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[摘 要]組建一套高精度的GNSS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為基礎(chǔ)，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)為支撐，傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法為補(bǔ)充，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的多因素分析成果為目標(biāo)，從而解決GNSS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在大型水工建筑監(jiān)測(cè)應(yīng)用中的實(shí)際問(wèn)題。

[關(guān)鍵詞]GNSS 實(shí)時(shí) 監(jiān)測(cè) 水工建筑 位移監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）17-0041-01

一、國(guó)內(nèi)外研究概況、水平、專利情況及發(fā)展趨勢(shì)

（一）國(guó)內(nèi)外研究概況

GNSS（Global Navigation Satellite System）定位技術(shù)以合理的衛(wèi)星星座框架，強(qiáng)大的服務(wù)功能，特別是具有可以實(shí)現(xiàn)任何地方、任何時(shí)間的全天候定位功能、作業(yè)靈活簡(jiǎn)便、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，尤其是進(jìn)入90年代后，GNSS衛(wèi)星定位和導(dǎo)航技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)相結(jié)合，在空間定位技術(shù)方面引起了革命性的變化。從靜態(tài)擴(kuò)展到動(dòng)態(tài)，從單點(diǎn)定位擴(kuò)展到局部與廣域差分，從事后處理擴(kuò)展到實(shí)時(shí)（準(zhǔn)實(shí)時(shí)）定位于導(dǎo)航，絕對(duì)和相對(duì)精度擴(kuò)展到米級(jí)、厘米級(jí)乃至亞毫米級(jí)，從而拓寬了它的應(yīng)用范圍和在各行各業(yè)中的作用。不僅已經(jīng)廣泛應(yīng)用于崩塌、滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)中，也在大型橋梁、水庫(kù)大壩等領(lǐng)域應(yīng)用較多。在上世紀(jì)80年代，國(guó)際上就已經(jīng)逐漸采用GNSS定位技術(shù)對(duì)火山、崩塌、滑坡、地面沉降、地裂縫等方面進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和預(yù)警。

（二）項(xiàng)目背景

綜合上述因素，為了實(shí)時(shí)掌握水工建筑主體的安全運(yùn)行狀況，特別是在特大洪水與大潮情況下能夠?qū)崟r(shí)獲取泵站的安全運(yùn)行情況，建立一套GNSS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)惡劣的自然條件和場(chǎng)地空間的限制，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、周跳探測(cè)、整周模糊度解算、參考點(diǎn)的建設(shè)方案、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

二、研究的主要內(nèi)容

GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)中的周跳探測(cè)、整周模糊度快速解算、監(jiān)測(cè)網(wǎng)形的優(yōu)化和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析是本研究課題的重點(diǎn)內(nèi)容。

與傳統(tǒng)的視準(zhǔn)線監(jiān)測(cè)方法相比，GNSS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1.高精度，三維化。視準(zhǔn)線法只能得到水平位移，不能得到垂直位移；

2.可以實(shí)時(shí)在線觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化量與變化過(guò)程線；

3.不受惡劣天氣的影響，即便極端的天氣環(huán)境下（特大洪水、狂風(fēng)暴雨）也能做到真正意義上的全天候全時(shí)段監(jiān)測(cè)；

4.長(zhǎng)期來(lái)看，節(jié)省了人力、物力，減少了運(yùn)行成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益；

5.解決了GNSS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝與運(yùn)行中的關(guān)鍵問(wèn)題，為后續(xù)大型水工建筑的安全監(jiān)測(cè)提供了借鑒。

（一）周跳的探測(cè)

導(dǎo)致周跳產(chǎn)生的信號(hào)失鎖可長(zhǎng)達(dá)數(shù)分鐘，也可能發(fā)生在兩個(gè)相鄰歷元之間。在前一情況下，周跳很容易識(shí)別，因?yàn)榇诵l(wèi)星在失鎖期間就不再有相位差觀測(cè)值；但在后一情況下，在失鎖前后的每個(gè)歷元都有包括整數(shù)和小數(shù)部分的相位差觀測(cè)值，故難以察覺(jué)已曾發(fā)生的周跳。對(duì)于某顆衛(wèi)星瞬時(shí)相位差觀測(cè)值，發(fā)生中斷的第一類周跳，可據(jù)發(fā)生之前此衛(wèi)星的若干個(gè)連續(xù)的單差觀測(cè)值，用高階拉格朗日多項(xiàng)式進(jìn)行擬合，然后外推恢復(fù)跟蹤后第一個(gè)歷元單差觀測(cè)值中應(yīng)有的整周數(shù)，并取而代之，推求出的整周數(shù)與原整周數(shù)之差也用于修正隨后各歷元的整周數(shù)。亦可用周跳后的觀測(cè)值逆向外推之前的觀測(cè)值，求得整周數(shù)偏差后再改正周跳后的觀測(cè)值；對(duì)于發(fā)生在兩個(gè)歷元之間的第二類周跳，可用前面若干個(gè)正確的連續(xù)觀測(cè)值擬合外推下一個(gè)歷元觀測(cè)值，據(jù)其整周數(shù)與實(shí)際觀測(cè)值的整周數(shù)是否有差異判斷是否存在周跳，若存在，即用求得的整周數(shù)之差修正此歷元及其隨后的歷元觀測(cè)值中的整周數(shù)。

