北斗與其他星座在GNSS變形監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析

高紹偉，李長(zhǎng)青，鄭 闊，姜 晶，叢嘉志

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2. 上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201702)

北斗與其他星座在GNSS變形監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析

高紹偉1，李長(zhǎng)青1，鄭 闊1，姜 晶1，叢嘉志2

(1. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042； 2. 上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 201702)

以某露天煤礦排土場(chǎng)邊坡GNSS變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，在設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用華測(cè)HCMonitor變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)用軟件，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用不同衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了組合定位，分析和對(duì)比了解算數(shù)據(jù)，探討了北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的應(yīng)用效果并提出了合理的建議。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；組合定位；解算數(shù)據(jù)

全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(global navigation satellite system,GNSS)，目前泛指美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo及中國(guó)的BDS。目前建立的GNSS變形監(jiān)控在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于大壩、大型橋梁、高層建(構(gòu))筑物、滑坡和地區(qū)性地殼變形監(jiān)測(cè)。如我國(guó)在青江隔河巖大壩建立的GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析3大部分組成。實(shí)踐證明，采用一機(jī)多天線GPS系統(tǒng)，不僅可大大節(jié)省硬件設(shè)備費(fèi)用的投入，而且能夠有效地應(yīng)用于滑坡和大壩等局部變形監(jiān)測(cè)[1]。為此研究建立技術(shù)先進(jìn)而又實(shí)用的GNSS變形監(jiān)控在線實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)是一個(gè)重要的發(fā)展趨勢(shì)。然而，由于美國(guó)的GPS政策，出于保護(hù)美國(guó)信息安全的需要，美國(guó)軍方對(duì)GPS發(fā)布的民用信號(hào)所進(jìn)行的不定期短暫干擾而經(jīng)常出現(xiàn)RTK失鎖現(xiàn)象，大大降低了測(cè)量精度，并導(dǎo)致可能會(huì)出現(xiàn)在某個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻(如臺(tái)風(fēng)、地震、船撞等)監(jiān)測(cè)不到數(shù)據(jù)的現(xiàn)象[2]。而GLONASS系統(tǒng)采用頻分多址的方式調(diào)制衛(wèi)星信號(hào)，不同衛(wèi)星的頻率不同，這給模糊度的固定造成了一定困難[3-4]。

基于上述GPS和GLONASS系統(tǒng)的缺陷，文獻(xiàn)[5]利用GPS/GLONASS組合定位驗(yàn)證了上述方法在變形監(jiān)測(cè)中的有效性。本文在分析監(jiān)測(cè)系統(tǒng)各種誤差的基礎(chǔ)上，出于對(duì)項(xiàng)目和對(duì)數(shù)據(jù)的保密性，以某露天煤礦排土場(chǎng)邊坡GNSS變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，在設(shè)計(jì)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，利用華測(cè)HCMonitor變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)專(zhuān)用軟件，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用不同衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行組合定位，分析和對(duì)比解算數(shù)據(jù)，探討北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的應(yīng)用效果并提出合理的建議。

1 北斗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

1.1 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)定位原理

BDS是中國(guó)正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。目前的衛(wèi)星定位系統(tǒng)在進(jìn)行定位測(cè)量時(shí)，不論是測(cè)碼偽距絕對(duì)定位還是測(cè)相偽距絕對(duì)定位，由于衛(wèi)星星歷誤差、接收機(jī)鐘與衛(wèi)星鐘同步差、大氣折射誤差等各種誤差的影響，導(dǎo)致定位精度較低。

相對(duì)定位是用兩臺(tái)GPS接收機(jī)，分別安置在基線的兩端，同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，通過(guò)兩測(cè)站同步采集GPS數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理以確定基線兩端點(diǎn)的相對(duì)位置或基線向量,故相對(duì)定位有時(shí)也稱(chēng)為基線測(cè)量。這種方法可以推廣到多臺(tái)GPS接收機(jī)安置在若干條基線的端點(diǎn)，通過(guò)同步觀測(cè)相同的GPS衛(wèi)星，以確定多條基線向量。相對(duì)定位中，需要在多個(gè)測(cè)站中至少以一個(gè)測(cè)站的坐標(biāo)值作為基準(zhǔn)，利用觀測(cè)出的基線向量，去求解出其他各站點(diǎn)的坐標(biāo)值。

