趙新華，陳蓮芳，查益華，何 宇，周燁煒，高 申，丁詩宇

(1.國網(wǎng)新源水電有限公司新安江水力發(fā)電廠，浙江 杭州 311600；2.南京科博空間信息科技有限公司，江蘇 南京 211500)

0 引 言

本文根據(jù)《國家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃》強調(diào)的“加強公共安全科技發(fā)展，提高公共安全和防災(zāi)減災(zāi)能力：重點開發(fā)潰壩、決堤險情等重大災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警技術(shù)，建立重大災(zāi)害風(fēng)險管理技術(shù)平臺”，提出基于CORS(Continuously Operating Reference System)深度融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器、計算機等先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)對大壩壩體外觀變形的智能實時監(jiān)測以及快速預(yù)警。

壩體監(jiān)測是一項長期的監(jiān)測任務(wù)，在爆發(fā)特大洪災(zāi)、地震等突發(fā)事件時需要及時掌握壩體在平面位移和沉降幾何變形量的變化情況，為上層決策提供重要的參考依據(jù)。而當(dāng)前的變形監(jiān)測全部靠人工進(jìn)行，周期較長(基本為1年)，壩體變形走勢無法及時掌握，再加上部分監(jiān)測點位由于各種原因可能被破壞且很難被發(fā)現(xiàn)，造成難以滿足緊急情況下的壩體幾何變形規(guī)律的準(zhǔn)確獲取。為了提高大壩對近年來的頻發(fā)的洪水和地震自然災(zāi)害的防范能力，保障大壩安全、穩(wěn)定、長期運行，迫切需要建立一套切合實際的壩體外觀智能變形監(jiān)測和快速預(yù)警系統(tǒng)。

本項目將基于CORS(Continuously Operating Reference System)深度融合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)、傳感器、計算機等先進(jìn)技術(shù)[1]，重點圍繞GNSS數(shù)據(jù)質(zhì)量控制算法改進(jìn)技術(shù)、誤差源的消除算法和策略技術(shù)、動態(tài)條件下的噪聲抑制技術(shù)和北斗/GNSS多模數(shù)據(jù)融合技術(shù)，研制具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大壩外觀變形北斗監(jiān)測專用接收機和大壩外觀變形智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)大壩外觀變形的智能化、網(wǎng)絡(luò)化、實時化和精準(zhǔn)化的監(jiān)測與預(yù)警。項目研究成果的推廣應(yīng)用將極大提高大壩外觀變形監(jiān)測工作效率、降低工作強度，節(jié)約人力成本，真正意義上實現(xiàn)對大壩變形監(jiān)測的全天候自動、實時監(jiān)測與預(yù)警。同時，能夠?qū)崿F(xiàn)變形監(jiān)測成果的規(guī)范化、自動化、信息化和科學(xué)化。

本文以新安江水電站為測試案例，研究并分析自動化監(jiān)測系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測的可靠性。

1 數(shù)據(jù)質(zhì)量分析指標(biāo)

數(shù)據(jù)質(zhì)量是GNSS定位的精度和可靠性的保障，它受衛(wèi)星健康狀況、接收機、天線、觀測環(huán)境等諸多因素影響。判定接收機硬件和觀測環(huán)境是否滿足實際要求的關(guān)鍵是如何根據(jù)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量評價。從實際觀測數(shù)據(jù)中剔除那些質(zhì)量較差的數(shù)據(jù)是GNSS數(shù)據(jù)預(yù)處理的關(guān)鍵。

1.1 觀測值有效率指標(biāo)

觀測值有效率=實際歷元數(shù)(#have)/理論歷元數(shù)(#expt)。該指標(biāo)可以反映基準(zhǔn)站附近是否有遮擋、多路徑影響等，數(shù)據(jù)有效率一般要求高于95%。如果檢核得出觀測數(shù)據(jù)有效率低于85%時，就要考慮變更基準(zhǔn)站的位置或改善基準(zhǔn)站附近環(huán)境。

1.2 多路徑效應(yīng)指標(biāo)

多路徑效應(yīng)的影響最為復(fù)雜，通常采用GPS組合觀測值來檢查影響，mp1表示P1、L1、L2的線性組合，mp2表示P2、L1和L2的線性組合，它們分別表示L1、L2載波上的多路徑效應(yīng)對偽距和載波相位影響的綜合指標(biāo)。根據(jù)IGS(international GPS service)數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測表明，對于2/3的IGS觀測站，其mp1平均值小于0.5，mp2平均值小于0.75。

