電站大壩的安全，需要對該大壩進(jìn)行形變監(jiān)測。由于水電站地處山區(qū)，地勢險要，受地理環(huán)境、天氣及地形比較復(fù)雜條件等因素的影響，采用常規(guī)測量手段難以實(shí)現(xiàn)。而GPS定位技術(shù)作為一種全新的測量手段，在水利水電工程各階段測量中已逐步得到使用［1］。它以高精度定位、全天候作業(yè)、高效率觀測、多功能、操作簡便、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)備受青睞。為此，用GPS定位技術(shù)建立了山口水電站變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)。該GPS網(wǎng)共布設(shè)了7個基準(zhǔn)點(diǎn)，如圖1所示。GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的外業(yè)觀測與數(shù)據(jù)采集使用了4臺美國天寶公司的Trimble 5700雙頻GPS接收機(jī)進(jìn)行同步觀測，采用基于24 h的連續(xù)觀測方式，白天、晚上所占時間均勻分布，可以達(dá)到最佳效果。全網(wǎng)于2008年11月2—8日進(jìn)行了第一期觀測，共4個時段，于2009年11月11—19日進(jìn)行了第二期觀測，共4個時段，每個基準(zhǔn)點(diǎn)平均累計觀測時間均達(dá)到54 h以上，達(dá)到A級網(wǎng)測量規(guī)范規(guī)定的觀測時間要求。

本文以2009年觀測數(shù)據(jù)為例，應(yīng)用高精度GAMIT軟件和CosaGPS軟件對山口水電站變形監(jiān)測A級GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將數(shù)據(jù)處理成果與第一期數(shù)據(jù)成果作比較研究，進(jìn)而對A級GPS基準(zhǔn)點(diǎn)作穩(wěn)定性分析。

圖1 水電站GPS變形監(jiān)測網(wǎng)

一、GPS基線處理與分析

為了保證GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的高精度，基線處理采用GAMIT軟件，版本為10.35，在基于Ubuntu操作系統(tǒng)的PC機(jī)上完成數(shù)據(jù)處理。GAMIT軟件是由美國麻省理工學(xué)院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合研發(fā)的一套高精度GPS數(shù)據(jù)分析軟件，可應(yīng)用于高精度GPS測量數(shù)據(jù)處理［2］。

應(yīng)用GAMIT軟件進(jìn)行基線處理時，地面參考基準(zhǔn)站的選擇及其坐標(biāo)精度將影響到基線解算結(jié)果［3］。為了獲得高精度GPS基線解算結(jié)果，同時為了將變形監(jiān)測成果統(tǒng)一到國際地球參考框架基準(zhǔn)ITRF下，采用國際IGS全球衛(wèi)星跟蹤站作為基線解算的地面基準(zhǔn)站。根據(jù)IGS站的分布與測區(qū)GPS站的分布情況，同時顧及IGS站坐標(biāo)的精度和數(shù)據(jù)質(zhì)量，最終選擇URUM(烏魯木齊站)和GAUO(南山站)兩個全球衛(wèi)星跟蹤站作為基準(zhǔn)站，根據(jù)SOPAC官方網(wǎng)站提供的站坐標(biāo)成果，其地心坐標(biāo)分量精度為±(3～8)mm。采用URUM和GAUO聯(lián)合基準(zhǔn)點(diǎn)SK101構(gòu)成基準(zhǔn)坐標(biāo)傳遞網(wǎng)以獲得GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的起算坐標(biāo)。

GAMIT基線處理策略采用固定軌道(Choice of Experiment=BASELINE)，估算對流層折射參數(shù)，且2 h估算一次(Zenith Delay Estimation=Y和Interval zen=2)，其他的設(shè)置采用GAMIT默認(rèn)模式，基線精處理采用國際上最為精確的IGS綜合精密星歷。對于基準(zhǔn)坐標(biāo)傳遞網(wǎng)的基線解算，采用消電離層組合模型(Choice of Observable=LC_HELP)，雙頻觀測值組合觀測量為［2］

