周命端，郭際明，許映林，李玉平，李 琛

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院，新疆昌吉831100;3.湖南省東安電力公司，湖南永州425900)

水電站GPS變形監(jiān)測網的數據處理及穩(wěn)定性分析

周命端1，郭際明1，許映林2，李玉平2，李 琛3

(1.武漢大學測繪學院，湖北武漢430079;2.新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院，新疆昌吉831100;3.湖南省東安電力公司，湖南永州425900)

以2009年觀測數據為例，應用GAMIT軟件和CosaGPS軟件對山口水電站GPS變形監(jiān)測A級網的數據進行處理。探討高精度GPS網數據處理的方法和過程，比較研究兩期觀測成果，分析GPS變形監(jiān)測網基準點的穩(wěn)定性，為山口水電站GPS變形監(jiān)測提供參考。

GPS網;變形監(jiān)測;穩(wěn)定性分析;數據處理

山口水電站工程是新疆某河干流梯級開發(fā)的最末一級，規(guī)模屬于大二型。該工程由攔河壩、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房等主要建筑物組成，大壩高51 m，水庫總庫容1.21×108m3，裝機容量140 MW。為保證水電站大壩的安全，需要對該大壩進行形變監(jiān)測。由于水電站地處山區(qū)，地勢險要，受地理環(huán)境、天氣及地形比較復雜條件等因素的影響，采用常規(guī)測量手段難以實現(xiàn)。而GPS定位技術作為一種全新的測量手段，在水利水電工程各階段測量中已逐步得到使用［1］。它以高精度定位、全天候作業(yè)、高效率觀測、多功能、操作簡便、應用廣泛等優(yōu)點備受青睞。為此，用GPS定位技術建立了山口水電站變形監(jiān)測基準網。該GPS網共布設了7個基準點，如圖1所示。GPS變形監(jiān)測網的外業(yè)觀測與數據采集使用了4臺美國天寶公司的Trimble 5700雙頻GPS接收機進行同步觀測，采用基于24 h的連續(xù)觀測方式，白天、晚上所占時間均勻分布，可以達到最佳效果。全網于2008年11月2—8日進行了第一期觀測，共4個時段，于2009年11月11—19日進行了第二期觀測，共4個時段，每個基準點平均累計觀測時間均達到54 h以上，達到A級網測量規(guī)范規(guī)定的觀測時間要求。

本文以2009年觀測數據為例，應用高精度GAMIT軟件和CosaGPS軟件對山口水電站變形監(jiān)測A級GPS網的數據進行處理，將數據處理成果與第一期數據成果作比較研究，進而對A級GPS基準點作穩(wěn)定性分析。

圖1 水電站GPS變形監(jiān)測網

一、GPS基線處理與分析

為了保證GPS變形監(jiān)測網的高精度，基線處理采用GAMIT軟件，版本為10.35，在基于Ubuntu操作系統(tǒng)的PC機上完成數據處理。GAMIT軟件是由美國麻省理工學院(MIT)和斯克里普斯海洋研究所(SIO)聯(lián)合研發(fā)的一套高精度GPS數據分析軟件，可應用于高精度GPS測量數據處理［2］。

應用GAMIT軟件進行基線處理時，地面參考基準站的選擇及其坐標精度將影響到基線解算結果［3］。為了獲得高精度GPS基線解算結果，同時為了將變形監(jiān)測成果統(tǒng)一到國際地球參考框架基準ITRF下，采用國際IGS全球衛(wèi)星跟蹤站作為基線解算的地面基準站。根據IGS站的分布與測區(qū)GPS站的分布情況，同時顧及IGS站坐標的精度和數據質量，最終選擇URUM(烏魯木齊站)和GAUO(南山站)兩個全球衛(wèi)星跟蹤站作為基準站，根據SOPAC官方網站提供的站坐標成果，其地心坐標分量精度為±(3～8)mm。采用URUM和GAUO聯(lián)合基準點SK101構成基準坐標傳遞網以獲得GPS變形監(jiān)測網的起算坐標。

GAMIT基線處理策略采用固定軌道(Choice of Experiment=BASELINE)，估算對流層折射參數，且2 h估算一次(Zenith Delay Estimation=Y和Interval zen=2)，其他的設置采用GAMIT默認模式，基線精處理采用國際上最為精確的IGS綜合精密星歷。對于基準坐標傳遞網的基線解算，采用消電離層組合模型(Choice of Observable=LC_HELP)，雙頻觀測值組合觀測量為［2］

而對于GPS形變監(jiān)測網的基線解算，采用無電離層約束的組合模型(選擇Choice of Observable=L1，L2_INDENPEND)，雙頻觀測量為

為使兩期基線解算結果具有可比性，GPS變形監(jiān)測網第二期數據處理策略應與第一期解算策略保持一致。GAMIT基線解算水平方向分量與垂直方向分量的精度統(tǒng)計如圖2所示。從圖2可以看出，第二期基線解算的精度在水平分量上為±(0.5～0.7)mm，在垂直分量上為±(1.3～2.2)mm。