1.2 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理

目前變形監(jiān)測(cè)的基線向量解算模式可分為獨(dú)立解算模式和相關(guān)解算模式。

1.2.1 獨(dú)立解算模式

獨(dú)立解算模式對(duì)基線進(jìn)行逐條解算，每次解算僅包含一條基線向量結(jié)果。換言之，一次僅提取基準(zhǔn)點(diǎn)和一個(gè)測(cè)點(diǎn)的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)站星際雙差模型求解它們之間形成的基線向量。當(dāng)某時(shí)段進(jìn)行了多個(gè)測(cè)點(diǎn)同步觀測(cè)，而需要求解多條基準(zhǔn)-測(cè)點(diǎn)基線向量時(shí)，則需要將基準(zhǔn)點(diǎn)與各個(gè)測(cè)點(diǎn)分別形成雙差模型，獨(dú)立解算各基線向量。然而，解算的結(jié)果無(wú)法反映同步觀測(cè)基線向量間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。另外，單個(gè)基線向量獨(dú)立求解，無(wú)法利用待定參數(shù)的關(guān)聯(lián)性與觀測(cè)數(shù)據(jù)的共享性。其優(yōu)點(diǎn)是：平差數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)單、估計(jì)參數(shù)較少、數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度快。因此，在工程實(shí)踐中，普遍采用獨(dú)立解算模式，絕大多數(shù)商業(yè)軟件也采用該模式進(jìn)行基線解算。

1.2.2 相關(guān)解算模式

相關(guān)解算模式對(duì)獨(dú)立基線進(jìn)行逐時(shí)段解算，每解算包含n條基線向量的結(jié)果。換言之，一次提取基準(zhǔn)點(diǎn)和n個(gè)測(cè)點(diǎn)的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)、解算過(guò)程中，求解出n條相互函數(shù)獨(dú)立的基線向量。且可反映同步基線向量之間的統(tǒng)計(jì)相關(guān)性。但是，相關(guān)解算模式的平差數(shù)學(xué)模型及解算過(guò)程交復(fù)雜，數(shù)據(jù)處理響應(yīng)速度較慢。因此，僅在高精度應(yīng)用中采用相關(guān)解算模式，絕大多數(shù)科學(xué)軟件也采用該模式進(jìn)行基線解算[6]。

2 邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)體系設(shè)計(jì)

根據(jù)某露天采礦場(chǎng)和排土場(chǎng)邊坡穩(wěn)定性現(xiàn)狀及未來(lái)采礦工程發(fā)展需要，在礦山南部采區(qū)和西部采區(qū)重點(diǎn)部位，建立邊坡自動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)，對(duì)邊坡變形動(dòng)態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)包括參考站1個(gè)、連續(xù)監(jiān)測(cè)站18個(gè)、系統(tǒng)制軟件1套。

邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器系統(tǒng)單元、數(shù)據(jù)通信單元、數(shù)據(jù)處理與控制單元(HCmonitor軟件部分、HCmas平臺(tái)軟件)、避雷系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)等各個(gè)分部組成，如圖1所示。

圖1 GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架

3 BDS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)精度驗(yàn)證

出于項(xiàng)目保密需要，使用數(shù)據(jù)受限，項(xiàng)目選取參考站1個(gè)(GP02)、監(jiān)測(cè)站2個(gè)(GP01、GP03)，課題組根據(jù)2015年5月10日至2015年6月13日(15天)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分別提取了GPS、GPS+GLONASS和BDS三組衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)。以5月10日作為起始數(shù)據(jù)，利用HCmonitor軟件每天按5個(gè)時(shí)段(2 h)，分別解算出每個(gè)時(shí)段的空間三個(gè)坐標(biāo)方向的相對(duì)累計(jì)變化量，同時(shí)計(jì)算出每天的平均累計(jì)變化量。最后利用Excel軟件畫(huà)出三坐標(biāo)軸方向的變化折線圖(如圖2—圖4所示)。

