基于北斗的超長基線解算在滑坡基準點監(jiān)測中的應用探討

何玉童，汪 劍，李宏祥

(上海華測導航技術(shù)股份有限公司，上海 201702)

0 引言

近20年來，針對地質(zhì)災害滑坡的研究，進入了一個空前活躍時期，監(jiān)測手段和方法也越來越自動、智能。大部分的自動化監(jiān)測手段，仍然需要基準點。有很多文獻給出了滑坡點的數(shù)據(jù)分析，但是基準點變化容易被大家忽視。

常規(guī)的基準點變化通常采用定期人工監(jiān)測的方式，采集一段時間內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)，聯(lián)測附近的已知點。因為已知點通常比較老舊，效果不是特別理想。也有一些學者通過GAMIT/GLOBK、Bernese進行解算[1-3]，但是對使用者的技術(shù)水平要求很高，所以使用范圍有限。

開發(fā)基于北斗的自動化超長基線處理軟件CLBPE1.0，通過自動聯(lián)測IGS(International GPS Service)站點，給出基準點的空間三維坐標，針對原有的后處理模塊處理長基線(100～2 000 km)時誤差消除不徹底的問題，進行算法改進，采用新的數(shù)學模型(軌道模型與觀測模型)，改進誤差改正、周跳探測與修復以及模糊度解算策略，能夠處理長達2 000 km的基線，并且精度與GAMIT、Bernese相當；軟件的圖形化界面更方便操作，在滑坡監(jiān)測等領(lǐng)域具有非常好的應用前景。

1 超長基線解算軟件設計

1.1 軟件概述

國內(nèi)外主要的GNSS處理軟件對中長基線(100 km以內(nèi))的處理可以滿足精度需求，但是對于長基線甚至超長基線(100～2 000 km)就無法讓用戶滿意，例如Trimble的TBC軟件對于較長基線的處理，與Bernese的解算結(jié)果仍然相差較大。

CLBPE1.0作為一款專門用于長基線解算的軟件，主要用于高等級控制網(wǎng)、IGS聯(lián)測、CORS(Continuously Operating Reference Stations)網(wǎng)位移監(jiān)測等不同領(lǐng)域中，可為地質(zhì)災害監(jiān)測提供基準的變化監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)框架

軟件分為交互層、數(shù)據(jù)層、預處理層、解算層，總體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)框架圖Fig.1 Frame diagram of system

交互層：主要用于人機交互，用戶可打開網(wǎng)頁，選擇IGS站，并上傳基準點的觀測數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)層：將客戶上傳的數(shù)據(jù)進行解析，得到星歷、載波相位等數(shù)據(jù)；

預處理層：通過周跳探測對數(shù)據(jù)進行預處理，單點定位和基線形成，為解算層提供支撐；

解算層：通過誤差改正、線性化、參數(shù)估計、模糊度解算，最終得出解算的結(jié)果，解算層在運算過程中調(diào)用了預處理層的結(jié)果。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)

(1)軌道模型精化技術(shù)

通過對精密軌道進行基于衛(wèi)星物理運動模型的擬合[4]，對衛(wèi)星運動方程、變分方程進行數(shù)值積分來擬合軌道，并計算初始軌道的根數(shù)、多項式系數(shù)以及軌道偏導數(shù)(導航衛(wèi)星系統(tǒng)主要是對光壓的偏導數(shù)、Y軸加速度等)。為獲取精確的軌道模型，考慮了各種攝動力影響，其中與引力、潮汐相關(guān)的力根據(jù)模型系數(shù)來計算，光壓、Y軸加速度(低軌衛(wèi)星還要考慮大氣阻力)使用是經(jīng)驗模型來進行評估。

(2)誤差改正

通常會將誤差分為三大類，即衛(wèi)星相關(guān)的誤差、傳播路徑相關(guān)的誤差以及與測站(或接收機)相關(guān)的誤差[1](圖2)。

圖2 誤差的分類Fig.2 Classification of errors

對于海潮、固體潮、大氣潮等保守力模型，使用模型來改正。而對流層、電離層等誤差，采用了經(jīng)驗模型(或是格網(wǎng)模型)，并在改正后進一步采用參數(shù)估計(如天頂對流層以及水平梯度、鐘差參數(shù)等)和觀測值組合。

(3)模糊度處理

對于中長距離的基線，一般使用無電離層組合LC，可以消除電離層一階項的延遲，但是組合后的模糊度不再具有整數(shù)特性，本軟件引入WL(寬巷)模糊度解，因WL的波長達到86 cm，遠遠大于電離層、對流層的誤差，在模糊度固定上取得良好的效果。固定了WL模糊度以后，再確定窄巷NL模糊度，從而得到L1、L2的整數(shù)模糊度[5]。

本軟件采用荷蘭Delft大學的Teunissen教授提出的LAMBDA方法進行模糊度搜索，基于整數(shù)最小二乘求解的原理，利用整數(shù)變換將協(xié)方差矩陣進行矩陣分解，從而降低模糊度分量之間的相關(guān)性，提高了搜索的效率。

2 算例分析

2.1 與IGS已知點對比

選取北京房山的IGS點做為基準點，長春的IGS站點(CHAN)作為待計算坐標，基線距離大約1 000 km。與長春IGS已知坐標誤差在2 mm以內(nèi)(表1)。

表1 與已知點比較Table 1 Comparison with the given point

2.2 與Bernese對比

本文選取了蘭州海石灣礦業(yè)的基準點作為待測坐標，以北京房山IGS站為基準，基線長度約為1 000 km，分別計算了Bernese和本軟件的結(jié)果，坐標最大的為Z方向，為1.5 mm，其余均小于1 mm，結(jié)果見表2。

表2 與Bernese比較Table 2 Comparison with base points in Bernese

2.3 長期觀測

本文選取了南水北調(diào)中線河南淅川段干渠監(jiān)測項目的基準點BDZA的數(shù)據(jù)做試驗，數(shù)據(jù)從2018年4月至2018年10月份共計180天左右，每天出一組坐標。數(shù)據(jù)解算過程中，軟件自動聯(lián)測北京房山的IGS站點，基線距離約為1 000 km。從圖3可以看出，該點在X方向上，有明顯的滑動趨勢，平均速率為-10 mm/a，滑動漸趨平穩(wěn)；Y、Z方向上則未見明顯滑動。數(shù)據(jù)結(jié)果見圖3。

圖3 數(shù)據(jù)變化曲線圖Fig.3 Variation curve of data

3 結(jié)語

超長基線解算能夠根據(jù)用戶上傳的Rinex文件，自動下載IGS站點的數(shù)據(jù)，計算出高精度的三維坐標，使得滑坡基準點監(jiān)測精度優(yōu)于3 mm，與常規(guī)Bernese軟件精度相當，且基于此算法的軟件界面簡單易用，在地質(zhì)災害，滑坡應急救援等領(lǐng)域的基準點監(jiān)測方面有較好的應用前景。