GNSS多基站數(shù)據(jù)融合技術(shù)在水電站大壩精密變形監(jiān)測中的應用

李小偉，馮永祥

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610051）

GNSS變形監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測的重要技術(shù)手段之一，隨著我國北斗導航定位系統(tǒng)的快速建設發(fā)展，多頻多模多衛(wèi)星系統(tǒng)的GNSS融合定位技術(shù)已成為行業(yè)研究應用的熱點。西南地區(qū)大部分水電工程壩址區(qū)河谷狹窄，兩岸山體渾厚，呈現(xiàn)深切“V”形地貌特征。在高山峽谷復雜環(huán)境條件下，應用GNSS技術(shù)進行高精度大壩變形監(jiān)測存在諸多限制。傳統(tǒng)的單一基站監(jiān)測系統(tǒng)或多基站監(jiān)測系統(tǒng)僅做單一基站解算，由于基準點穩(wěn)定性誤差會直接傳遞給變形監(jiān)測站，會導致變形信息產(chǎn)生偏差甚至失真，難以充分滿足混凝土壩精密變形監(jiān)測的需求。

為了提高變形監(jiān)測的可靠性，便于檢核基準點的穩(wěn)定性，采用多個基站構(gòu)建監(jiān)測網(wǎng)是行之有效的做法。利用多基站對同一監(jiān)測站進行解算，基線數(shù)量增多，多余觀測量增加，并對同一監(jiān)測站的各基站解算結(jié)果進行融合處理，得到的監(jiān)測點變形結(jié)果受各基站綜合影響，既可以避免受單一基站制約的問題，又可以實現(xiàn)多個基站的相互校核和可靠數(shù)據(jù)的融合應用。

1 多基站數(shù)據(jù)融合技術(shù)

由于GNSS變形監(jiān)測網(wǎng)中建立了多座基站，基線數(shù)量成倍增加，監(jiān)測數(shù)據(jù)大幅增多，在數(shù)據(jù)解算處理中，多基站數(shù)據(jù)融合處理是一個難點問題。筆者根據(jù)基線解算和平差處理影響因素，提出了基于基線長度和基站穩(wěn)定性定權(quán)策略的多基站加權(quán)平均的融合方法。

1.1 技術(shù)原理

基線融合解算結(jié)果受到基站穩(wěn)定性、基線長度和基線解算驗后中誤差等多種因素的約束，若采用不同單一約束因子進行數(shù)據(jù)融合，在基線較短但基準不穩(wěn)定或基線較長但驗后中誤差較小等情況下，不同單一因子的融合結(jié)果可能會產(chǎn)生矛盾。為了解決這一問題，需綜合考慮多因子，利用加權(quán)平均法進行多基站數(shù)據(jù)融合，最終獲得更符合實際的融合結(jié)果。

基于多因子的多基站加權(quán)平均融合算法，其基本模型如下：

式中，L j表示多基站融合解算坐標；l i表示各單一基站解算坐標；σij表示權(quán)重，取值范圍為0～1；n表示基站個數(shù)。

通常在基準點選址地質(zhì)條件及基巖穩(wěn)定時，基站穩(wěn)定性較好的情況下，基站穩(wěn)定性因子可以不予考慮，以基線長度作為關(guān)鍵因子，對多基站數(shù)據(jù)得到的監(jiān)測站坐標進行加權(quán)平均融合即可。

1.2 處理流程

首先對同一監(jiān)測站采用單基站解算模式逐一完成各基站基線解算，在解算時段內(nèi)（通常為24 h），若該基站有滿足解算條件的GNSS觀測數(shù)據(jù)參與解算并得出結(jié)果，則該基站參與多基站數(shù)據(jù)融合處理；若解算時段內(nèi)基站通信中斷或數(shù)據(jù)可用率低于解算條件要求，則自動剔除該基站，其他正常的基站參與多基站解算融合處理。

若各基站起算坐標由絕對定位獲取，則應在多基站解算結(jié)果融合之前校核起算基準?？赏ㄟ^選取一個相對穩(wěn)定的主參考站，與其余參考站構(gòu)成基線求解基線向量差，將該差值作為基準之間的差異量進行校準。

采用這種多基站數(shù)據(jù)處理模式的GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，既能兼容滿足單基站快速數(shù)據(jù)解算處理一般需求，又能提供更加可靠的多基站融合解，也更易于提升自動化監(jiān)測完備性。假定有3個基站，多基站數(shù)據(jù)融合處理基本流程如圖1所示。

圖1 多基站數(shù)據(jù)融合處理流程圖Fig.1 Flow chart of multi-base station data fusion

2 現(xiàn)場測試

以官地水電站大壩為試驗對象，進行多基站數(shù)據(jù)融合定位現(xiàn)場測試分析。官地水電站位于四川省涼山州西昌市與鹽源縣交界的雅礱江干流河段上，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高168 m。壩址位于高山峽谷中，谷坡陡峻，河谷呈不對稱“V”形，具有西南山區(qū)水電站大壩典型環(huán)境特征。GNSS衛(wèi)星信號受高山遮擋、基站設備及通信傳輸?shù)纫蛩氐挠绊懀瑫е滦l(wèi)星失鎖、數(shù)據(jù)缺失等問題，是官地大壩開展GNSS連續(xù)自動化變形監(jiān)測需要解決的現(xiàn)實問題，若測區(qū)僅布置一座基站，則難以有效解決。

