基于廣播星歷的BDS與GPS在大壩變形監(jiān)測(cè)中的數(shù)據(jù)分析

羅江

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 測(cè)繪工程院，新疆 昌吉 831100)

1 引 言

GNSS技術(shù)自應(yīng)用到測(cè)繪行業(yè)以來(lái)，相較傳統(tǒng)的邊角測(cè)繪技術(shù)手段，GNSS因其眾多優(yōu)點(diǎn)，得到了充分廣泛的應(yīng)用。尤其是高效率不受天氣影響，自動(dòng)化全天候觀測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，在大壩變形監(jiān)測(cè)中已得到普及應(yīng)用。

當(dāng)前基于BDS系統(tǒng)的變形監(jiān)測(cè)多是基于精密星歷。隨著當(dāng)前北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)建成開(kāi)通，廣泛而快捷的基于廣播星歷的BDS定位技術(shù)能否應(yīng)用于變形監(jiān)測(cè)，精度能否得到保證是值得進(jìn)行深入探討的問(wèn)題。文章通過(guò)對(duì)比GPS靜態(tài)定位，對(duì)基于廣播星歷的BDS靜態(tài)定位技術(shù)用于大壩變形監(jiān)測(cè)的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入分析研究，對(duì)其可行性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

2 項(xiàng)目概況

新疆某水庫(kù)大壩為平原水庫(kù)，大壩為黏土心墻土石壩。根據(jù)工作要求，該水庫(kù)大壩須按規(guī)范規(guī)定監(jiān)測(cè)頻次進(jìn)行大壩位移監(jiān)測(cè)。2019年9月完成了監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)建造的土建工作，2019年11月19日開(kāi)始測(cè)量。根據(jù)工程規(guī)模等級(jí)以及水工建筑物級(jí)別變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方案，水平位移監(jiān)測(cè)使用GNSS網(wǎng)觀測(cè)法[1]，觀測(cè)等級(jí)為三等，重復(fù)設(shè)站次數(shù)不少于1.6次，每時(shí)段同步觀測(cè)時(shí)間不小于 60 min[2]，接收機(jī)采樣間隔設(shè)置為 15 s，衛(wèi)星截止高度角15°。GNSS網(wǎng)形圖如圖1所示。

圖1 GNSS網(wǎng)形圖

GNSS網(wǎng)共由13個(gè)網(wǎng)點(diǎn)組成，其中大壩10個(gè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，壩外下游布置3個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。正式觀測(cè)前，使用Trimble公司Terrasat GmbH開(kāi)發(fā)的GNSSPlanningOnline(http：//www.gnssplanningonline.com)Web程序做好時(shí)段觀測(cè)計(jì)劃，衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)如圖2所示。

圖2 衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)

由圖2可知，8：00～20：00期間，下午14：10衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)最少(14顆)，DOP值最大(4.34，規(guī)范要求不大于6.0)。16：10時(shí)刻的衛(wèi)星天空?qǐng)D如圖3所示。

由圖3可知，DOP值最大的相同時(shí)間，衛(wèi)星分布布滿(mǎn)4個(gè)象限，滿(mǎn)足規(guī)范要求(至少分布三個(gè)象限)，綜合衛(wèi)星可見(jiàn)數(shù)及衛(wèi)星天空分布情況，測(cè)區(qū)白天全部時(shí)間可以進(jìn)行GNSS靜態(tài)定位測(cè)量。

圖3 BDS衛(wèi)星天空?qǐng)D(2019-11-18 16：10)

GNSS接收機(jī)使用Trimble NetR9s(4臺(tái))同時(shí)采集GPS、BDS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，共觀測(cè)10個(gè)時(shí)段，獲得48條基線(xiàn)數(shù)據(jù)。基線(xiàn)解算使用Trimble公司商用軟件“Trimble Business Center 5.0”，獲得的基線(xiàn)向量使用武漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的“CosaGPS”軟件進(jìn)行網(wǎng)平差、環(huán)閉合差計(jì)算。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 基線(xiàn)解算

該項(xiàng)目使用的BDS廣播星歷文件由接收機(jī)接收定位數(shù)據(jù)得到，若接收機(jī)不支持也可以從IGS數(shù)據(jù)中心(ftp：//cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/campaign/mgex/daily/rinex3/)下載。

基線(xiàn)采用相同的解算策略：①使用相同的基線(xiàn)解算軟件——Trimble Business Center 5.0；②都采用廣播星歷；③衛(wèi)星截止高度角都為15°；④相同的歷元間隔15s；⑤都采用固定解結(jié)果。解算精度情況對(duì)比如圖4、圖5所示，環(huán)閉合差對(duì)比情況如圖6、圖7所示。

圖4 水平精度

圖5 垂直精度

圖6 同步環(huán)精度對(duì)比分析

圖7 異步環(huán)精度對(duì)比分析

從圖4、圖5可知，GPS基線(xiàn)解算精度略?xún)?yōu)于BDS，總體而言解算精度大致相當(dāng)。

該GNSS網(wǎng)共有28個(gè)同步環(huán)，由圖6可知，除個(gè)別三邊環(huán)以外，BDS和GPS兩者的其他同步環(huán)總體吻合，同步環(huán)精度處于同一精度水平。異步環(huán)精度對(duì)比如圖7所示。