如果基準(zhǔn)站周邊存在電磁干擾、高大建筑物的折射以及樹木等障礙物的遮擋等均會出現(xiàn)多路徑效應(yīng)，引起多路徑誤差。TEQC中MPl、MP2兩個參數(shù)分別反映Ll、L2波段多路徑效應(yīng)，其中P1和P2分別是雙頻偽距觀測值和相位觀測值，是L1和L2波段的頻率值之比的平方。一般GNSS建站的多路徑效應(yīng)影響應(yīng)小于0.45[2-4]。

1.3 周跳比指標(biāo)

周跳是指在GPS接收機載波跟蹤時臨時失鎖，導(dǎo)致載波相位觀測中整周計數(shù)出現(xiàn)不連續(xù)的現(xiàn)象。TEQC采用電離層殘差方法進(jìn)行周跳的探測與評定，結(jié)果文件中以o/slps值表示觀測值和周跳比。還有一種表示形式是CSR，它不僅反映了觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量中的周跳信息，同時也反映了該接收機周跳修復(fù)能力。

周跳探測分析主要是通過觀測數(shù)據(jù)周跳比(o/slps)進(jìn)行分析的。其分析原理為用TEQC對高度角大于10°的衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，用每天的觀測歷元數(shù)除以當(dāng)天的周跳數(shù)，總周跳數(shù)為mp1、mp2和IOD周跳數(shù)之和，通常以CSR的形式表現(xiàn)。IGS數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測分析顯示，超過半數(shù)的IGS觀測站的CSR年平均值小于5，即本次測試取o/slps=200作為選站標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)o/slps越小，說明出現(xiàn)周跳越嚴(yán)重。

根據(jù)本次測試的各個主要指標(biāo)評價標(biāo)準(zhǔn)(表1)，數(shù)據(jù)分析的部分指標(biāo)主要參照以下標(biāo)準(zhǔn)。

表1 數(shù)據(jù)質(zhì)量評價指標(biāo)

2 測試方案與數(shù)據(jù)分析

2.1 測試方案

本次測試地點為新安江水利發(fā)電廠。新安江水利發(fā)電廠地處山區(qū)之間，衛(wèi)星信號接收可能會受到山體遮擋影響，且大壩周圍水域面積大，可能會造成多路徑效應(yīng)明顯。為測試環(huán)境質(zhì)量，通過在水電站大壩頂端2壩段到23壩段之間、右岸142平臺以及左岸175平臺架設(shè)不同數(shù)量的站點進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。本次測試主要分為原始數(shù)據(jù)測試階段、雙基站差分?jǐn)?shù)據(jù)對比測試階段和有效共視衛(wèi)星數(shù)測試這3個階段。

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

新安江水力發(fā)電廠環(huán)境測試第一階段所采集到的數(shù)據(jù)即為原始觀測數(shù)據(jù)。影響觀測原始數(shù)據(jù)精度的因素主要為#expt(預(yù)期觀測歷元數(shù))、#have(實際觀測歷元數(shù))、p(數(shù)據(jù)可用率)、MP1(L1多路徑效應(yīng)對偽距和載波相位影響)、MP2(L2多路徑效應(yīng)對偽距和載波相位影響)、o/slps(觀測數(shù)據(jù)周跳比)以及SN1、SN2(L1、L2信噪比)。本次測試各項觀測數(shù)據(jù)性能指標(biāo)如下所示(表2)[6]。

表2 第一階段測試各測試站點觀測數(shù)據(jù)性能指標(biāo)

2.2.1 主要環(huán)境指標(biāo)測試分析

(1)觀測數(shù)據(jù)周跳比分析

o/slps分析原理為用TEQC對高度角大于10°的衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，即選取o/slps=200作為參考標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)o/slps越小說明出現(xiàn)周跳越嚴(yán)重(圖1)。

圖1 各個測試點o/slps與標(biāo)準(zhǔn)的比較

圖1中紅線表示為觀測數(shù)據(jù)周跳比標(biāo)準(zhǔn)，從圖1中可知，各個測試點的周跳比均在標(biāo)準(zhǔn)之上。

(2)多路徑效應(yīng)分析

多路徑效應(yīng)的影響因素復(fù)雜多樣，通常采用組合量來檢核影響，參考標(biāo)準(zhǔn)為MP1=0.5，MP2=0.75，當(dāng)MP1、MP2越小說明抗多路徑效應(yīng)能力越強(圖2—3)。

