基于精密單點(diǎn)定位的變配電站地質(zhì)微位移監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

李昊，于虹，饒桐，張強(qiáng)，沈鋒，李昕達(dá)

(1.云南電網(wǎng)有限公司電力科學(xué)研究院，昆明 650217； 2.成都星河科技產(chǎn)業(yè)有限公司， 成都 610041；3.哈爾濱工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150000)

0 引 言

超高壓輸電線路中若有一處中斷，則整條線路中斷，受地質(zhì)災(zāi)害影響顯著。盡管變配電站布設(shè)在前期選址分析等研究過程中充分考慮了地質(zhì)災(zāi)害的影響問題，但小規(guī)模零星災(zāi)害由于對(duì)其研究不完整、不充分，地質(zhì)災(zāi)害是超高壓輸電災(zāi)害隱患的主要來源[1-3]。在我國(guó)持續(xù)開展滑坡、泥石流、崩塌等變形規(guī)律研究與分析后，對(duì)地質(zhì)災(zāi)害中的地表結(jié)構(gòu)與位移監(jiān)測(cè)進(jìn)行記錄，進(jìn)而方便后續(xù)進(jìn)一步研究不同地質(zhì)現(xiàn)象和地質(zhì)災(zāi)害。無論是在實(shí)際的變配電生產(chǎn)環(huán)境中，或是對(duì)地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)測(cè)和響應(yīng)的科學(xué)問題里，監(jiān)測(cè)、評(píng)價(jià)和預(yù)警都是必要且迫切的科學(xué)任務(wù)[4-8]。

從90年代以來，以GPS系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)被廣泛應(yīng)用于滑坡、泥石流、地面沉降等非地震地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)，取得了較為可觀的效果，幫助相關(guān)領(lǐng)域減少地質(zhì)災(zāi)害造成的問題的成本。由于GPS差分技術(shù)可以利用單差，雙差等多差技術(shù)消除或者抑制諸如衛(wèi)星鐘差、接收機(jī)鐘差、對(duì)流層延時(shí)、電離層延時(shí)等大氣延時(shí)及軌道誤差等多種誤差，并且定位模型簡(jiǎn)單，計(jì)算量相對(duì)較小且精度高而廣泛應(yīng)用于各類地質(zhì)監(jiān)測(cè)與變形監(jiān)測(cè)工程。但由于GPS差分技術(shù)需要進(jìn)行差分運(yùn)算，需要在附近或者較短基線距離一已知點(diǎn)上安裝GPS接收機(jī)作為基準(zhǔn)，且二者之間必須有穩(wěn)定的有線或者無線數(shù)據(jù)連接關(guān)系，當(dāng)同時(shí)觀測(cè)到的衛(wèi)星數(shù)量較少或基準(zhǔn)站與移動(dòng)站距離過遠(yuǎn)(基線過長(zhǎng))時(shí)實(shí)現(xiàn)精密定位比較有困難且作業(yè)難度也相對(duì)較高[9-12]。