該GNSS網(wǎng)共有126個(gè)同步環(huán)，由于數(shù)量較多，以異步環(huán)的全長(zhǎng)閉合差對(duì)作為對(duì)象進(jìn)行比對(duì)，如圖7所示，BDS和GPS兩者的三邊異步環(huán)總體吻合，同步環(huán)精度處于同一精度水平。

3.2 監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)平差

(1)三維平差

基于WGS-84坐標(biāo)系，設(shè)置相同的參數(shù)，分別使用GPS、BDS基線(xiàn)向量進(jìn)行三維向量網(wǎng)平差，對(duì)平差結(jié)果中的三維基線(xiàn)向量改正數(shù)進(jìn)行比較。

從圖8、圖9和圖10可知，X分量改正數(shù)吻合較好，Y分量和Z分量總體能吻合，但有較小的分離，BDS基線(xiàn)向量改正數(shù)相較GPS略大，都處于同一精度水平。

圖8 X分量

圖9 Y分量

圖10 Z分量

由圖11可知，基于GPS、BDS的基線(xiàn)三維向量網(wǎng)平差，從點(diǎn)位中誤差來(lái)看，GPS精度最優(yōu)，除監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q07以外，BDS點(diǎn)位中誤差絕對(duì)值均小于GPS點(diǎn)位中誤差絕對(duì)值的2倍，規(guī)范中對(duì)三維點(diǎn)位中誤差沒(méi)有做要求，此項(xiàng)參數(shù)作為衡量?jī)煞N方法的參考指標(biāo)。

圖11 點(diǎn)位中誤差(三維空間直角坐標(biāo)XYZ)

(2)二維平差

為解決投影長(zhǎng)度變形，坐標(biāo)系使用基于1980西安坐標(biāo)系的相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系，因?yàn)槭鞘状谓ňW(wǎng)觀測(cè)，無(wú)多期復(fù)測(cè)資料，基準(zhǔn)點(diǎn)不做穩(wěn)定性分析[3]。水平位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)(J1～J3)聯(lián)測(cè)國(guó)家控制點(diǎn)，平差時(shí)進(jìn)行中央子午線(xiàn)變換和投影高程面變換，得到其相對(duì)獨(dú)立坐標(biāo)系高斯平面直角坐標(biāo)，在GNSS監(jiān)測(cè)網(wǎng)中，J1～J3作為已知點(diǎn)約束平差，設(shè)置相同的參數(shù)，分別使用GPS和BDS基線(xiàn)向量進(jìn)行二維約束平差，對(duì)平差結(jié)果中的二維基線(xiàn)向量改正數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果如下：

從圖12和圖13，可知GPS與BDS基線(xiàn)向量改正數(shù)吻合情況良好，除個(gè)別基線(xiàn)以外，兩者差值在 1 mm以?xún)?nèi)，兩者精度水平一致。

圖12 X分量改正數(shù)

圖13 Y分量改正數(shù)

由圖14可知，除監(jiān)測(cè)點(diǎn)Q02和Q07以外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)GPS與BDS兩者基本一致，Q02(差值 ±0.1 mm)和Q07(差值 ±0.2 mm)這兩個(gè)點(diǎn)，可近似相等，總體來(lái)看兩者處于同一精度水平。

圖14 點(diǎn)位中誤差(高斯平面直角坐標(biāo))

(3)坐標(biāo)較差

使用BDS和GPS數(shù)據(jù)源進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并網(wǎng)平差，得到最終使用的高斯平面直角坐標(biāo)，坐標(biāo)比較結(jié)果如表1所示。

坐標(biāo)比較 表1

GNSS網(wǎng)觀測(cè)法在變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析中使用坐標(biāo)分析法[4]，即進(jìn)行網(wǎng)平差，計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)。該項(xiàng)目為首次觀測(cè)，不做位移數(shù)據(jù)分析。由表1可知，除Q01、Q03和Q06三個(gè)點(diǎn)外，其余各點(diǎn)不論是坐標(biāo)分量較差還是點(diǎn)位較差，較差差值均小于 ±1.0 mm，即小于規(guī)范對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度要求的 ±3.0 mm[5]的1/3，根據(jù)誤差傳播定律忽略不計(jì)原則，即該變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)基于BDS和GPS的坐標(biāo)成果中有70%的點(diǎn)成果視為一致，從坐標(biāo)較差中誤差結(jié)果來(lái)看，x坐標(biāo)分量較差中誤差(±0.60 mm)和y坐標(biāo)分量較差中誤差(±0.47 mm)均小于變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度要求的 ±3.0 mm的1/3，也從另一方面說(shuō)明基于BDS和GPS的坐標(biāo)成果可視為一致。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)前文的分析表明，不論是基線(xiàn)解算、環(huán)閉合差、還是基線(xiàn)向量改正數(shù)以及點(diǎn)位中誤差和坐標(biāo)較差比對(duì)分析，都說(shuō)明基于廣播星歷的BDS計(jì)算結(jié)果和精度都與GPS保持一致。完全可以滿(mǎn)足變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)高靈敏度和高精度的要求，及土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)位中誤差的要求( ±3.0 mm)。當(dāng)前儀器設(shè)備廠商出產(chǎn)的接收機(jī)都是多源GNSS接收機(jī)，BDS與GPS數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性。