圖2 第二期基線處理精度統(tǒng)計

為比較研究兩期基線解算的精度差異，將第一期GAMIT基線解算的精度作統(tǒng)計分析，如圖3所示。從圖3可以看出，第一期基線解算的精度在水平分量上優(yōu)于±0.7 mm;垂直分量上優(yōu)于±1.0 mm。比較圖2與圖3，可以看出第一期基線解算的精度略優(yōu)于第二期，但為同一數量級，這表明兩期基線解算的精度是相當的。

圖3 第一期基線處理精度統(tǒng)計

二、GPS網平差處理與分析

網平差采用武漢大學測繪學院研發(fā)的CosaGPS軟件，版本為V5.13。應用CosaGPS軟件提取GAMIT軟件處理的基線向量解信息，包括基線向量解及其方差-協(xié)方差陣，作為GPS網平差處理的觀測量。

1.粗差分析

粗差分析是指對觀測量中可能存在的粗差，通過有效的方法進行檢驗和探測，并采用適當的處理方法消除粗差對平差結果的影響。GPS網平差處理采用的觀測量來源于GAMIT軟件基線處理獲得的三維基線向量解及其方差-協(xié)方差陣。而GAMIT解算基線是采用全組合基線處理模型，這使得基線向量解各分量之間不但存在著相關性，而且同步環(huán)各基線向量解之間也存在著相關性。基于相關分析的粗差探測方法，考慮了觀測量之間隨機特性相關性，適合于高精度GPS網的粗差分析，所以，可采用基于相關分析的粗差理論來探測及消除其影響［4-5］。在GPS網平差系統(tǒng)中對驗后單位權方差進行χ2檢驗。由于的理論值等于1，則有χ2檢驗量為

選取置信水平1－α，α=0.005，若

成立，則接受H0;否則，則拒絕H0，認為平差系統(tǒng)中可能存在粗差。

2.改造方差-協(xié)方差陣

對于判定為粗差的觀測量，調整其參加平差的權，粗差觀測量i的選權因子由平差值改正數的大小vi及其精度σvi確定，即

為保持觀測量之間的相關系數不變，而與粗差有關的協(xié)方差改正為

觀測量經過粗差分析，探測和消除粗差的影響后，三維無約束平差結果的驗后單位權方差通過χ2檢驗，但是。這是因為GAMIT基線解輸出精度偏高，與實際測量精度不匹配［6］。這時，可以對基線向量解的方差-協(xié)方差陣進行改造，可根據外業(yè)測量時使用的GPS接收機的標稱精度來確定GPS網基線測量中誤差［7］。

3.檢驗與精度評估

GPS三維無約束平差的結果，客觀地反映了整個GPS網觀測量的內部符合精度。觀測量的改正數vi及改正數的精度σvi，反映了觀測量成果的好壞。當vi＜3σvi，認為觀測量與其平差時賦予的先驗精度相匹配。三維無約束平差基線向量X、Y、Z方向改正數及限差如圖4所示。從圖4可以看出，所有基線向量在X分量的改正數在－1.3～1.3 mm內，Y分量在－3.0～2.9 mm內，Z分量在－2.5～2.5 mm范圍內;基線向量三分量改正數的大小遠小于限差值(15.0 mm)，三維基線向量平差精度良好。

圖4 基線三維分量改正數及限差

以SK101為起算點，其三維直角坐標值的獲得是通過聯(lián)合IGS跟蹤站GUAO和URUM進行高精度數據處理傳遞得到的，參考框架為ITRF2000，歷元為2008.840，其三維坐標為:X=…244.132 5，Y=…932.278 1，Z=…005.112 6，水平分量中誤差為±2.8 mm，垂直分量中誤差為±8.9 mm，點位精度為±9.3 mm。三維無約束平差基準點坐標成果精度分析如圖5所示。從圖5可以看出，GPS變形監(jiān)測網中基準點的坐標平差值水平分量優(yōu)于1.0 mm，高程分量優(yōu)于 2.5 mm，點位精度優(yōu)于±3.0 mm。

圖5 基準點平差坐標精度分析

三、A級基準點穩(wěn)定性分析

1.平差基準選取與框架統(tǒng)一

在水電站GPS變形監(jiān)測網兩期的數據處理中，應用GAMIT軟件解算基線時采用相同的基線處理策略;應用CosaGPS軟件進行網平差處理時，三維無約束網平差固定SK101基準點(該點兩期穩(wěn)定)，作為網平差處理的起算基準，SK101基準點的坐標采用參考框架為ITRF2000，歷元為第一期觀測的平均瞬時歷元，即2008.840，其三維直角坐標值的獲得是通過聯(lián)合IGS跟蹤站GUAO和URUM進行高精度數據處理傳遞得到的。二維平差以第一期已知成果中給出的SK101為已知點，SK101到SK102的方位角(…5°…3'…9.59″)作為已知方位角，在工程坐標系(WGS-84橢球，高斯正形投影，中央子午線為…2°…9'…5″，投影面高程為正常高…00 m)，進行“固定一點一方向”平差。因此，水電站GPS變形監(jiān)測網兩期數據處理的所選取的基準和所采用的參考框架及歷元是一致的，這為A級基準點的穩(wěn)定性分析提供了統(tǒng)一的基準和框架及歷元，兩期觀測成果具有可比性。

