張飛躍，汪　劍

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610072；2.上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海，201702）

?

北斗導(dǎo)航定位技術(shù)在溪洛渡水電站庫區(qū)邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用

張飛躍1，汪劍2

（1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610072；2.上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司，上海，201702）

為了實(shí)現(xiàn)對溪洛渡水電站庫區(qū)周圍滑坡體形變的連續(xù)性自動(dòng)化監(jiān)測，建立了基于北斗高精度定位技術(shù)的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)，使用自動(dòng)化形變監(jiān)測解算軟件HCMonitor對監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算處理。增加北斗后的三星組合可以大大增加衛(wèi)星的可用性和定位的可靠性，特別是對于觀測環(huán)境較為惡劣的觀測點(diǎn)，其效果更為明顯，保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定、數(shù)據(jù)的可靠，拓寬了北斗導(dǎo)航定位技術(shù)在水電站庫區(qū)邊坡監(jiān)測中的應(yīng)用，同時(shí)對類似高精度自動(dòng)化形變監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)具有借鑒意義。

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)；自動(dòng)化變形監(jiān)測；北斗數(shù)據(jù)處理；HCMonitor

1　概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國正在實(shí)施的自主發(fā)展、獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，致力于向全球用戶提供高質(zhì)量的定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進(jìn)一步服務(wù)，軍用與民用目的兼具。中國在2003年完成了具有區(qū)域?qū)Ш焦δ艿谋倍沸l(wèi)星導(dǎo)航試驗(yàn)系統(tǒng)，之后開始構(gòu)建服務(wù)全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，于2012年起向亞太大部分地區(qū)正式提供服務(wù)，并計(jì)劃于2020年完成全球系統(tǒng)的構(gòu)建。

隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的逐漸完善和升級(jí)，其精度和穩(wěn)定性已經(jīng)不亞于GPS，將北斗導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用于水電站庫區(qū)邊坡監(jiān)測，結(jié)合GPS、GLONASS等星座，可以組成多系統(tǒng)、高可靠性的監(jiān)測解決方案。

溪洛渡水電站位于四川省雷波縣和云南省永善縣接壤的金沙江峽谷段，是一座以發(fā)電為主、兼有攔沙、防洪和改善下游航運(yùn)等綜合效益的大型水電站，可將下游沿江城市防洪標(biāo)準(zhǔn)提高到重現(xiàn)期100年。溪洛渡水電站具有高地震區(qū)、高拱壩、高水頭、大泄流量等特點(diǎn)，工程設(shè)計(jì)、施工、管理面臨眾多世界性難題。溪洛渡水電站水庫正常蓄水位600 m，死水位540 m，庫容126.7億m3。水庫沿金沙江干流全長199 km，蓄水至540 m時(shí)，溪洛渡水電站庫區(qū)影響區(qū)共計(jì)115處，其中，滑坡、崩塌體影響區(qū)34處、塌岸影響區(qū)70處、崩塌變形體11處。除去近壩庫段的甘海子滑坡群影響區(qū)范圍較大外，其他較大范圍的影響區(qū)多在庫區(qū)中段或庫尾等區(qū)域。目前，溪洛渡水庫影響區(qū)失穩(wěn)后危害性較大的共有23處，需分期分步驟開展安全監(jiān)測工作，并應(yīng)結(jié)合水庫蓄水對滑坡塌岸等的實(shí)際影響情況進(jìn)行安全監(jiān)測的調(diào)整。本次實(shí)施方案主要針對第二期未完成的6處：牛滾凼滑坡、甘田壩滑坡、大楓灣滑坡、花坪子滑坡、橄欖坪滑坡和麻地灣滑坡進(jìn)行監(jiān)測設(shè)計(jì)。

2　北斗自動(dòng)化形變監(jiān)測系統(tǒng)

水電站庫區(qū)邊坡形變監(jiān)測系統(tǒng)利用高度集成化的北斗接收機(jī)及監(jiān)測軟件平臺(tái)，通過TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)接收機(jī)與計(jì)算機(jī)的互聯(lián)互訪、遠(yuǎn)程控制等，實(shí)現(xiàn)了水電站庫區(qū)邊坡形變監(jiān)測系統(tǒng)無需人工值守、監(jiān)測數(shù)據(jù)采集與處理分析可在監(jiān)控室主機(jī)自動(dòng)控制下完成的設(shè)計(jì)目的。該系統(tǒng)具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù)、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，其組成包括：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分析子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與展示子系統(tǒng)4個(gè)部分（如圖1所示）。

圖1　溪洛渡水電站庫區(qū)邊坡監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure of the automatic monitoring system for Xiluodu hydropower reservoir

2.1數(shù)據(jù)采集

監(jiān)測系統(tǒng)共包含6個(gè)滑坡體，每個(gè)滑坡體各測站上均配備華測N71北斗接收機(jī)和A220測量型天線，天線固定在帶有強(qiáng)制對中基座的觀測墩上?；鶞?zhǔn)站布設(shè)于距滑坡體5 km內(nèi)的穩(wěn)定基巖上，監(jiān)測點(diǎn)按設(shè)計(jì)要求每個(gè)監(jiān)測斷面3～4個(gè)點(diǎn)布設(shè)，所有滑坡體全天候24 h不間斷觀測。