本次試驗在官地大壩現(xiàn)場選取了上游TN01、TN03和下游TN06三個基準點，建立了GNSS基站，在壩頂左岸、河床壩段和右岸建立了TP03、TP11、TP15、TP46監(jiān)測站，基站和監(jiān)測站布置見圖2。采用自動化連續(xù)觀測模式進行了數(shù)據(jù)采集，外業(yè)觀測時段為2017年6月22日～9月23日。

3 解算分析

試驗數(shù)據(jù)處理采用自主研制的GNSS變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件，衛(wèi)星星歷采用廣播星歷，多路徑效應和對流層延遲通過構(gòu)建自適應環(huán)境模型進行改正，周跳的探測及修復采用改進的TurboEdit算法，整周模糊度的固定采用LAMBDA方法，數(shù)據(jù)處理采用雙差觀測模型，解算時長為24 h，選擇壩頂兩端觀測環(huán)境條件較差的TP03和TP46進行解算精度分析。GNSS監(jiān)測網(wǎng)型結(jié)構(gòu)見圖3。

圖2 基站和監(jiān)測站布置示意圖Fig.2 Layout of base station and monitoring station

圖3 GNSS監(jiān)測網(wǎng)型結(jié)構(gòu)圖Fig.3 GNSS monitoring network structure

3.1 基站穩(wěn)定性

基準點穩(wěn)定是外部變形監(jiān)測的基礎?；痉€(wěn)定性可通過基站基線長度波動變化趨勢反映的基站相對位移變化進行初步判斷，再利用極限誤差法進行統(tǒng)計檢驗。為便于自動化監(jiān)測直觀檢驗，本研究采用單一基站解算模式解算同一測站變形結(jié)果進行分析，即使用TN01、TN03和TN06以單一基站解算模式分別對TP03、TP46直接進行解算，通過分析不同基站解算得出的變形結(jié)果是否存在明顯的趨勢偏差進行判斷。經(jīng)監(jiān)測數(shù)據(jù)解算處理，繪制高程方向位移歷時變化曲線，見圖4～5。

由圖4～5可見，以TN06為基站解算TP03和TP46時，兩監(jiān)測站歷時位移均呈現(xiàn)一致的趨勢性變化，而TN01和TN03的解算結(jié)果不存在類似TN06的趨勢性異常。由此，可判斷TN06在觀測期內(nèi)存在一定的位移變動，TN01和TN03相對穩(wěn)定。

圖4 各單一基站解算TP03監(jiān)測站垂直位移歷時變化曲線Fig.4 Diachronic curve of the vertical displacement processing result of TP03 monitoring station from each single base station

圖5 各單一基站解算TP46監(jiān)測站垂直位移歷時變化曲線Fig.5 Diachronic curve of the verticaldisplacement processing result of TP46 monitoring station from each single base station

3.2 單一基站解算精度

統(tǒng)計單一基站解算TP03、TP46變形監(jiān)測精度（見表1）可知，官地大壩24 h時段平面精度優(yōu)于2 mm，高程方向精度優(yōu)于5 mm。TN03作為基站時的解算精度最高，平面精度優(yōu)于1.5 mm，TN01次之，TN06解算精度最低。

對于TP03監(jiān)測站，基線TN06-TP03長度最短，但解算精度最低，系TN06基站穩(wěn)定性問題所致。TN06穩(wěn)定性較差，基站位移偏差帶進了監(jiān)測站變形信息中，對監(jiān)測點產(chǎn)生了變形干擾，解算結(jié)果也反映出TN06的解算精度最低，驗證了這一分析。對于TP46監(jiān)測站，基線TN03-TP46長度最短，且基站穩(wěn)定性較好，所以解算精度最高?；€長度和基準點穩(wěn)定性是影響解算精度的關(guān)鍵因子，在基站穩(wěn)定性一致的條件下，解算精度與基線長度存在負相關(guān)關(guān)系。

3.3 多基站數(shù)據(jù)融合精度

根據(jù)單一基站解算精度分析，多基站數(shù)據(jù)融合應兼顧基線長度和基準點穩(wěn)定性因素，才能獲得更為可靠的綜合平差值。采用基于基線長度和基站穩(wěn)定性定權(quán)策略的多基站數(shù)據(jù)融合方法，對同一監(jiān)測站的多基站解算結(jié)果進行融合，綜合利用多基站數(shù)據(jù)得到更符合實際的變形信息，理論上是較為合理的融合處理方案。