在數(shù)十年間的不斷發(fā)展與改進(jìn)中，精密單點(diǎn)定位技術(shù)(PPP)隨著GPS服務(wù)與定位技術(shù)被提出，一般情況下，PPP利用國(guó)際GPS服務(wù)機(jī)構(gòu)(International GPS Service，IGS)提供的精密星歷及鐘差等精密產(chǎn)品輔助非差分GPS偽距與相位觀測(cè)數(shù)據(jù),進(jìn)行解算得到消除或者抑制誤差的結(jié)果，同時(shí)使用模型對(duì)測(cè)站位置、電離層對(duì)流層延時(shí)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)和估計(jì)，做到了在全球任意一個(gè)位置都能夠?qū)崿F(xiàn)定位且無需參考站[13-16]，其絕對(duì)定位精度可以達(dá)到dm級(jí)，長(zhǎng)期觀測(cè)下能夠達(dá)到且維持cm級(jí)精度，達(dá)到與傳統(tǒng)GPS差分技術(shù)相匹配的精度指標(biāo)。同時(shí)PPP的操作方法簡(jiǎn)單，作業(yè)成本低，適合布設(shè)參考站在偏遠(yuǎn)環(huán)境，或者測(cè)區(qū)范圍大、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)的觀測(cè)任務(wù)?；诖耍壳霸S多學(xué)者和團(tuán)隊(duì)在GPS-PPP的基礎(chǔ)上開發(fā)了多套PPP定位軟件，這些經(jīng)過充分優(yōu)化的算法或軟件 24 h連續(xù)觀測(cè)精度已經(jīng)可以達(dá)到mm級(jí)[17-19]。為了研究GPS-PPP在便配電站地質(zhì)災(zāi)害中的應(yīng)用，使用PPP軟件對(duì)原始觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算，進(jìn)一步分析定位結(jié)果。

1 GPS-PPP微位移監(jiān)測(cè)硬件設(shè)計(jì)

如圖1所示，微位移監(jiān)測(cè)模塊用于采集、存儲(chǔ)及向數(shù)據(jù)臺(tái)回傳衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù),監(jiān)測(cè)模塊采用高精度微位移監(jiān)測(cè)設(shè)備,由天線、接收機(jī)、通信設(shè)備、避雷針、市電避雷器組成，其中接收機(jī)、市電避雷器、通信設(shè)備布設(shè)于防雨機(jī)柜中，將原始數(shù)據(jù)向監(jiān)測(cè)主站發(fā)送以便于后期分析。

圖1 GPS-PPP微位移監(jiān)測(cè)站

北斗微位移監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)有以下特點(diǎn)：

(1)由于計(jì)劃布設(shè)區(qū)域周邊環(huán)境復(fù)雜，多路徑和低高度角衛(wèi)星可能會(huì)對(duì)測(cè)量誤差及收斂速度有較大影響，故在選用接收機(jī)天線時(shí)，選用全頻段扼流圈天線，多饋點(diǎn)設(shè)計(jì)以加強(qiáng)其抗多路徑效應(yīng)影響，同時(shí)在后期數(shù)據(jù)處理過程中，降低15°以下高度角衛(wèi)星的可信度，濾除10°以下高度角衛(wèi)星的數(shù)據(jù)；

(2)連接天線與接收機(jī)的饋線采用專用線纜，并同時(shí)外掛防雷器；

(3)由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)位距離市電接入點(diǎn)較近，故布設(shè)一條地下線纜直接接入市電，同時(shí)微位移監(jiān)測(cè)模塊中仍保有蓄電池，以保證市電失效時(shí)能夠維持一段時(shí)間的正常工作來保證數(shù)據(jù)能夠正常計(jì)算與存儲(chǔ)。

硬件設(shè)備中，接收機(jī)與STM32微處理器、4G通訊模塊部署于同一印刷電路板，以為這些弱電計(jì)算元件提供均一可靠的防水防塵保護(hù)性能，其硬件連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 微位移監(jiān)測(cè)站控制部分連接

為了降低所需存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量及降低功耗，設(shè)備每8 h開啟2 h，每一次觀測(cè)，設(shè)備需要約30 min～40 min收斂至精密單點(diǎn)定位固定解，另外，歷史觀測(cè)結(jié)果可以輔助其后面的定位以提高收斂速度。在完成觀測(cè)收斂后，設(shè)備開始記錄定位結(jié)果，直到單次觀測(cè)時(shí)間到達(dá)2 h，設(shè)備將處理所有臨時(shí)數(shù)據(jù)，通過4G回傳觀測(cè)數(shù)據(jù)與定位結(jié)果，進(jìn)入休眠狀態(tài)。