2.2數(shù)據(jù)通信

數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)采用分層星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，當(dāng)某一監(jiān)測點(diǎn)或某一滑坡體出現(xiàn)通信故障時(shí)，不會(huì)影響其他點(diǎn)或其他滑坡體的正常工作。各滑坡體分控中心通過無線網(wǎng)橋與各測站上的接收機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，并轉(zhuǎn)為RINEX文件存儲(chǔ)。分控中心和監(jiān)測總控中心通過3G路由器進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)交互，總控中心收到分控中心的結(jié)果數(shù)據(jù)后進(jìn)行儲(chǔ)存、展示等。

2.3數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理軟件采用上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司研制的HCMonitor軟件，該軟件主要由系統(tǒng)管理、設(shè)備管理、數(shù)據(jù)處理引擎、坐標(biāo)系統(tǒng)管理、天線管理、星歷管理等模塊組成。北斗接收機(jī)采集記錄的是北斗接收機(jī)天線至衛(wèi)星的偽距、載波相位和衛(wèi)星星歷等數(shù)據(jù)。北斗數(shù)據(jù)處理從原始的觀測值接收到最終的測量定位成果，數(shù)據(jù)處理過程大致分為北斗測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理、基線向量解算及網(wǎng)平差等幾個(gè)階段。

2.4數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與展示

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)服務(wù)器位于監(jiān)測總控中心，數(shù)據(jù)展示平臺(tái)軟件采用上海華測導(dǎo)航技術(shù)股份有限公司研制的HCMAS軟件。該平臺(tái)采用B/S架構(gòu)、模塊化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)展和升級(jí)。數(shù)據(jù)展示形式多樣化，包括數(shù)據(jù)列表、變化趨勢圖、速度/加速度圖、斷面曲線圖、散點(diǎn)圖等多種方式。同時(shí)平臺(tái)支持移動(dòng)端手機(jī)APP登陸，可以方便、快捷、實(shí)時(shí)了解監(jiān)測系統(tǒng)狀況。

3　北斗導(dǎo)航定位技術(shù)應(yīng)用對監(jiān)測精度的影響

選取牛滾凼滑坡體監(jiān)測數(shù)據(jù)分析引入北斗導(dǎo)航定位技術(shù)后對本監(jiān)測系統(tǒng)的精度影響。該滑坡目前整體不穩(wěn)定，存在較大變形，受降雨影響及庫水位影響較大，影響對象主要為滑坡體上的復(fù)建公路及滑坡體前緣的臨時(shí)碼頭，蓄水至540 m水位后影響程度大。

3.1北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)應(yīng)用在水電監(jiān)測業(yè)務(wù)的原理性分析

北斗星座分為地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和地球中圓軌道衛(wèi)星（MEO），3類北斗星座概況如表1所示。

表1　北斗星座概況Table 1 General information of BeiDou system

在目前北斗服務(wù)的亞太區(qū)域（南緯50°～北緯50°，東經(jīng)55°～180°），因亞太區(qū)域上空有呈大“8”字形軌道運(yùn)行的傾斜地球同步軌道衛(wèi)星和在赤道上空的地球靜止軌道衛(wèi)星（如圖2所示），服務(wù)區(qū)域內(nèi)所有地方可見衛(wèi)星數(shù)至少為7顆，且衛(wèi)星分布較好，PDOP值一般在3～4之間。而我國水電工程多處于偏遠(yuǎn)的西南地區(qū)，處于低緯度地區(qū)，在GPS和GLONASS星座可見衛(wèi)星數(shù)很少的情況下大大彌補(bǔ)了整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)。

圖2　北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)星座示意圖Fig.2 Constellation diagram of BeiDou navigation and positioning system

3.2監(jiān)測點(diǎn)環(huán)境分析

TP01-NGD、TP02-NGD、TP03-NGD和TP04-NGD監(jiān)測點(diǎn)的搜星情況見圖3所示。

TP01-NGD三系統(tǒng)搜星顆數(shù)16～27，TP02-NGD三系統(tǒng)搜星顆數(shù)16～25，TP03-NGD三系統(tǒng)搜星顆數(shù)14～19，TP04-NGD三系統(tǒng)搜星顆數(shù)14～22。從搜星顆數(shù)上可知，TP03-NGD和TP04-NGD點(diǎn)搜星顆數(shù)相對較少，存在環(huán)境遮擋情況，單系統(tǒng)GPS星座最少只有3～4顆衛(wèi)星，不能滿足監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)解算。增加北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)后，大大增加了搜星數(shù)量，可用衛(wèi)星增加，多系統(tǒng)聯(lián)合解算系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠。

3.3監(jiān)測點(diǎn)平面位移數(shù)據(jù)

TP03-NGD和TP04-NGD這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)存在遮擋情況，GPS搜星顆數(shù)相對其他測站較少，以這兩個(gè)監(jiān)測點(diǎn)分析利用北斗多星座解算的精度。