而對于GPS形變監(jiān)測網(wǎng)的基線解算，采用無電離層約束的組合模型(選擇Choice of Observable=L1，L2_INDENPEND)，雙頻觀測量為

為使兩期基線解算結(jié)果具有可比性，GPS變形監(jiān)測網(wǎng)第二期數(shù)據(jù)處理策略應(yīng)與第一期解算策略保持一致。GAMIT基線解算水平方向分量與垂直方向分量的精度統(tǒng)計如圖2所示。從圖2可以看出，第二期基線解算的精度在水平分量上為±(0.5～0.7)mm，在垂直分量上為±(1.3～2.2)mm。

圖2 第二期基線處理精度統(tǒng)計

為比較研究兩期基線解算的精度差異，將第一期GAMIT基線解算的精度作統(tǒng)計分析，如圖3所示。從圖3可以看出，第一期基線解算的精度在水平分量上優(yōu)于±0.7 mm;垂直分量上優(yōu)于±1.0 mm。比較圖2與圖3，可以看出第一期基線解算的精度略優(yōu)于第二期，但為同一數(shù)量級，這表明兩期基線解算的精度是相當(dāng)?shù)摹?/p>

圖3 第一期基線處理精度統(tǒng)計

二、GPS網(wǎng)平差處理與分析

網(wǎng)平差采用武漢大學(xué)測繪學(xué)院研發(fā)的CosaGPS軟件，版本為V5.13。應(yīng)用CosaGPS軟件提取GAMIT軟件處理的基線向量解信息，包括基線向量解及其方差-協(xié)方差陣，作為GPS網(wǎng)平差處理的觀測量。

1.粗差分析

粗差分析是指對觀測量中可能存在的粗差，通過有效的方法進(jìn)行檢驗(yàn)和探測，并采用適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ㄏ植顚ζ讲罱Y(jié)果的影響。GPS網(wǎng)平差處理采用的觀測量來源于GAMIT軟件基線處理獲得的三維基線向量解及其方差-協(xié)方差陣。而GAMIT解算基線是采用全組合基線處理模型，這使得基線向量解各分量之間不但存在著相關(guān)性，而且同步環(huán)各基線向量解之間也存在著相關(guān)性?；谙嚓P(guān)分析的粗差探測方法，考慮了觀測量之間隨機(jī)特性相關(guān)性，適合于高精度GPS網(wǎng)的粗差分析，所以，可采用基于相關(guān)分析的粗差理論來探測及消除其影響［4-5］。在GPS網(wǎng)平差系統(tǒng)中對驗(yàn)后單位權(quán)方差進(jìn)行χ2檢驗(yàn)。由于的理論值等于1，則有χ2檢驗(yàn)量為

選取置信水平1－α，α=0.005，若

成立，則接受H0;否則，則拒絕H0，認(rèn)為平差系統(tǒng)中可能存在粗差。

2.改造方差-協(xié)方差陣

對于判定為粗差的觀測量，調(diào)整其參加平差的權(quán)，粗差觀測量i的選權(quán)因子由平差值改正數(shù)的大小vi及其精度σvi確定，即

為保持觀測量之間的相關(guān)系數(shù)不變，而與粗差有關(guān)的協(xié)方差改正為

觀測量經(jīng)過粗差分析，探測和消除粗差的影響后，三維無約束平差結(jié)果的驗(yàn)后單位權(quán)方差通過χ2檢驗(yàn)，但是。這是因?yàn)镚AMIT基線解輸出精度偏高，與實(shí)際測量精度不匹配［6］。這時，可以對基線向量解的方差-協(xié)方差陣進(jìn)行改造，可根據(jù)外業(yè)測量時使用的GPS接收機(jī)的標(biāo)稱精度來確定GPS網(wǎng)基線測量中誤差［7］。

