GPS技術(shù)與數(shù)據(jù)處理在水利工程變形監(jiān)測中的研究

董 雪 亮(山西省水利水電勘測設(shè)計研究院，太原 030024)

0 引 言

水利水電工程是國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要的基礎(chǔ)設(shè)施，隨著我國經(jīng)濟的跨越式發(fā)展，以三峽工程為代表的我國水利水電建設(shè)項目取得了顯著的成就，大型水利水電項目投資大，周期長，社會效益十分顯著，確保水利水電工程的安全運營，不但是保障經(jīng)濟建設(shè)平穩(wěn)發(fā)展的重要舉措，也肩負著保證下游和兩岸人民生命、財產(chǎn)安全重要職責。對水利水電工程進行及時、有效的監(jiān)測，為施工、設(shè)計、運營部門提供科學(xué)、可靠的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)是提高水利水電工程建設(shè)、運營、管理水平的重要手段。堤壩、邊坡是水利水電工程變形監(jiān)測的重要內(nèi)容，監(jiān)測周期貫穿整個工程運營階段，監(jiān)測精度一般要求毫米、亞毫米，選用合理、高效的監(jiān)測手段可以極大地提高工作效率，提高監(jiān)測精度。

變形監(jiān)測的3大工作內(nèi)容包括：①監(jiān)測精度指標的確定；②監(jiān)測手段的確定與實施；③監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和安全狀況的分析、預(yù)警。其中的核心問題是監(jiān)測數(shù)據(jù)真實值的獲取和監(jiān)測體允許變形值的確定，監(jiān)測精度指標一般取允許變形值的1/10～1/20[1]。

GPS技術(shù)作為現(xiàn)代測繪技術(shù)的代表，依靠作業(yè)方便、受限情況少、自動化程度高等特點，在工程變形監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。水利水電工程以其監(jiān)測周期長、精度要求高等特點，對GPS觀測數(shù)據(jù)的處理也提出了特殊的要求。

1 GPS觀測數(shù)據(jù)處理技術(shù)與分析現(xiàn)狀

GPS觀測獲取的數(shù)據(jù)受各種誤差的影響較為嚴重，在變形觀測中無論采用動態(tài)監(jiān)測、連續(xù)監(jiān)測還是定期監(jiān)測，都必須依靠科學(xué)合理的數(shù)據(jù)處理方法從監(jiān)測數(shù)據(jù)中獲取變形信息。在GPS數(shù)據(jù)處理中常用到的是載波相位差分技術(shù)，該技術(shù)的優(yōu)點是利用差分技術(shù)削弱部分相關(guān)誤差的影響，但對于整周模糊度的求解、周跳的探測與剔除、減小殘余系統(tǒng)誤差仍然不是十分理想。

在靜態(tài)定位中，整周模糊度的求解依賴于衛(wèi)星幾何圖形的合理度，故可以通過延長觀測時間的方法解決，但該方法需要較長的觀測時間，工作效率較低。經(jīng)過國內(nèi)外專家多年的研究，模糊度搜索法(LAMBDA)、周模糊度的在航求解(AROF或OTF)等方法在GPS精確定位中的到了廣泛的應(yīng)用。

周跳是提高載波相位觀測定位精度的一個限制因素，也是其特有的問題，主要是受整周模糊度和接收機位置參數(shù)的影響。偽距與相位組合、高次差法、多項式擬合法等方法在現(xiàn)有的GPS數(shù)據(jù)處理軟件中都得到了大量的應(yīng)用[2]。由于周跳發(fā)生的隨機性和偶然性，簡單的利用一種方法處理往往不能很好地解決問題，通過多種方法的綜合應(yīng)用，才能較好地發(fā)現(xiàn)和處理周跳的影響。

2 GPS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理技術(shù)與分析現(xiàn)狀

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)中除了含有有用的重復(fù)觀測數(shù)據(jù)外，還含有大量的誤差信息，“去偽存真”是變形監(jiān)測的重要工作。針對變形監(jiān)測的特點，通常監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分為2部分，即變形監(jiān)測控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理與變形監(jiān)測數(shù)據(jù)序列處理?？刂凭W(wǎng)數(shù)據(jù)處理重點在于監(jiān)測網(wǎng)網(wǎng)型的優(yōu)化設(shè)計、觀測數(shù)據(jù)平差計算以及變形分析；變形監(jiān)測數(shù)據(jù)序列處理重點在于同一個監(jiān)測點上的多期監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合工程設(shè)計的要求對變形作出解釋與預(yù)報。

2.1 變形監(jiān)測控制網(wǎng)的處理

變形監(jiān)測的目的是通過分期重復(fù)觀測獲取觀測點的位移信息，分期觀測的方法通常采用靜態(tài)相對定位模型進行，獲取基線向量，解算觀測網(wǎng)的每期成果及精度指標，通過統(tǒng)計分析的方法確定點位變形量。由于觀測數(shù)據(jù)的獲取需要采用多期觀測的方法，所以各期觀測基準的一致性和穩(wěn)定性十分重要。GPS監(jiān)測網(wǎng)與常規(guī)檢測網(wǎng)一樣，通過選取與實際變形一致的基準和平差模型來完成檢測網(wǎng)的解算，國內(nèi)外專家對GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的研究基本沒有給出統(tǒng)一的平差模型。

2.2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)序列處理

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)序列處理通常用到的方法有統(tǒng)計分析法、確定函數(shù)法、時間序列分析、卡爾曼濾波、頻譜分析等方法，研究表明，單一的利用一個固定的模型處理數(shù)據(jù)序列，不能有效分離不利影響帶來的結(jié)果，根據(jù)影響的規(guī)律，建立相應(yīng)的模型才能得到較好的分析結(jié)果。