表2　GPS單星座解算數(shù)據(jù)Table 2 Data derived（with single GPS）

表3　GPS、GLONASS雙星解算數(shù)據(jù)Table 3 Data derived（with GPS and GLONASS）

表4　GPS、GLONASS、BDS三星聯(lián)合解算數(shù)據(jù)Table 4 Data derived（with GPS，GLONASS and BDS）

3.4監(jiān)測點(diǎn)高程位移數(shù)據(jù)

表5　GPS單星座解算數(shù)據(jù)Table 5 Data derived（with single GPS）

表6　GPS、GLONASS雙星解算數(shù)據(jù)Table 6 Data derived（with GPS and GLONASS）

表7　GPS、GLONASS、BDS三星聯(lián)合解算數(shù)據(jù)Table 7 Data derived（with GPS，GLONASS and BDS）

3.5監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)精度分析

分析TP03-NGD和TP04-NGD監(jiān)測點(diǎn)在不同星座解算條件下的內(nèi)符合精度均方根誤差，結(jié)果見表8。

4　結(jié)語

（1）增加北斗后的三星組合可以大大增加衛(wèi)星的可用性和定位的可靠性，特別是對于觀測環(huán)境較惡劣的觀測點(diǎn)，其效果更為明顯。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過使用三星解算，無論是觀測環(huán)境較差的點(diǎn)還是觀測環(huán)境較優(yōu)的點(diǎn)，其精度都可以穩(wěn)定在毫米級(jí)，而對于觀測環(huán)境較差的點(diǎn)，其GPS單星座解算的精度難以保證；

表8　監(jiān)測點(diǎn)TP03-NGD和TP04-NGD的數(shù)據(jù)精度Table 8 Accuracy of the data of monitoring point TP03-NGD and TP04-NGD

（2）使用單GPS解算時(shí)，其可用衛(wèi)星數(shù)目在一天中嚴(yán)重不穩(wěn)定，這對于滑坡移動(dòng)速度較大的區(qū)域而言，其使用效果會(huì)更不好；

（3）根據(jù)溪洛渡水電站庫區(qū)滑坡體自動(dòng)化變形監(jiān)測項(xiàng)目需求，構(gòu)建了基于北斗高精度定位技術(shù)的自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，并對牛滾凼滑坡體的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，論證了北斗導(dǎo)航定位技術(shù)的引入可大大提高系統(tǒng)可用性和可靠性。

隨著北斗系統(tǒng)的不斷發(fā)展、完善，北斗應(yīng)用及其產(chǎn)業(yè)化步伐也在加快推進(jìn)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到交通運(yùn)輸、基礎(chǔ)測繪、工程勘測、資源調(diào)查、地震監(jiān)測、公共安全與應(yīng)急管理等國民經(jīng)濟(jì)眾多領(lǐng)域中。在水電監(jiān)測業(yè)務(wù)中，隨著北斗應(yīng)用的逐步推廣和在實(shí)際監(jiān)測業(yè)務(wù)中帶來的技術(shù)成效，北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)的廣泛使用和GNSS接收機(jī)的國產(chǎn)化是一個(gè)趨勢。

［1］孔祥元，梅是義.控制測量學(xué)［M］.武漢：武漢測繪科技大學(xué)出版社，1996.

［2］張廣春，余志偉，張建旭.地鐵施工第三方監(jiān)測WebGIS系統(tǒng)［J］.地理空間信息，2008，6（5）：92-93.

［3］詹龍喜，郁鈞，郁標(biāo)，等.連續(xù)跟蹤數(shù)字化三維自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)研究［J］.上海地質(zhì)，2003，24（4）：52-55.

［4］張勤，丁曉光，黃觀文，等.GPS技術(shù)在西安市地面沉降與地裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用［J］.全球定位系統(tǒng)，2008，（6）：41-46.

［5］袁本銀，高成發(fā).GPS基線解算與網(wǎng)平差的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.測繪，2009，32（1）：3-6.

To realize the continuous automatic monitoring of the landslide bodies of Xiluodu hydropower station，the automatic monitoring system based on BeiDou navigation and positioning system is established and the data calculation software HCMonitor is adopted.The combination of GPS，GLONASS and BeiDou system can greatly increase the reliability and accuracy of positioning，especially for the observation points in adverse environment.By use of BeiDou navigation and positioning system，the system stability and data accuracy are guaranteed and its application in slope monitoring in reservoir area is exploited，which provides reference for similar high-precision automatic deformation monitoring systems.

BeiDou navigation and positioning system；automatic deformation monitoring；BeiDou system data processing；HCMonitor

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0001-05

2015-12-29；

2016-02-19

張飛躍（1978-），男，遼寧凌源人，工程師，從事水電站庫區(qū)滑坡監(jiān)測工程施工項(xiàng)目管理工作。

作者郵箱：4620521@qq.com

Title：Application of Beidou navigation and positioning technology in slope monitoring of Xiluodu hydropower station//by ZHANG Fei-yue and WANG Jian//PowerChina Chengdu Engineering Co.，Ltd.