GNSS系統(tǒng)在黃金峽壩肩邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用

摘 要：對黃金峽水利樞紐壩肩邊坡GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)備選型、參考站選址、通信方式等進(jìn)行了分析總結(jié)。在吸收借鑒國內(nèi)同類工程運(yùn)用GNSS系統(tǒng)的經(jīng)驗和相關(guān)研究成果的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)采用GPS/BDS/Glonass多星數(shù)據(jù)混合解算、雙基線平差等方法，使邊坡監(jiān)測站在觀星截止高度角較大的情況下觀測精度滿足規(guī)范對一級邊坡變形監(jiān)測的精度要求。通過實(shí)施GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時掌握邊坡的變形規(guī)律，預(yù)測邊坡及滑坡可能變化的范圍及變化趨勢，并能夠及時采取相應(yīng)的處理措施，為黃金峽水利樞紐施工期安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障和依據(jù)。

關(guān)鍵詞：GNSS;變形監(jiān)測;自動化監(jiān)測;黃金峽水利樞紐

中圖分類號：TV221文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.024

引用格式：李治洪.GNSS系統(tǒng)在黃金峽壩肩邊坡變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].人民黃河，2021，43（1）：125-128.

Application of the Automatic GNSS Deformation Monitoring System in Huangjinxia Hydro Junction Project

LI Zhihong

（Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710100， China）

Abstract：This paper analyzed and summarized the equipment selection， reference station location and communication scheme of GNSS deformation monitoring automation system of Huangjinxia Hydro Junction project. It pointed out that on the basis of absorbing the experience and relevant research of GNSS system of similar projects in China， the system adopted GPS/BDS /GLONASS multi satellite data hybrid solution and double baseline adjustment to make the slope monitoring station watch the stars when the cut-off angle is large， the observation accuracy can meet the accuracy requirements of the specification for the first grade slope. Through the implementation of GNSS deformation monitoring automation system， we can timely grasp the deformation law of slope， predict the possible change range and trend of slope and landslide and take corresponding treatment measures in time， so as to provide technical guarantee and basis for the safety production of Huangjinxia Hydro Junction Project during the construction period.

Key words： GNSS; deformation monitoring; automated monitoring; Huangjinxia Hydro Junction Project

1 引 言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）泛指所有的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，目前主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、中國的北斗系統(tǒng)、歐洲的Galileo等。自1978年美國發(fā)射了GPS系統(tǒng)第一顆試驗衛(wèi)星至今的幾十年時間里，GNSS系統(tǒng)已經(jīng)在大地測量、地球物理勘探、地球動力學(xué)、工程測量等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

經(jīng)過幾十年的應(yīng)用和發(fā)展，目前GNSS測量基線的精度已經(jīng)由過去的10-6～10-7提高到10-8～10-9，靜態(tài)相對定位精度提高到了毫米級甚至亞毫米級，尤其是高程精度也達(dá)到了毫米級。精度的提高，使得GNSS足以勝任工程變形監(jiān)測的要求[2]。與常規(guī)測量方法相比，利用GNSS進(jìn)行工程變形監(jiān)測具有以下主要優(yōu)點(diǎn)：①不受氣象條件限制，無懼風(fēng)、雨、霧的影響，可真正實(shí)現(xiàn)全天候工作;②監(jiān)測點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)等無須通視;③能直接測量監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)值;④各監(jiān)測點(diǎn)同步測量;⑤易于實(shí)現(xiàn)自動化測量。GNSS的優(yōu)越性克服了傳統(tǒng)變形監(jiān)測方法的眾多缺陷，隨著北斗系統(tǒng)的投入使用，在我國任一地區(qū)可搜索到的全球定位衛(wèi)星數(shù)量大幅增加，其測量精度大大提高，因此在工程變形監(jiān)測領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。

國內(nèi)外對GNSS系統(tǒng)在水利水電工程變形監(jiān)測方面的應(yīng)用進(jìn)行了大量嘗試。如：美國陸軍工程師協(xié)會和Condor公司于2002年2月在蒙大拿州西北的Libby水電站大壩上安裝了一套3D trackter實(shí)時GPS監(jiān)測系統(tǒng)[3]，該監(jiān)測系統(tǒng)包括布置在大壩壩頂?shù)?個測點(diǎn)和2個GPS基準(zhǔn)點(diǎn)，GPS實(shí)時觀測得到的數(shù)據(jù)在水平方向和垂直方向的精度為2～4 mm，24 h觀測精度為1～2 mm。在我國比較有代表性的是清江隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由2個參考站和5個監(jiān)測點(diǎn)組成，1998年開始運(yùn)行，其6 h解算數(shù)據(jù)水平方向精度為0.5 mm，高程方向精度為1.0 mm，精度可以滿足大壩監(jiān)測需要[4]。