以基線長度和基站穩(wěn)定系數(shù)定權(quán)，將表1中基線長度作為一項權(quán)重因子，將測站監(jiān)測精度轉(zhuǎn)化為基準穩(wěn)定性系數(shù)，作為基站穩(wěn)定性因子權(quán)重。按照基線長度和基準穩(wěn)定同等重要的原則，按1∶1的比例分配權(quán)重系數(shù)，得到加權(quán)融合的總權(quán)重。

表1 單一基站解算變形監(jiān)測精度統(tǒng)計表Table 1 Statistics of processing accuracy of deformation monitoring by single-base station

表2 官地大壩GNSS多基站數(shù)據(jù)融合權(quán)重配賦表Table 2 Weight allocation during the data fusion for GNSS multi-base station in Guandidam

以基于基線長度加權(quán)平均和顧及基線長度與基準穩(wěn)定性加權(quán)平均分別進行官地大壩三基站數(shù)據(jù)融合處理，統(tǒng)計融合解算精度（見表3）。對于TP03和TP46測站，綜合基線長度與基準穩(wěn)定性因子的融合解算精度更高，在各個坐標方向均優(yōu)于基于基線長度單一因子的解算結(jié)果，取得了更好的數(shù)據(jù)融合效果。與表1單一基站解算精度相比，綜合基線長度與基準穩(wěn)定性因子的多基站融合解算精度同樣更高，能夠更好地反映監(jiān)測站變形信息。

實際應用中，對多基站數(shù)據(jù)進行融合時，必須兼顧基站穩(wěn)定性問題。若基站在長期運行中發(fā)生了緩慢的位移變化，可降低該基站穩(wěn)定性因子的權(quán)重；若基站在解算時間內(nèi)發(fā)生了較為顯著的位移，應剔除該基站，不再作為基準點參與該時段的數(shù)據(jù)處理，從而獲得可靠的融合結(jié)果，不因某一異?；径绊懕O(jiān)測成果。因此，TN06基站在工程應用中不應再參與融合解算。

表3 不同權(quán)重因子下多基站融合解算變形監(jiān)測精度統(tǒng)計表Table 3 Statistics of accuracy of deformation fusion processing results from multi-base station with different weight factors

3.4 成果應用

從圖4～5可見，TN06解算結(jié)果顯示監(jiān)測站發(fā)生了趨勢一致的位移變化。采用多基站數(shù)據(jù)融合技術(shù)解算，繪制TP03垂直位移歷時曲線（見圖6），融合解算成果未呈現(xiàn)趨勢性異常。

受水庫推力作用，大壩上下游方向會隨庫水位變化產(chǎn)生位移變化。選擇TP03、TP11和TP15監(jiān)測站，采用基于基線長度和基站穩(wěn)定系數(shù)定權(quán)策略的多基站數(shù)據(jù)融合方法，解算監(jiān)測站位移變形結(jié)果，繪制位移（上下游方向）隨庫水位變化曲線（見圖7）。解算成果顯示，壩頂上下游方向位移變化與庫水位波動變化具有較強的相關(guān)性，河床壩段TP11和TP15測點上下游方向位移變化對庫水位變化反應靈敏，說明官地大壩GNSS多基站變形監(jiān)測系統(tǒng)靈敏度、可靠度較高，能夠較好地探測大壩實際變形趨勢。

圖6 多基站融合解算TP03監(jiān)測站垂直位移歷時變化曲線Fig.6 Diachronic curve of the vertical displacement fusion pro?cessing result of TP03 monitoring station from multi-base station

圖7 官地壩頂位移（上下游方向）隨庫水位變化曲線Fig.7 Variation of Guandi dam crest displacements(in up?stream and downstream direction)along with the reservoir wa?ter level

4 結(jié)語

根據(jù)官地水電站大壩GNSS多基站自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)試驗情況：利用多基站解算結(jié)果可以及時檢核基準點穩(wěn)定性；多基站數(shù)據(jù)融合應顧及基站穩(wěn)定性因子。實測表明，在高山峽谷復雜環(huán)境條件下，采用基于基線長度和基站穩(wěn)定性定權(quán)策略的多基站數(shù)據(jù)融合解算精度優(yōu)于單一基站解和基線長度單一因子融合解；官地大壩實測平面精度優(yōu)于1.5 mm（24 h解）；GNSS多基站變形監(jiān)測系統(tǒng)精度、靈敏度、可靠度較高，能夠較好地探測大壩實際變形趨勢。水電站大壩GNSS多基站變形監(jiān)測系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢：避免單一基站監(jiān)測系統(tǒng)由于基站設備故障、斷電等情況出現(xiàn)監(jiān)測中斷問題；解決單一基站受地質(zhì)作用影響發(fā)生位移變化干擾變形信息的問題；通過多基站解算成果可以探測基站相對位移變化，便于在線檢核基站穩(wěn)定性；利用多基站數(shù)據(jù)融合，可以削弱基站長期運行中發(fā)生的相對變化趨勢對監(jiān)測站的影響，獲取更符合實際的監(jiān)測成果。