BDS在某大壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的運(yùn)行狀態(tài)研究

劉 恒， 柯 虎， 江 德 軍， 郭 家 成， 熊 敏

(國(guó)能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，過(guò)去主要利用大地測(cè)量的方法進(jìn)行測(cè)量。大地測(cè)量方法精度和可靠性較高，使用范圍較廣，同時(shí)，也存在著效率低、受環(huán)境制約大、自動(dòng)化率低等不足。隨著空間測(cè)量技術(shù)不斷發(fā)展，特別是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)技術(shù)的出現(xiàn)，為變形監(jiān)測(cè)相關(guān)領(lǐng)域開啟了全新思路。北斗導(dǎo)航技術(shù)的研發(fā)，在工程測(cè)繪方面的應(yīng)用，能夠有效地節(jié)省測(cè)繪所需的時(shí)間以及各種成本，為測(cè)量效率的提升做出了巨大貢獻(xiàn)[1]。

水電行業(yè)十分重視水庫(kù)大壩的安全監(jiān)測(cè)工作，目前，國(guó)內(nèi)大壩外部變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)主要采用的是全球定位系統(tǒng)(GPS)的GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。由于GPS是由美國(guó)國(guó)防部研制和管理，利用GPS技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)存在較大的安全隱患。北斗精密定位系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的定位系統(tǒng)，在大地測(cè)量、地殼形變監(jiān)測(cè)、精密工程測(cè)量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[2]。北斗位移監(jiān)測(cè)具有自動(dòng)化程度高、布設(shè)靈活、受地形影響較小、可全天候穩(wěn)定工作的優(yōu)點(diǎn)[3]。根據(jù)在某電站大壩進(jìn)行的基于北斗高精度水電站工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)項(xiàng)目，探究利用BDS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)適用性方面進(jìn)行替代的可能性。

1 BDS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1 BDS簡(jiǎn)況

BDS是北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的簡(jiǎn)稱，是我國(guó)自主建設(shè)運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)，BDS提供全天候、全天時(shí)、高精度的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。隨著北斗系統(tǒng)的逐步完善，為突破高精度核心技術(shù)，我國(guó)大批企業(yè)進(jìn)軍北斗、GPS、GLONASS等多系統(tǒng)集成的高精度芯片、板卡研發(fā)制造領(lǐng)域，迎來(lái)了北斗用戶終端設(shè)備的快速發(fā)展[4]。

1.2 研究目標(biāo)

本項(xiàng)目選擇某水電站大壩為研究應(yīng)用場(chǎng)景，采用北斗高精度定位監(jiān)測(cè)技術(shù)，研發(fā)全國(guó)產(chǎn)的北斗安全監(jiān)測(cè)平臺(tái)并進(jìn)行布置，與原有徠卡GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行同點(diǎn)監(jiān)測(cè)，可對(duì)徠卡GPS設(shè)備與國(guó)產(chǎn)北斗設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，進(jìn)一步驗(yàn)證基于北斗衛(wèi)星開展工程安全監(jiān)測(cè)的可行性以及在流域性電站進(jìn)行全方位推廣的可能性。

1.3 研究?jī)?nèi)容

基于大壩安全監(jiān)測(cè)的監(jiān)測(cè)終端、扼流圈天線、高精度監(jiān)測(cè)模塊進(jìn)行的北監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集對(duì)比分析BDS和GPS數(shù)據(jù)成果，論證BDS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)可靠性及設(shè)備穩(wěn)定性，并簡(jiǎn)要分析，測(cè)量精度應(yīng)優(yōu)于相關(guān)規(guī)范精度指標(biāo)要求。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

2.1.1 信息安全原則

采用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，采用國(guó)產(chǎn)化模塊、組件、系統(tǒng)，增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性，保障關(guān)鍵坐標(biāo)信息、數(shù)據(jù)通訊安全。

2.1.2 高性價(jià)比原則

作為水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)設(shè)施，服務(wù)企業(yè)需要安全監(jiān)測(cè)的同時(shí)，也應(yīng)兼顧社會(huì)責(zé)任的履行，尤其是在流域大規(guī)模應(yīng)用中，需要進(jìn)行成本考量，同時(shí)也應(yīng)滿足測(cè)量精度要求。

2.1.3 兼容并包原則

本系統(tǒng)應(yīng)用企業(yè)現(xiàn)有軟硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)相互兼容、數(shù)據(jù)互通，互為支撐。