STM32微處理器在每一個(gè)歷元獲取到接收機(jī)回傳的原始數(shù)據(jù)流，使用精密單點(diǎn)定位算法利用STM32外接附屬存儲(chǔ)中的歷史數(shù)據(jù)，解算當(dāng)前歷元的定位結(jié)果，對(duì)異常值進(jìn)行濾除和重新解析。

同時(shí)，為了驗(yàn)證精密單點(diǎn)定位方法的有效性，使用STM32經(jīng)由4G模塊向差分服務(wù)器或自建差分基準(zhǔn)站獲取載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)流，在使用精密單點(diǎn)定位解算自身位置同時(shí)，使用載波相位差分技術(shù)同步計(jì)算得出定位坐標(biāo)，但兩者僅使用共同的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，在解算過程中沒有數(shù)據(jù)交換。

經(jīng)算法計(jì)算得到的定位結(jié)果，被存儲(chǔ)于STM32的附屬存儲(chǔ)，在單次觀測(cè)后經(jīng)由4G模塊發(fā)送至監(jiān)控服務(wù)器。

2 GPS-PPP微位移算法設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

PPP技術(shù)利用單個(gè)GPS接收機(jī)采集的相位和偽距觀測(cè)值長(zhǎng)期觀測(cè)后，通過實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ突驍?shù)值擬合確定誤差，即數(shù)據(jù)處理采用數(shù)據(jù)擬合與模型計(jì)算的方法而非差分法。PPP定位數(shù)學(xué)模型分為觀測(cè)模型和隨機(jī)模型，在實(shí)際使用中一般采用消電離層組合偽距PIF和消電離層組合相位LIF,其表達(dá)式為:

(1)

(2)

式中Li、Pi(i=1,2)分別為通過碼相位測(cè)距與載波相位測(cè)距得到的以距離表示的載波相位和偽距觀測(cè)值(單位:m);f1為L(zhǎng)1/L2觀測(cè)值的頻率(單位:Hz)；ρ為衛(wèi)星至接收機(jī)的實(shí)際幾何距離(單位: m)；c為真空中的光速(單位: m/s)；Trop為對(duì)流層延遲和電離層延遲合并的1大氣延時(shí)(單位: m)；dT、dt為以秒為單位的接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差；Ni為L(zhǎng)i(i=1,2)多頻觀測(cè)值的整周模糊度(單位:Cycle,一般不具有整數(shù)特性，僅在整周模糊度固定時(shí)為整數(shù))；εi、ei為L(zhǎng)IF相位觀測(cè)值噪聲；PIF偽距觀測(cè)值噪聲。

PPP定位的隨機(jī)模型即為觀測(cè)值的方差陣?；谛l(wèi)星觀測(cè)高度角度加權(quán)方法現(xiàn)在是簡(jiǎn)單有效的計(jì)算加權(quán)方法。簡(jiǎn)單介紹下該種方法：消電離層偽距觀測(cè)值和相位的誤差分別為δ0,P和δ0,L。(一般取δ0,P=±1 m，δ0,L=±1 cm),則衛(wèi)星i的偽距和相位觀測(cè)值方差由式(3)給出:

(3)

從PPP的定位原理和數(shù)學(xué)模型來看，PPP采用非差分觀測(cè)模型，經(jīng)過模型擬合和濾波可以直接獲得觀測(cè)站的坐標(biāo)。

PPP對(duì)修正模型的要求較高，同時(shí)其整周模糊度不一定為整數(shù)。因?yàn)槠浔炔罘钟^測(cè)模型有更多的可用觀測(cè)值，保留了所有觀測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)GPS精密單點(diǎn)定位的關(guān)鍵技術(shù)主要存在于以下幾個(gè)方面，同時(shí)給出了解決方法。

(1)對(duì)衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星位置的精度要求較高，一般需要cm級(jí)。從國(guó)際GNSS組織及其他組織提供的精密軌道產(chǎn)品滿足需求,可供精密單點(diǎn)定位使用；