（二）整周模糊度的解算

當(dāng)采用一定的數(shù)學(xué)方法確定出整周模糊度后，衛(wèi)星至用戶的距離測(cè)定就可精確到不足一個(gè)波長(zhǎng)，達(dá)到厘米乃至毫米的誤差量級(jí)。由于觀測(cè)值中存在整周模糊度和周跳使GPS的基線處理復(fù)雜化。

可通過(guò)衛(wèi)星和測(cè)站的先驗(yàn)信息或偽距觀測(cè)值，估算其近似值并在平差計(jì)算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算時(shí)，需隨觀測(cè)時(shí)間的延長(zhǎng)使衛(wèi)星的幾何構(gòu)形發(fā)生較大的變化，使電離層折射效應(yīng)和多路徑效應(yīng)等系統(tǒng)性偏差的影響被逐漸削弱以至消除，從而保證其確定的可靠性。在通常的靜態(tài)定位中，為確保確定的可靠性，至少要觀測(cè)1小時(shí)左右。為縮短觀測(cè)時(shí)間、提高工效，應(yīng)改進(jìn)確定的方法和采用特殊的測(cè)量模式。

（三）監(jiān)測(cè)網(wǎng)的優(yōu)化

高質(zhì)量的監(jiān)測(cè)網(wǎng)可以準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)變形體的變形，由于監(jiān)測(cè)網(wǎng)的主要作用在發(fā)現(xiàn)變形，因此它是變形觀測(cè)與分析的基礎(chǔ)。如果監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)不合理，觀測(cè)的精度不高，控制網(wǎng)就不能有效發(fā)現(xiàn)粗差、抵抗粗差，就不可能靈敏第檢查出異常信號(hào)。監(jiān)測(cè)網(wǎng)的質(zhì)量可以用網(wǎng)的精度、可靠性、靈敏度、費(fèi)用等來(lái)表示，大量研究分析表明，監(jiān)測(cè)網(wǎng)的質(zhì)量與控制點(diǎn)的坐標(biāo)無(wú)關(guān)，但與監(jiān)測(cè)網(wǎng)的基線數(shù)、基線的連接形式、基線本身的精度密切相關(guān)?；€本身的精度與使用的儀器、觀測(cè)時(shí)間的長(zhǎng)短、選擇的衛(wèi)星窗口、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、模型的選擇等有關(guān)。在監(jiān)測(cè)中，對(duì)觀測(cè)時(shí)間、環(huán)境、技術(shù)等現(xiàn)實(shí)條件很難改變，但監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)則比較容易，因此研究監(jiān)測(cè)網(wǎng)的網(wǎng)形結(jié)構(gòu)十分重要，有助于優(yōu)化監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布置，提高其質(zhì)量。

1、監(jiān)測(cè)網(wǎng)形的優(yōu)化研究

以網(wǎng)形優(yōu)化理論和相關(guān)文獻(xiàn)為指導(dǎo)，采用我單位現(xiàn)有的六套GNSS接收機(jī)進(jìn)行多次試驗(yàn)，對(duì)多次試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、基線解算等工作，以確定網(wǎng)形對(duì)監(jiān)測(cè)成果的影響。并到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際查勘，以確認(rèn)制定的網(wǎng)形優(yōu)化方案在現(xiàn)場(chǎng)的可實(shí)施性。

2、數(shù)據(jù)處理方法研究

待已經(jīng)安裝和調(diào)試完備的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝完畢并開(kāi)始運(yùn)行之后，取一定時(shí)段的數(shù)據(jù)在進(jìn)行實(shí)時(shí)處理的同時(shí)，采用數(shù)據(jù)后處理軟件進(jìn)行重新處理并解算。比較解算的成果的差別并分析其原因，力求使實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠獲取高精度的監(jiān)測(cè)成果。

3、參考框架的選擇與精度評(píng)定

以現(xiàn)有的參考框架選擇理論為指導(dǎo)，根據(jù)網(wǎng)形優(yōu)化研究的成果并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況，確定零點(diǎn)位置和縱橫軸方向，從而建立坐標(biāo)系統(tǒng)。

目前，項(xiàng)目組實(shí)驗(yàn)室擁有多套GNSS設(shè)備，多次采用這些設(shè)備通過(guò)靜態(tài)觀測(cè)的方法進(jìn)行控制測(cè)量，熟知數(shù)據(jù)處理流程及數(shù)據(jù)處理方法。多名項(xiàng)目組成員曾在天津市南水北調(diào)中線濱海新區(qū)供水一/二期工程中參加了管線的安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，連續(xù)多年承擔(dān)了海河下游局五閘樞紐垂直位移監(jiān)測(cè)與分析項(xiàng)目。

三、結(jié)束語(yǔ)

我市位于華北沉降漏斗區(qū)，在我國(guó)屬于沉降相當(dāng)嚴(yán)重的地區(qū)，盡管近些年在多個(gè)部門的齊心協(xié)力下，沉降速率有所下降，但是由沉降引起的問(wèn)題依然嚴(yán)峻。我市境內(nèi)的各大型水工建筑基本上每年都會(huì)采用傳統(tǒng)的測(cè)量方法進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)（主要包括水平位移、垂直位移），費(fèi)時(shí)、費(fèi)力的同時(shí)也增加了經(jīng)濟(jì)成本。

特別是當(dāng)特大洪水來(lái)臨時(shí)，GNSS實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不僅能夠保障監(jiān)測(cè)人員的人身安全，還能夠?qū)崟r(shí)得到水工建筑當(dāng)前所處的狀態(tài)。為相關(guān)部門的決策提供強(qiáng)有力的支持。