3 GPS變形監(jiān)測網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計

基準的設(shè)計與統(tǒng)一是控制網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計的首要任務(wù)，在控制網(wǎng)數(shù)據(jù)處理上，基準問題表現(xiàn)為建立合適的平差模型(基準方程)。利用相鄰兩組觀測數(shù)據(jù)在“相同的基準”下平差，2次平差結(jié)果的差即可作為變形分析的變形量，這里的“相同基準”通常情況下為“相似基準”。利用穩(wěn)健估計方法，實現(xiàn)變形監(jiān)測網(wǎng)的基準選擇，采用布沙爾七參數(shù)模型作為相互轉(zhuǎn)換模型，從而分析判斷基準的穩(wěn)定性，是選擇統(tǒng)一基準的有效手段。

平均間隙法是監(jiān)測網(wǎng)中基準點的選擇方法，當認為監(jiān)測網(wǎng)中各點穩(wěn)定程度相同的情況下，利用自由網(wǎng)平差的方法解算。由于監(jiān)測網(wǎng)中各點的形變速率各不相同，根據(jù)經(jīng)驗及設(shè)計信息，可以采用擬穩(wěn)平差的方法計算。若2期數(shù)據(jù)基準點穩(wěn)定，則認為基準點之間剔除系統(tǒng)誤差和粗差后僅有偶然誤差，兩者之間通過平移、旋轉(zhuǎn)、尺度3類因子，可以建立相互轉(zhuǎn)換關(guān)系，基于穩(wěn)健坐標轉(zhuǎn)換的基準選擇方法就是在此基礎(chǔ)上提出的。首先對每次觀測的數(shù)據(jù)依據(jù)自由網(wǎng)平差的方法計算各期坐標值，然后對每2期數(shù)據(jù)利用帶穩(wěn)健估計的七參數(shù)模型轉(zhuǎn)換，通過選權(quán)迭代確定穩(wěn)定的基準點組。該方法可以歸結(jié)為坐標變換參數(shù)的最小二乘估計，但該方法是建立在觀測誤差均值為正態(tài)分布的基礎(chǔ)上，當觀測誤差不能正態(tài)分布時最小二乘法的最優(yōu)性會受到嚴重的影響，而利用具有抗粗差能力的最小二乘穩(wěn)健估計法能夠較好地克服這一缺陷。

4 利用小波變換探測GPS周跳

GPS測量容易受對流層、多路徑效應(yīng)、電離層折射、鐘差等因素的影響，從而使觀測值含有各類誤差，嚴重影響基線解算的精度。通過平差過程中參數(shù)的合理調(diào)整以及差分處理，可以極大地消除系統(tǒng)誤差的影響；通過隨機模型的優(yōu)化，可以消除和減弱偶然誤差的影響。GPS周跳是GPS觀測中主要的粗差來源，也是提高定位精度的一個限制因素，未被檢測到的周跳主要影響整周模糊度及接收機位置參數(shù)的改正數(shù)，因此周跳的探測是監(jiān)測網(wǎng)解算的重要條件。

周跳的繼承性是周跳的主要特征之一。載波相位觀測值隨時間的變化，表現(xiàn)為一連續(xù)光滑的曲線，但由于周跳的影響，會破壞曲線的光滑度，從發(fā)生周跳開始，以后所有的觀測值多會表現(xiàn)出相同的周跳。衛(wèi)星信號的暫時失鎖是GPS周跳產(chǎn)生的主要原因，大的周跳可以通過高次差等方法處理，但是小的周跳會被噪聲掩蓋，小波變化方法是一種高效的濾波和去噪方法，該方法可以有效地從觀測數(shù)據(jù)中分離和修復(fù)周跳數(shù)據(jù)。

由于偶然誤差和系統(tǒng)誤差的影響，利用小波變化技術(shù)直接處理GPS原始觀測數(shù)據(jù)往往效果不佳。通過實驗證明，在原始觀測序列中加入1γ、2γ、3γ(γ=0.1周)的周跳值時，利用原始序列無法達到周跳探測的目的。主要原因是收到電離層、對流層、鐘差、多路徑效應(yīng)等誤差的影響。利用差分技術(shù)有效消除以上誤差后，再利用小波變換技術(shù)處理觀測序列，效果十分明顯。

5 結(jié) 語

在GPS變形監(jiān)測中，受多種誤差的綜合影響，導(dǎo)致定位精度降低，分析和研究誤差的來源及影響規(guī)律是提高GPS變形監(jiān)測網(wǎng)的重要手段和方法。要求2期數(shù)據(jù)必須有統(tǒng)一的基準是變形監(jiān)測網(wǎng)與控制網(wǎng)數(shù)據(jù)解算上的鮮明特征，同時GPS周跳是影響觀測精度的重要因素。本文通過分析變形監(jiān)測網(wǎng)的不同觀測元素及質(zhì)量指標，得出了變形監(jiān)測網(wǎng)平差的獨特模型，避免了系統(tǒng)誤差引入變形量中，提高了變形分析的可靠性；通過穩(wěn)健估計法，實現(xiàn)了2期基準的統(tǒng)一，提高了不穩(wěn)定點的發(fā)現(xiàn)效率；通過GPS周跳的探測和剔除，極大地提高了監(jiān)測網(wǎng)的觀測精度。

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[1] 岳東杰. 水利水電工程變形監(jiān)測中GPS技術(shù)與數(shù)據(jù)處理研究[D]. 南京:河海大學(xué),2006.

[2] 李淑慧,劉經(jīng)南. 整周模糊度搜索方法的效率比較和分析[J]. 測繪通報, 2003,(10):1-3.