3.檢驗(yàn)與精度評估

GPS三維無約束平差的結(jié)果，客觀地反映了整個GPS網(wǎng)觀測量的內(nèi)部符合精度。觀測量的改正數(shù)vi及改正數(shù)的精度σvi，反映了觀測量成果的好壞。當(dāng)vi＜3σvi，認(rèn)為觀測量與其平差時賦予的先驗(yàn)精度相匹配。三維無約束平差基線向量X、Y、Z方向改正數(shù)及限差如圖4所示。從圖4可以看出，所有基線向量在X分量的改正數(shù)在－1.3～1.3 mm內(nèi)，Y分量在－3.0～2.9 mm內(nèi)，Z分量在－2.5～2.5 mm范圍內(nèi);基線向量三分量改正數(shù)的大小遠(yuǎn)小于限差值(15.0 mm)，三維基線向量平差精度良好。

圖4 基線三維分量改正數(shù)及限差

以SK101為起算點(diǎn)，其三維直角坐標(biāo)值的獲得是通過聯(lián)合IGS跟蹤站GUAO和URUM進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)處理傳遞得到的，參考框架為ITRF2000，歷元為2008.840，其三維坐標(biāo)為:X=…244.132 5，Y=…932.278 1，Z=…005.112 6，水平分量中誤差為±2.8 mm，垂直分量中誤差為±8.9 mm，點(diǎn)位精度為±9.3 mm。三維無約束平差基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)成果精度分析如圖5所示。從圖5可以看出，GPS變形監(jiān)測網(wǎng)中基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)平差值水平分量優(yōu)于1.0 mm，高程分量優(yōu)于 2.5 mm，點(diǎn)位精度優(yōu)于±3.0 mm。

圖5 基準(zhǔn)點(diǎn)平差坐標(biāo)精度分析

三、A級基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

1.平差基準(zhǔn)選取與框架統(tǒng)一

在水電站GPS變形監(jiān)測網(wǎng)兩期的數(shù)據(jù)處理中，應(yīng)用GAMIT軟件解算基線時采用相同的基線處理策略;應(yīng)用CosaGPS軟件進(jìn)行網(wǎng)平差處理時，三維無約束網(wǎng)平差固定SK101基準(zhǔn)點(diǎn)(該點(diǎn)兩期穩(wěn)定)，作為網(wǎng)平差處理的起算基準(zhǔn)，SK101基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)采用參考框架為ITRF2000，歷元為第一期觀測的平均瞬時歷元，即2008.840，其三維直角坐標(biāo)值的獲得是通過聯(lián)合IGS跟蹤站GUAO和URUM進(jìn)行高精度數(shù)據(jù)處理傳遞得到的。二維平差以第一期已知成果中給出的SK101為已知點(diǎn)，SK101到SK102的方位角(…5°…3'…9.59″)作為已知方位角，在工程坐標(biāo)系(WGS-84橢球，高斯正形投影，中央子午線為…2°…9'…5″，投影面高程為正常高…00 m)，進(jìn)行“固定一點(diǎn)一方向”平差。因此，水電站GPS變形監(jiān)測網(wǎng)兩期數(shù)據(jù)處理的所選取的基準(zhǔn)和所采用的參考框架及歷元是一致的，這為A級基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性分析提供了統(tǒng)一的基準(zhǔn)和框架及歷元，兩期觀測成果具有可比性。

2.點(diǎn)位穩(wěn)定性分析

利用獨(dú)立基線向量觀測量進(jìn)行GPS三維向量網(wǎng)平差和“固定一點(diǎn)一方向”平差處理，得到GPS變形監(jiān)測網(wǎng)其他基準(zhǔn)點(diǎn)的三維空間直角坐標(biāo)和二維平差坐標(biāo)。為分析基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性情況，將本期數(shù)據(jù)處理得到的7個基準(zhǔn)點(diǎn)的三維坐標(biāo)及平面坐標(biāo)和大地高與第一期數(shù)據(jù)處理成果進(jìn)行求差并作比較分析，其較差(第一期減第二期)結(jié)果如表1所示。

表1 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)兩期點(diǎn)位坐標(biāo)較差值 mm