圖2

圖3

空間位置定位結(jié)果的精度取決于衛(wèi)星空間分布，即其空間定位的圖形精度GDOP因子。在不考慮BDS系統(tǒng)的前提下，從衛(wèi)星定位的原理分析，一般認(rèn)為GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果為最佳的可靠成果。結(jié)合圖2(a)、(b)X軸方向的變化情況分析可以看出，對(duì)比BDS系統(tǒng)、GPS系統(tǒng)和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)解算結(jié)果，點(diǎn)的位移變化趨勢(shì)一致。最大的位移量為GPS系統(tǒng)，最小的位移量為BDS系統(tǒng)，GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果位于上述兩單系統(tǒng)的中間。BDS系統(tǒng)X軸方向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值比GPS系統(tǒng)、GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果均偏小。通過(guò)對(duì)為期15天的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，BDS系統(tǒng)和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)最大差值GPS01點(diǎn)僅為1.8 mm，GPS03點(diǎn)僅為3.6 mm。

Y軸方向的變化情況如圖3(a)、(b)所示，最大的位移量為GPS系統(tǒng)，最小的位移量為GPS+GLONASS雙系統(tǒng)，BDS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果位于上述兩系統(tǒng)的中間。BDS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果比GPS系統(tǒng)偏小，比GPS+GLONASS雙系統(tǒng)偏大。BDS系統(tǒng)與GPS+GLONASS雙系統(tǒng)最大差值GPS01點(diǎn)僅為1.3 mm；GPS03點(diǎn)僅為1.4 mm。

Z軸方向的變化情況如圖4(a)、(b)所示，BDS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果出現(xiàn)的情況隨點(diǎn)的位置不同而不同，沒(méi)有規(guī)律可言。但BDS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果差值不大。BDS和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)最大差值GPS01點(diǎn)僅為3.3 mm；GPS03點(diǎn)僅為2.7 mm。

4 結(jié) 論

(1) BDS系統(tǒng)X軸方向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值比GPS系統(tǒng)、GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果均偏?。籅DS系統(tǒng)Y軸方向位移的監(jiān)測(cè)結(jié)果位于GPS系統(tǒng)結(jié)和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果中間，BDS的監(jiān)測(cè)數(shù)結(jié)果比GPS系統(tǒng)結(jié)果偏小、比GPS+GLONASS雙系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果偏大；BDS系統(tǒng)Z軸方向位移變化情況，隨點(diǎn)的位置不同而不同，沒(méi)有規(guī)律可言。但BDS系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)結(jié)果和GPS+GLONASS雙系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果差值不大。

(2) 目前，BDS系統(tǒng)只覆蓋亞太地區(qū)，一旦衛(wèi)星的數(shù)量達(dá)到全球覆蓋，北斗系統(tǒng)完全可以取代GPS系統(tǒng)和GLONASS系統(tǒng)。

(3) 研制BDS接收機(jī)產(chǎn)品的費(fèi)用比三星系統(tǒng)的費(fèi)用成本要低，從而用于監(jiān)測(cè)的成本和總費(fèi)用隨之也下降，使衛(wèi)星定位監(jiān)測(cè)技術(shù)到達(dá)普及。

(4) 開(kāi)發(fā)更加嚴(yán)密的BDS系統(tǒng)的解算軟件，以便消除衛(wèi)星定位測(cè)量的各項(xiàng)誤差，從而提高變形監(jiān)測(cè)的精度。

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BeiDou with Other Constellations in GNSS Data Comparison and Analysis of Deformation Monitoring System

GAO Shaowei1，LI Changqing1，ZHENG Kuo1，JIANG Jing1，CONG Jiazhi2

(1. Beijing Polytechnic College, Beijing 100042, China; 2. Shanghai China Navigation Technology Co., Ltd., Shanghai 201702, China)

Taking an opencast coal mine dump slope GNSS deformation monitoring project as an example, based on the design of deformation monitoring system, using special software Huace HCMonitor deformation monitoring system, different satellite positioning data monitoring system is combined. Monitoring data are analyzed and compared. The application effect of the BeiDou Satellite Navigation System (BDS) is discussed and reasonable suggestions are put forward.

monitoring system; combination positioning; computed data

高紹偉，李長(zhǎng)青，鄭闊,等.北斗與其他星座在GNSS變形監(jiān)控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)對(duì)比分析[J].測(cè)繪通報(bào)，2017(4)：21-24.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0112.

2016-09-07

2014年北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院重點(diǎn)課題項(xiàng)目(bgzyky201411)

高紹偉(1962—)，男，碩士，教授，主要從事衛(wèi)星定位測(cè)量和變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用等工作。E-mail：gaoshaoweiGSW@163.com

P228

A

0494-0911(2017)04-0021-04