2.2 系統(tǒng)設(shè)備選型

2.2.1 接收天線

接收天線主要實(shí)現(xiàn)的是將空間電磁波傳輸?shù)男盘?hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，必須滿足具有較寬的波束，能夠?qū)崿F(xiàn)衛(wèi)星跟蹤，具有較強(qiáng)的增益，噪聲系數(shù)小，并能在一定程度上與原有GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備共用等要求。為抑制多路徑效應(yīng)，全部采用扼流圈天線。所謂多路徑效應(yīng)，是指在GNSS測(cè)量中，衛(wèi)星接收機(jī)不僅直接收到GNSS衛(wèi)星信號(hào)，還會(huì)接收到被周圍環(huán)境中反射物反射的衛(wèi)星信號(hào)，反射信號(hào)與直達(dá)接收機(jī)天線的直達(dá)信號(hào)產(chǎn)生干涉使真值發(fā)生偏移，多路徑效應(yīng)會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差[5]。

2.2.2 接收機(jī)

BDS接收機(jī)是實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航的硬件載體，其主要包括天線輸出信號(hào)的變頻、ADC采樣、信號(hào)處理與信息處理等功能。本項(xiàng)目選用能夠獲取連續(xù)、穩(wěn)定、低噪聲的高質(zhì)量觀測(cè)量的能夠避免電路噪聲過(guò)大的BDS高精度接收機(jī)。

2.2.3 電源

為實(shí)現(xiàn)不同工作環(huán)境下設(shè)備的布設(shè)，設(shè)備電源采用市電與太陽(yáng)能板+蓄電池兩種模式進(jìn)行供電。本項(xiàng)目根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)已經(jīng)牽引有城市電源的測(cè)點(diǎn)使用城市電源對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電，對(duì)于部分位于野外且供電不方便的測(cè)點(diǎn)采用太陽(yáng)能板+蓄電池的供電模式。

2.2.4 軟件

BDS實(shí)時(shí)結(jié)算軟件應(yīng)具備數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)管理功能，系統(tǒng)基本架構(gòu)見圖1。

圖1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

2.2.4.1 數(shù)據(jù)接收

主要負(fù)責(zé)接收外業(yè)的各個(gè)監(jiān)測(cè)站點(diǎn)傳回中心服務(wù)器的BDS數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、初次加工并存檔入庫(kù)，為數(shù)據(jù)處理做準(zhǔn)備。

2.2.4.2 數(shù)據(jù)解算

BDS實(shí)時(shí)解算軟件的核心單元，主要完成數(shù)據(jù)解算和結(jié)果輸出等功能。利用相對(duì)差分解算進(jìn)行高精度的定位，并將結(jié)果進(jìn)行輸出。

2.2.4.3 數(shù)據(jù)管理

主要由結(jié)果數(shù)據(jù)保存、修改、刪除、原始文件查詢和結(jié)果文件查詢等功能組成，包含數(shù)據(jù)報(bào)表輸出、入庫(kù)、數(shù)據(jù)壓縮以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理。

2.3 設(shè)備野外保護(hù)

在安裝天線及接收機(jī)時(shí)，為天線安裝保護(hù)罩，為電源及接收機(jī)安裝防水電源箱及測(cè)點(diǎn)箱，有效地將信號(hào)接收設(shè)備、數(shù)據(jù)采集設(shè)備、供電設(shè)備分區(qū)運(yùn)行，同時(shí)也解決了防盜、防雷、防水等問(wèn)題。

3 系統(tǒng)建設(shè)及運(yùn)行

3.1 測(cè)點(diǎn)部署

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地踏勘，綜合考慮大壩監(jiān)測(cè)需要、接收衛(wèi)星信號(hào)條件、供電情況等，確定了1個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)(TN02)和5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)(TP13、TP21、TP32、T19、TB02)的安裝位置(圖2)。

圖2 安裝位置布置圖

3.2 設(shè)備安裝

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)部署，采用共用接收天線、同點(diǎn)加裝固定支架、單獨(dú)架設(shè)共計(jì)3種方式。

3.2.1 共用接收天線

TP13采用功分器共用原GPS接收天線的方式進(jìn)行安裝。

3.2.2 同點(diǎn)加裝天線固定支架

TP21、TP32、TN02、T19采用在原測(cè)點(diǎn)上增設(shè)天線固定支架的方式進(jìn)行安裝。

3.2.3 單獨(dú)架設(shè)