(2)對(duì)衛(wèi)星鐘差的精度要求較高，通常需要到達(dá)亞納秒級(jí)，一般使用IGS提供的精密鐘差產(chǎn)品，其間隔一般為15 min，在其基礎(chǔ)上通過插值方法得到每一關(guān)注時(shí)刻的鐘差，但精密星歷部分衛(wèi)星鐘差精度比標(biāo)稱精度低，同時(shí)精密鐘差發(fā)布間隔較長(zhǎng)，內(nèi)插有時(shí)會(huì)引入誤差；

(3)在精密單點(diǎn)定位解算過程中，需考慮天線相位中心偏精確改正模型，經(jīng)學(xué)界驗(yàn)證，這些方法已經(jīng)被確定有效，且被廣泛使用在固體潮和海潮的擬合和解算中；

(4)需要考慮如何進(jìn)行自適應(yīng)的參數(shù)濾波以解決卡爾曼濾波在解算過程中的參數(shù)異常。

針對(duì)以上定位原理與實(shí)際問題，PPP解算軟件與算法實(shí)現(xiàn)的基本流程如圖3所示。

為了統(tǒng)一衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差信息的選取對(duì)GPS數(shù)據(jù)解算精度結(jié)果的影響,在1 Hz采樣率動(dòng)態(tài)單歷元單點(diǎn)定位解算過程中使用的是國(guó)際GNSS服務(wù)(IGS)發(fā)布的最終精密軌道和歐洲定軌中心(CODE)發(fā)布的5 s采樣率的最終精密鐘差。

圖3 PPP解算軟件與算法實(shí)現(xiàn)

除此之外,天線相位中心改正方法采用絕對(duì)相位中心改正模型。測(cè)站坐標(biāo)以及接收機(jī)鐘差采用逐歷元估計(jì)方式。衛(wèi)星截至高度角設(shè)為15°和10°。同時(shí)為了提高運(yùn)算速度和解算能力,對(duì)坐標(biāo)參數(shù)和模糊度參數(shù)進(jìn)行參數(shù)預(yù)消除。

在實(shí)際工作中由于多路徑效應(yīng)，衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量差等的影響，部分衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)可能存在異常或失鎖，造成計(jì)算出的定位出現(xiàn)偏差；另外，根據(jù)算法固定出的模糊度并不能保證所有衛(wèi)星的模糊度在各個(gè)歷元下都是正確的。因此，在單歷元定位及使用到歷史歷元的定位過程中用抗差模型降低異常觀測(cè)值的權(quán)是有必要的，這能夠有效抑制粗差等異常觀測(cè)值對(duì)定位結(jié)果的影響。

同時(shí)，由于監(jiān)測(cè)站在固定時(shí)間內(nèi)位移量十分有限，因此可以在連續(xù)觀測(cè)中把上一次觀測(cè)的定位結(jié)果作為本次定位結(jié)果的初始值，在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊度固定與估計(jì)。通過歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)為模糊度估計(jì)附加先驗(yàn)條件，進(jìn)一步縮小模糊度固定空間，進(jìn)而提高模糊度搜索速度以及提高精度。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與性能分析

實(shí)驗(yàn)裝置于2021年2月安裝于南方電網(wǎng)云南某變電站，如圖4所示，經(jīng)前期調(diào)研得知該變電站在過去若干年中有持續(xù)穩(wěn)定的位移及沉降，實(shí)驗(yàn)裝置中所用接收機(jī)為一套BT-200D，天線為BROTEX M110SLD GNSS天線。截至2021年12月共連續(xù)觀測(cè)11個(gè)月。

圖4 云南電網(wǎng)某變電站

在選擇設(shè)備安裝地點(diǎn)時(shí)應(yīng)注意：所選位置應(yīng)避開高大樹木、建筑物等會(huì)影響衛(wèi)星信號(hào)接收的障礙物，將監(jiān)測(cè)區(qū)外多個(gè)控制點(diǎn)納入?yún)⒖家苑磻?yīng)檢測(cè)裝置的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