基于以上認(rèn)識，在兩岸邊坡各設(shè)置了一個參考站，距離監(jiān)測點(diǎn)最遠(yuǎn)距離不超過1.1 km，最近距離約300 m。兩個參考站均設(shè)置在接近山頂位置，四周高度角在15°以下，觀測墩高4 m，周邊環(huán)境無樹木、大型建筑物等遮擋，并遠(yuǎn)離高壓線等強(qiáng)電磁干擾。參考站HJX01衛(wèi)星星空示意見圖1（其中：GLO為俄羅斯的格洛納斯系統(tǒng)，BDS為我國的北斗系統(tǒng)，GAL為歐洲的伽利略系統(tǒng)）HJX01可接收到24顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)。

采用雙參考站方案的優(yōu)點(diǎn)在于：一是雙參考站可以采用雙基線約束平差，能更有效地剔除含有粗差的數(shù)據(jù)，相比單參考站提高了數(shù)據(jù)精度;二是系統(tǒng)具有冗余性，若一個參考站無法工作，另一個參考站可以繼續(xù)提供解算基準(zhǔn)，兩參考站互為備份;三是參考站之間可以互校，可及時校核參考站的穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)參考站引起的誤差。

2.4 通信方式選擇

采用光纜+無線網(wǎng)橋組合通信方式，邊坡上各個測點(diǎn)通過光纜接入網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，由無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)控中心。

因左岸邊坡監(jiān)測點(diǎn)較多，故在左岸邊坡615 m高程和519 m高程各設(shè)置了一個網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)，各測點(diǎn)就近接入交換機(jī)中。兩交換機(jī)級聯(lián)，最終從519 m高程的交換機(jī)出線接入數(shù)控中心或通過無線網(wǎng)橋?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)控中心。

采用光纜通信所需要的設(shè)備較多，其連接關(guān)系為：衛(wèi)星接收機(jī)→RS232轉(zhuǎn)網(wǎng)模塊→光纖收發(fā)器→光纖終端盒→光纜→光纖收發(fā)器→交換機(jī)。盡管敷設(shè)光纜的成本較高、難度較大，但光纜通信的優(yōu)點(diǎn)是不受電磁干擾，一旦敷設(shè)完成，通信質(zhì)量和可靠性較高。

除采用光纜通信方式外，還可以采用屏蔽雙絞線或網(wǎng)線通信、無線4G網(wǎng)絡(luò)通信等方式。采用雙絞線通信最大傳輸距離約為1 200 m，優(yōu)點(diǎn)是所需設(shè)備少、成本低、敷設(shè)容易，缺點(diǎn)是抗干擾能力差;4G網(wǎng)絡(luò)通信的優(yōu)點(diǎn)是部署簡單、無須布線、只在接收機(jī)中插入SIM卡而無須各種中間通信設(shè)備，缺點(diǎn)是可能出現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)不通、每個測點(diǎn)都需要安裝物聯(lián)網(wǎng)SIM卡、每年向移動服務(wù)商繳費(fèi)、服務(wù)器端要拉專線設(shè)置靜態(tài)IP地址等。

從GNSS靜態(tài)相對定位解算的精度要求來看，任何通信中斷、因干擾而造成的數(shù)據(jù)質(zhì)量下降都會嚴(yán)重影響相應(yīng)時段的解算精度，因此在有條件的情況下，應(yīng)盡可能選擇光纜通信。

3 數(shù)據(jù)解算成果

目前系統(tǒng)設(shè)置了12 h數(shù)據(jù)每小時滾動解算、12 h數(shù)據(jù)解算、6 h數(shù)據(jù)解算等方式。已有觀測成果分析，6 h數(shù)據(jù)解算結(jié)果的水平方向中誤差在1 mm以下，垂直方向中誤差在1～3 mm之間，觀測截止高度角越小的測站垂直方向中誤差越小。部分觀測成果見圖2、圖3（dX、dY為水平方向位移增量，X為正北方向、Y為正東方向;dH為垂直方向位移增量）。

4 結(jié) 語

陜西省引漢濟(jì)渭工程黃金峽水利樞紐于2019年在兩岸壩肩邊坡布設(shè)了GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，對設(shè)備選型、參考站選址、通信方案等進(jìn)行分析表明，采用GNSS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，可以及時掌握邊坡的變形規(guī)律，預(yù)測邊坡及滑坡可能變化的范圍及變化趨勢，并能夠及時采取相應(yīng)的處理措施，為黃金峽水利樞紐施工期安全生產(chǎn)提供技術(shù)保障和依據(jù)。

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