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

        2021-09-01 10:10:24羅江
        城市勘測 2021年4期
        關(guān)鍵詞:基線監(jiān)測點(diǎn)分量

        羅江

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

        1 引 言

        GNSS技術(shù)自應(yīng)用到測繪行業(yè)以來,相較傳統(tǒng)的邊角測繪技術(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)化全天候觀測的優(yōu)點(diǎn),在大壩變形監(jiān)測中已得到普及應(yīng)用。

        當(dāng)前基于BDS系統(tǒng)的變形監(jiān)測多是基于精密星歷。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,精度能否得到保證是值得進(jìn)行深入探討的問題。文章通過對(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)測的觀測數(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

        新疆某水庫大壩為平原水庫,大壩為黏土心墻土石壩。根據(jù)工作要求,該水庫大壩須按規(guī)范規(guī)定監(jiān)測頻次進(jìn)行大壩位移監(jiān)測。2019年9月完成了監(jiān)測控制點(diǎn)建造的土建工作,2019年11月19日開始測量。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)測技術(shù)方案,水平位移監(jiān)測使用GNSS網(wǎng)觀測法[1],觀測等級(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)測點(diǎn),壩外下游布置3個(gè)水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)。正式觀測前,使用Trimble公司Terrasat GmbH開發(fā)的GNSSPlanningOnline(http://www.gnssplanningonline.com)Web程序做好時(shí)段觀測計(jì)劃,衛(wèi)星可見數(shù)如圖2所示。

        圖2 衛(wèi)星可見數(shù)

        由圖2可知,8:00~20:00期間,下午14:10衛(wèi)星可見數(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4個(gè)象限,滿足規(guī)范要求(至少分布三個(gè)象限),綜合衛(wèi)星可見數(shù)及衛(wèi)星天空分布情況,測區(qū)白天全部時(shí)間可以進(jìn)行GNSS靜態(tài)定位測量。

        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10個(gè)時(shí)段,獲得48條基線數(shù)據(jù)?;€解算使用Trimble公司商用軟件“Trimble Business Center 5.0”,獲得的基線向量使用武漢大學(xué)開發(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。

        基線采用相同的解算策略:①使用相同的基線解算軟件——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基線解算精度略優(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的基線三維向量網(wǎng)平差,從點(diǎn)位中誤差來看,GPS精度最優(yōu),除監(jiān)測點(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)位中誤差沒有做要求,此項(xiàng)參數(shù)作為衡量兩種方法的參考指標(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,無多期復(fù)測資料,基準(zhǔn)點(diǎn)不做穩(wěn)定性分析[3]。水平位移監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)(J1~J3)聯(lián)測國家控制點(diǎn),平差時(shí)進(jìn)行中央子午線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基線向量進(jìn)行二維約束平差,對(duì)平差結(jié)果中的二維基線向量改正數(shù)進(jìn)行比較,結(jié)果如下:

        從圖12和圖13,可知GPS與BDS基線向量改正數(shù)吻合情況良好,除個(gè)別基線以外,兩者差值在 1 mm以內(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)測點(diǎn)Q02和Q07以外,其他監(jiān)測點(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)觀測法在變形監(jiān)測數(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,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)測點(diǎn)精度要求的 ±3.0 mm的1/3,也從另一方面說明基于BDS和GPS的坐標(biāo)成果可視為一致。

        4 結(jié) 語

        通過前文的分析表明,不論是基線解算、環(huán)閉合差、還是基線向量改正數(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。完全可以滿足變形監(jiān)測控制網(wǎng)高靈敏度和高精度的要求,及土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范對(duì)監(jiān)測點(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)測數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的可靠性。

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