將初始安裝位置置于點(diǎn)(0,0,0)，以1 Hz的頻率采集原始數(shù)據(jù)。如表1、表2所示，在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后收集數(shù)據(jù)同步進(jìn)行RTK及PPP計(jì)算，分析該變電站位移及沉降結(jié)果得知在雨季容易產(chǎn)生變形，相比之下，非雨季變形緩慢。

表1 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)位移月度數(shù)據(jù)

表2 監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)位移累計(jì)數(shù)據(jù)

表1與表2展示了2021年2月～2021年12月間持續(xù)觀測(cè)與PPP解算得出的東北方向上的位移及沉降距離，可見6月～9月沉降量增加程度較為顯著，經(jīng)與氣象局降水量數(shù)據(jù)(表1，圖5～圖7)對(duì)比，6月～9月為該地區(qū)雨季。相關(guān)研究表明，滑坡的穩(wěn)定性與降水量關(guān)系密切，尤其與累計(jì)降水量關(guān)系密切，降水可直接誘發(fā)滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，降水對(duì)地面產(chǎn)生沖刷和侵蝕，降低了巖土體的抗滑能力。6月中下旬逐漸增加的降水量導(dǎo)致監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在的滑坡處沉降量加劇，但總體上仍能保持穩(wěn)定。

圖5 監(jiān)測(cè)期間降水量

圖6 實(shí)驗(yàn)過程中累計(jì)位移及沉降

圖7 實(shí)驗(yàn)過程中單月位移及沉降

實(shí)驗(yàn)期間，4月、7月、9月、11月分別使用RTK測(cè)繪級(jí)設(shè)備與全站儀對(duì)GPS-PPP微位移監(jiān)測(cè)站進(jìn)行了測(cè)繪，在此基礎(chǔ)之上與所述PPP方法進(jìn)行了比對(duì)，比對(duì)結(jié)果如圖8所示。從比對(duì)結(jié)果看，長(zhǎng)期測(cè)量下PPP測(cè)量結(jié)果精度能夠基本與RTK測(cè)量方法持平，具有使用價(jià)值。

圖8 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與測(cè)繪結(jié)果比對(duì)

4 結(jié)束語(yǔ)

在變電站內(nèi)處布設(shè)GPS-PPP微位移監(jiān)測(cè)站點(diǎn)，獲取該變電站近一年的實(shí)時(shí)三維累計(jì)位移及沉降數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)精度為毫米級(jí)，通過觀察該變電站位移曲線及變化情況?；贕PS-PPP微位移監(jiān)測(cè)技術(shù)，能夠有效推斷該變電站所處的狀態(tài)以及預(yù)測(cè)變化趨勢(shì)，保障了變配電基礎(chǔ)設(shè)施及高壓輸電系統(tǒng)的安全，也可為其他區(qū)域提供參考與示范。

通過將GPS-PPP監(jiān)測(cè)得到的微位移數(shù)據(jù)與降水量數(shù)據(jù)進(jìn)行合并對(duì)比分析，可以了解到,當(dāng)出現(xiàn)暴雨或其他降水增多的情況，地質(zhì)體的位移也會(huì)對(duì)應(yīng)的加劇變化。因此，文中工作引導(dǎo)了基于降水量及降水預(yù)測(cè)對(duì)變電站微位移預(yù)測(cè)相關(guān)工作的開展。

GPS-PPP微位移監(jiān)測(cè)工作很好地展現(xiàn)了監(jiān)測(cè)點(diǎn)微位移過程，建議在汛期或雨季加強(qiáng)對(duì)變配電站的監(jiān)控與維護(hù)工作，提前采取防治措施，進(jìn)一步提高高壓輸電系統(tǒng)的安全性。