TB02無(wú)GPS監(jiān)測(cè)設(shè)備，采用重新澆筑水泥基墩，安裝北斗接收天線的方式進(jìn)行安裝。

3.3 解算成果對(duì)比分析

3.3.1 解算成果數(shù)據(jù)說(shuō)明

BDS：自運(yùn)行開始以來(lái)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收、發(fā)送連續(xù)正常，解算服務(wù)器實(shí)時(shí)解算，解算程序每小時(shí)輸出一個(gè)數(shù)據(jù)成果，能在監(jiān)測(cè)管理平臺(tái)上正常展示。因數(shù)據(jù)量較大，不便于展示，本次對(duì)比分析采用每天0時(shí)后第一次成果。

GPS：徠卡GPS解算結(jié)果取T19、TP13、TP21、TP32四個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1 h和24 h成果數(shù)據(jù)。其中，24 h數(shù)據(jù)采用輸出成果，1 h數(shù)據(jù)采用每天0時(shí)后第一次成果。

3.3.2 成果對(duì)比分析

圖3～8中，正方形標(biāo)記代表徠卡GPS24 h解算成果，圓形標(biāo)記代表徠卡GPS1 h解算成果，三角形代表北斗1 h解算成果。

圖3 T19東方向位移數(shù)據(jù)

圖4 T19北方向位移數(shù)據(jù)

圖5 T19垂直方向位移數(shù)據(jù)

圖6 TP13東方向位移數(shù)據(jù)

圖7 TP13北方向位移數(shù)據(jù)

圖8 TP13垂直方向位移數(shù)據(jù)

通過(guò)監(jiān)測(cè)成果的對(duì)比分析，T19監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDS解算成果和徠卡GPS解算成果的變形趨勢(shì)和變形量基本一致，BDS解算成果的穩(wěn)定性優(yōu)于徠卡GPS解算成果，BDS解算成果整體優(yōu)于GPS解算成果。

3.3.2.1 T19監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

3.3.2.2 TP13監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

通過(guò)監(jiān)測(cè)成果的對(duì)比分析，TP13監(jiān)測(cè)點(diǎn)BDS解算成果和徠卡GPS解算成果的變形趨勢(shì)和變形量基本一致，BDS解算成果的穩(wěn)定性優(yōu)于徠卡GPS解算的1 h成果，徠卡GPS解算的1 h成果差異較大，BDS解算成果在水平和垂直方向上的穩(wěn)定性和徠卡GPS解算24 h成果基本相同。

3.3.3 BDS/GPS搜星對(duì)比分析

由于壩體位于深山峽谷中，大壩監(jiān)測(cè)點(diǎn)搜星條件較差。北斗衛(wèi)星的搜星優(yōu)勢(shì)比較明顯，監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS衛(wèi)星搜星數(shù)量長(zhǎng)時(shí)間在5～6顆，北斗衛(wèi)星的搜星數(shù)量可以穩(wěn)定在10顆以上，同一時(shí)刻不同點(diǎn)位搜星情況對(duì)比見表1。

表1 同一時(shí)刻不同點(diǎn)位搜星情況對(duì)比

4 結(jié) 語(yǔ)

在變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，人工監(jiān)測(cè)所受制約較多，數(shù)據(jù)采集及時(shí)性和連續(xù)性較差，GNSS的出現(xiàn)，提高了監(jiān)測(cè)效率、降低了成本。目前，國(guó)內(nèi)GNSS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要以GPS為基礎(chǔ)，隨著BDS的建成，給予國(guó)產(chǎn)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展空間。大渡河庫(kù)壩中心結(jié)合工程實(shí)際項(xiàng)目，建成了基于北斗高精度水電站工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)與GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，BDS在某大壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的運(yùn)行主要實(shí)現(xiàn)了如下目標(biāo)：

(1)基于BDS的高精度算法，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)測(cè)量精度優(yōu)于徠卡GPS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；

(2)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)自動(dòng)解算、數(shù)據(jù)互通等目的；

(3)在高山峽谷地區(qū)，實(shí)現(xiàn)了更穩(wěn)定的搜星質(zhì)量及更多的搜星數(shù)量，更有利于在搜星條件較差地區(qū)的應(yīng)用推廣；

(4)整套BDS變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了從軟件到硬件的國(guó)產(chǎn)化且設(shè)備成本遠(yuǎn)低于國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，為大規(guī)模進(jìn)行推廣提供了基本條件。