地質(zhì)災(zāi)害高精度GPS監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

王 利

長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054

我國(guó)是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，開展對(duì)滑坡、崩塌、泥石流、地面沉降和地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害的高精度監(jiān)測(cè)，了解和掌握不同地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害的變形規(guī)律和特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的評(píng)價(jià)、預(yù)測(cè)和預(yù)警是一項(xiàng)必要而且迫切的科學(xué)任務(wù)。目前，GPS定位技術(shù)已在地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但在如何實(shí)現(xiàn)高精度快速定位方面仍然存在著尚未完全解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，如特殊環(huán)境條件下GPS觀測(cè)誤差的消除與改正，GPS原始觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的檢驗(yàn)與判斷，不同災(zāi)害監(jiān)測(cè)需求下精度指標(biāo)的確定，高精度GPS數(shù)據(jù)處理方案的確定，GPS精密單點(diǎn)定位技術(shù)的精度和可用性，GPS動(dòng)態(tài)定位技術(shù)的適用性，以及GPS實(shí)時(shí)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)建與實(shí)現(xiàn)等。針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)GPS高精度和快速定位所面臨的關(guān)鍵技術(shù)方法展開了深入的研究和探討，主要內(nèi)容如下：

（1）針對(duì)影響高精度GPS定位的誤差問(wèn)題，重點(diǎn)探討了衛(wèi)星星歷和對(duì)流層延遲誤差對(duì)高精度GPS監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響規(guī)律，提出了在基線較長(zhǎng)或站間高差過(guò)大時(shí)宜采用精密星歷和對(duì)流層延遲改正模型進(jìn)行基線向量解算的處理措施。

（2）針對(duì)高精度GPS監(jiān)測(cè)中如何判斷測(cè)站觀測(cè)環(huán)境和接收機(jī)質(zhì)量的問(wèn)題，提出了一種利用MP1與MP2之差Δ值的時(shí)間序列對(duì)GPS接收機(jī)性能進(jìn)行檢驗(yàn)的新方法，可以快速檢驗(yàn)并判斷GPS接收機(jī)的測(cè)量性能狀態(tài)。

（3）探討了GPS精密單點(diǎn)定位（PPP）技術(shù)在地面沉降等大范圍、緩變型地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中的適用性問(wèn)題，通過(guò)對(duì)某地區(qū)大范圍地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析，發(fā)現(xiàn)PPP技術(shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果的內(nèi)符合精度可以達(dá)到5mm以內(nèi)，外符合精度可以達(dá)到20mm左右，表明靜態(tài)PPP技術(shù)在采取精細(xì)誤差修正模型改正等措施后，完全可用于厘米級(jí)精度的大范圍地質(zhì)災(zāi)害的變形監(jiān)測(cè)。

（4）為了提高靜態(tài)PPP技術(shù)的收斂速度、定位精度和可靠性，提出了一種基于基準(zhǔn)站改正信息和歷元差分的無(wú)模糊度PPP定位算法，該算法可大大縮短PPP的收斂時(shí)間，能夠在較大范圍內(nèi)快速、獨(dú)立地獲取各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上的形變信息，且精度和可靠性均有保障。

（5）為了降低GPS精密單點(diǎn)定位的硬件成本，研究了利用單頻GPS接收機(jī)進(jìn)行高精度定位的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于GPS原始觀測(cè)值的單頻PPP算法。該算法通過(guò)增加電離層延遲先驗(yàn)信息、空間和時(shí)間約束的虛擬觀測(cè)方程，將電離層延遲當(dāng)作未知參數(shù)與其他定位參數(shù)一并估計(jì)來(lái)高效修正電離層延遲誤差。結(jié)果表明：該算法的收斂速度和穩(wěn)定性較傳統(tǒng)方法有所改善，其靜態(tài)單頻單天PPP解的精度可達(dá)2～3cm、模擬動(dòng)態(tài)單頻單天PPP解的精度可達(dá)2～3dm，完全可用于厘米或分米級(jí)精度的大范圍地質(zhì)災(zāi)害變形監(jiān)測(cè)。

（6）通過(guò)對(duì)滑坡監(jiān)測(cè)的精度、復(fù)測(cè)周期和速度三者關(guān)系的分析，探討了3種GPS快速定位技術(shù)在滑坡災(zāi)害動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)中的精度、適用范圍和限制條件等關(guān)鍵問(wèn)題，實(shí)例和計(jì)算結(jié)果表明，RTK技術(shù)、GPS單歷元定位技術(shù)和實(shí)時(shí)PPP技術(shù)均可用于中速（4級(jí)）以上滑坡的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變形監(jiān)測(cè)。

（7）基于本文研究的若干地質(zhì)災(zāi)害高精度GPS監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)和方法，提出了對(duì)甑子巖危巖體采用GPS靜態(tài)和動(dòng)態(tài)定位技術(shù)相結(jié)合的監(jiān)測(cè)技術(shù)路線，并成功構(gòu)建了甑子巖危巖體GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)危巖體變形情況的全天候、自動(dòng)化和三維動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害體變形狀況的及時(shí)準(zhǔn)確預(yù)警，監(jiān)測(cè)結(jié)果的平面精度約為5mm，高程精度約為10mm。