圖2 各個測試點MP1與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

圖3 各個測試點MP1與標(biāo)準(zhǔn)值的比較

圖2—3中的紅線表示MP1和MP2的參考標(biāo)準(zhǔn)，通過表2、圖2—3中MP1、MP2的可以反映出5個測試點受多路徑效應(yīng)的影響比較大，尤其MP1均大于0.50 m，說明接收機信號受多路徑影響還是比較大的。

通過初步分析判斷，信號多路徑影響比較大，可能是因為新安江水力發(fā)電廠大壩周圍有大面積的水面，且大壩表面、右岸142平臺以及左岸175平臺均為水泥表面，由于水面和水泥及建筑物表面對信號的反射較為嚴(yán)重，因此造成了本次測試MP1數(shù)據(jù)過大。

進(jìn)一步的分析可發(fā)現(xiàn)右岸142平臺和左岸175平臺受多路徑效應(yīng)影響均大于大壩表面的2、11和23壩段。主要是由于右岸142平臺和左岸175平臺所處的位置均高于大壩表面，所接收到反射信號更廣。

(3)觀測值有效率分析

觀測值可以反映基準(zhǔn)站附近觀測環(huán)境情況，當(dāng)數(shù)據(jù)有效率高于95%，則觀測環(huán)境質(zhì)量為優(yōu)；Duang檢核得出觀測數(shù)據(jù)有效率低于85%時，則觀測環(huán)境質(zhì)量較差(圖4)。

圖4 原始數(shù)據(jù)觀測歷元數(shù)與可用率

圖4為測試數(shù)據(jù)的可用率比較圖，其中紅線為觀測數(shù)據(jù)有效率85%最低標(biāo)準(zhǔn)。從圖4可以分析看出，本次測試數(shù)據(jù)的可用率效果并不滿意，只有2壩段、11壩段測試點滿足85%數(shù)據(jù)可用率的要求。測試點信號接收受周邊山體遮擋比較嚴(yán)重[7]。

2.2.2 定位精度分析

為了直觀地分析新安江環(huán)境測試的結(jié)果，尋取一塊觀測環(huán)境較好的區(qū)域進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，將采集的數(shù)據(jù)與新安江環(huán)境測試數(shù)據(jù)一同進(jìn)行對比分析[8]。

根據(jù)2、11、23壩段和公司發(fā)電廠樓頂?shù)沫h(huán)境測試所得到的每2 h中誤差(表3)繪制中誤差柱狀圖(圖5)。

表3 2、11、23壩段環(huán)境測試每2 h中誤差/m

圖5 2、11、23壩段環(huán)境測試每2 h中誤差

圖5中紅色柱狀表示在良好環(huán)境測試的中誤差，藍(lán)色柱狀、橙色柱狀、灰色柱狀分別表示2、11、23壩段所測試的中誤差。對比發(fā)現(xiàn)高程(WGS84-H)偏差較大，可能原因是由于水電站處于運營階段，壩體處于動態(tài)狀態(tài)之下，因為蓄水高度變化，因此造成了空間位置的變化；且大壩周圍水域面積廣，對信號反射嚴(yán)重，受多路徑影響較大，而多路徑主要對高程影響較大[9]。

3 結(jié) 語

(1)大壩變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)是一種高度自動化的監(jiān)測系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)一體化外業(yè)數(shù)據(jù)采集，自動化數(shù)據(jù)傳輸、管理、分析的功能，可以清晰反映大壩壩體的幾何變形情況。經(jīng)過本次測試，大壩變形自動化監(jiān)測系統(tǒng)在大壩上可以較好運行，基本滿足大壩變形監(jiān)測精度要求。

(2)通過初步分析判斷，觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量較差受多路徑影響比較大，這是因為新安江水力發(fā)電廠大壩周圍有大片水域，山體、建筑物遮擋嚴(yán)重。在以后的大壩變形自動化監(jiān)測中，需要采用扼流圈或抑徑板裝置減少多路徑效應(yīng)。

(3)進(jìn)一步的分析發(fā)現(xiàn)，右岸142平臺和左岸175平臺受多路徑效應(yīng)影響均大于大壩表面的2、11和23壩段。主要是由于右岸142平臺和左岸175平臺所處的位置均高于大壩表面，所接收到反射信號更廣導(dǎo)致的。所以在大壩監(jiān)測中，基準(zhǔn)站位置越高，受多路徑效應(yīng)影響越大，需要選擇區(qū)域較低的位置布設(shè)基準(zhǔn)站。