2.點位穩(wěn)定性分析

利用獨立基線向量觀測量進行GPS三維向量網平差和“固定一點一方向”平差處理，得到GPS變形監(jiān)測網其他基準點的三維空間直角坐標和二維平差坐標。為分析基準點穩(wěn)定性情況，將本期數據處理得到的7個基準點的三維坐標及平面坐標和大地高與第一期數據處理成果進行求差并作比較分析，其較差(第一期減第二期)結果如表1所示。

表1 GPS變形監(jiān)測網兩期點位坐標較差值 mm

從表1可以看出，對兩期觀測結果的點位坐標較差比較分析，基準點 SK102、SK103、SK104、SK106、SK107在WGS-84坐標系中X分量、Y分量及Z分量較差都在4.5 mm以下，位移量在5.9 mm之內，大地高較差值都在5.8 mm以下;在工程獨立坐標系中N方向、E方向分量都在3.5 mm以下，點位平面坐標較差值在1.6～3.5 mm，若以兩倍點位中誤差(σ≤5 mm)作為兩期觀測結果較差值的限差，則在測量誤差允許的范圍內，可以判定這5個基準點保持相對穩(wěn)定。而基準點SK105的三維直角坐標較差在 X方向有15.1 mm變化，Y方向有74.2 mm的變化，Z方向有39.6 mm的變化，點位位置移動量為85.5 mm，大地高H方向有78.2 mm變化;在工程獨立坐標系下的平差坐標較差值在N方向有20.1 mm變化，E方向有23.8 mm變化，點位平面坐標有31.2 mm變化，若以兩倍點位中誤差(σ≤5 mm)作為兩期觀測結果較差值的限差，則在測量誤差允許的范圍內，可以判定基準點SK105點有變動，需要進行原因分析。

四、結束語

應用GAMIT軟件進行基線解算，并采用IGS綜合精密星歷和ITRF框架下的精確坐標作為基線解算基準，確保了GPS變形監(jiān)測網在ITRF框架下取得高精度成果。應用CosaGPS軟件進行網平差處理，觀測量通過粗差分析、方差-協(xié)方差陣的改造，使GPS網具有很高的內部符合精度。統(tǒng)一坐標基準和參考框架及歷元，獲得高精度ITRF2000框架、參考歷元為2008.840下的最終平差結果及工程坐標系下的平面坐標，比較分析兩期觀測成果，對A級GPS變形監(jiān)測網基準點進行了穩(wěn)定性分析，結果表明，基準點SK105有變動，而其他基準點保持相對穩(wěn)定，這為山口水電站的變形監(jiān)測分析提供參考和借鑒。

［1］ 田雪冬，郭際明，郭麒麟，等.GNSS定位技術在水利水電工程中的應用［M］.武漢:長江出版社，2009.

［2］ HERRING T A，KING R W，MCCLUSKY S C.GAMIT Reference Manual Release 10.35［EB/OL］.［2009-06-01］.http:∥chandler.mit.edu/～simon/gtgk/GAMIT_ Ref_10.35.pdf.

［3］ 隋立芬.高精度GPS網的統(tǒng)一與數據處理若干問題研究［D］.鄭州:信息工程大學，2001.

［4］ 施闖，劉經南.基于相關分析的粗差理論［J］.武漢測繪科技大學學報，1998，23(1):5-9.

［5］ 施闖，劉經南.國家高精度GPS整體平差中的粗差分析［J］.武漢測繪科技大學學報，1999，24(3):107-111.

［6］ 齊國良，施闖，姚宜斌.陜京輸氣管道斷裂帶形變監(jiān)測GPS網的數據處理及形變分析［J］.測繪信息與工程，2004，29(5):36-39.

［7］ 中華人民共和國國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標準化管理委員會.GB/T 18314—2009全球定位系統(tǒng)(GPS)測量規(guī)范［S］.北京:中國標準出版社，2009.

Data Processing and Stability Analysis of GPS Deformation Monitoring Network for Hydropower Station

ZHOU Mingduan，GUO Jiming，XU Yinglin，LI Yuping，LI Chen

0494-0911(2011)07-0030-04

P228.4

B

2010-9-29

周命端(1985—)，男，湖南東安人，博士生，主要從事高精度GNSS定位技術及其應用研究工作。