從表1可以看出，對兩期觀測結(jié)果的點(diǎn)位坐標(biāo)較差比較分析，基準(zhǔn)點(diǎn) SK102、SK103、SK104、SK106、SK107在WGS-84坐標(biāo)系中X分量、Y分量及Z分量較差都在4.5 mm以下，位移量在5.9 mm之內(nèi)，大地高較差值都在5.8 mm以下;在工程獨(dú)立坐標(biāo)系中N方向、E方向分量都在3.5 mm以下，點(diǎn)位平面坐標(biāo)較差值在1.6～3.5 mm，若以兩倍點(diǎn)位中誤差(σ≤5 mm)作為兩期觀測結(jié)果較差值的限差，則在測量誤差允許的范圍內(nèi)，可以判定這5個基準(zhǔn)點(diǎn)保持相對穩(wěn)定。而基準(zhǔn)點(diǎn)SK105的三維直角坐標(biāo)較差在 X方向有15.1 mm變化，Y方向有74.2 mm的變化，Z方向有39.6 mm的變化，點(diǎn)位位置移動量為85.5 mm，大地高H方向有78.2 mm變化;在工程獨(dú)立坐標(biāo)系下的平差坐標(biāo)較差值在N方向有20.1 mm變化，E方向有23.8 mm變化，點(diǎn)位平面坐標(biāo)有31.2 mm變化，若以兩倍點(diǎn)位中誤差(σ≤5 mm)作為兩期觀測結(jié)果較差值的限差，則在測量誤差允許的范圍內(nèi)，可以判定基準(zhǔn)點(diǎn)SK105點(diǎn)有變動，需要進(jìn)行原因分析。

四、結(jié)束語

應(yīng)用GAMIT軟件進(jìn)行基線解算，并采用IGS綜合精密星歷和ITRF框架下的精確坐標(biāo)作為基線解算基準(zhǔn)，確保了GPS變形監(jiān)測網(wǎng)在ITRF框架下取得高精度成果。應(yīng)用CosaGPS軟件進(jìn)行網(wǎng)平差處理，觀測量通過粗差分析、方差-協(xié)方差陣的改造，使GPS網(wǎng)具有很高的內(nèi)部符合精度。統(tǒng)一坐標(biāo)基準(zhǔn)和參考框架及歷元，獲得高精度ITRF2000框架、參考?xì)v元為2008.840下的最終平差結(jié)果及工程坐標(biāo)系下的平面坐標(biāo)，比較分析兩期觀測成果，對A級GPS變形監(jiān)測網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行了穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明，基準(zhǔn)點(diǎn)SK105有變動，而其他基準(zhǔn)點(diǎn)保持相對穩(wěn)定，這為山口水電站的變形監(jiān)測分析提供參考和借鑒。

［1］ 田雪冬，郭際明，郭麒麟，等.GNSS定位技術(shù)在水利水電工程中的應(yīng)用［M］.武漢:長江出版社，2009.

［2］ HERRING T A，KING R W，MCCLUSKY S C.GAMIT Reference Manual Release 10.35［EB/OL］.［2009-06-01］.http:∥chandler.mit.edu/～simon/gtgk/GAMIT_ Ref_10.35.pdf.

［3］ 隋立芬.高精度GPS網(wǎng)的統(tǒng)一與數(shù)據(jù)處理若干問題研究［D］.鄭州:信息工程大學(xué)，2001.

［4］ 施闖，劉經(jīng)南.基于相關(guān)分析的粗差理論［J］.武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報，1998，23(1):5-9.

［5］ 施闖，劉經(jīng)南.國家高精度GPS整體平差中的粗差分析［J］.武漢測繪科技大學(xué)學(xué)報，1999，24(3):107-111.

［6］ 齊國良，施闖，姚宜斌.陜京輸氣管道斷裂帶形變監(jiān)測GPS網(wǎng)的數(shù)據(jù)處理及形變分析［J］.測繪信息與工程，2004，29(5):36-39.

［7］ 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

Data Processing and Stability Analysis of GPS Deformation Monitoring Network for Hydropower Station

ZHOU Mingduan，GUO Jiming，XU Yinglin，LI Yuping，LI Chen

0494-0911(2011)07-0030-04

P228.4

B

2010-9-29

周命端(1985—)，男，湖南東安人，博士生，主要從事高精度GNSS定位技術(shù)及其應(yīng)用研究工作。