張飛躍，汪　劍

（1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，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）

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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.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，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)性自動化監(jiān)測，建立了基于北斗高精度定位技術(shù)的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，使用自動化形變監(jiān)測解算軟件HCMonitor對監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行解算處理。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，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，同時對類似高精度自動化形變監(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）是中國正在實施的自主發(fā)展、獨立運行的全球衛(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、授時服務(wù)，并能向有更高要求的授權(quán)用戶提供進一步服務(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，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等綜合效益的大型水電站，可將下游沿江城市防洪標準提高到重現(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，工程設(shè)計、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，溪洛渡水電站庫區(qū)影響區(qū)共計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際影響情況進行安全監(jiān)測的調(diào)整。本次實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行監(jiān)測設(shè)計。

2　北斗自動化形變監(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及監(jiān)測軟件平臺，通過TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)監(jiān)測點接收機與計算機的互聯(lián)互訪、遠程控制等，實現(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)控室主機自動控制下完成的設(shè)計目的。該系統(tǒng)具有拓撲結(jié)構(gòu)簡單、易于維護、性能穩(wěn)定等特點，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)存儲與展示子系統(tǒng)4個部分（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個滑坡體，每個滑坡體各測站上均配備華測N71北斗接收機和A220測量型天線，天線固定在帶有強制對中基座的觀測墩上?；鶞收静荚O(shè)于距滑坡體5 km內(nèi)的穩(wěn)定基巖上，監(jiān)測點按設(shè)計要求每個監(jiān)測斷面3～4個點布設(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)采用分層星形拓撲結(jié)構(gòu)，當某一監(jiān)測點或某一滑坡體出現(xiàn)通信故障時，不會影響其他點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進行實時數(shù)據(jù)交互，并轉(zhuǎn)為RINEX文件存儲。分控中心和監(jiān)測總控中心通過3G路由器進行結(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)后進行儲存、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、坐標系統(tǒng)管理、天線管理、星歷管理等模塊組成。北斗接收機采集記錄的是北斗接收機天線至衛(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)平差等幾個階段。

2.4數(shù)據(jù)存儲與展示

數(shù)據(jù)存儲服務(wù)器位于監(jiān)測總控中心，數(shù)據(jù)展示平臺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。該平臺采用B/S架構(gòu)、模塊化設(shè)計，易于擴展和升級。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、散點圖等多種方式。同時平臺支持移動端手機APP登陸，可以方便、快捷、實時了解監(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了整個監(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)測點環(huán)境分析

TP01-NGD、TP02-NGD、TP03-NGD和TP04-NGD監(jiān)測點的搜星情況見圖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)測點平面位移數(shù)據(jù)

TP03-NGD和TP04-NGD這兩個監(jiān)測點存在遮擋情況，GPS搜星顆數(shù)相對其他測站較少，以這兩個監(jiān)測點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)測點數(shù)據(jù)精度分析

分析TP03-NGD和TP04-NGD監(jiān)測點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，其效果更為明顯。從實驗數(shù)據(jù)可以看出，通過使用三星解算，無論是觀測環(huán)境較差的點還是觀測環(huán)境較優(yōu)的點，其精度都可以穩(wěn)定在毫米級，而對于觀測環(huán)境較差的點，其GPS單星座解算的精度難以保證；

表8　監(jiān)測點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，其可用衛(wèi)星數(shù)目在一天中嚴重不穩(wěn)定，這對于滑坡移動速度較大的區(qū)域而言，其使用效果會更不好；

（3）根據(jù)溪洛渡水電站庫區(qū)滑坡體自動化變形監(jiān)測項目需求，構(gòu)建了基于北斗高精度定位技術(shù)的自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)，并對牛滾凼滑坡體的數(shù)據(jù)進行了分析，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，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到交通運輸、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接收機的國產(chǎn)化是一個趨勢。

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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.