鄭舒元 王建雄 崔建文

1）云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院, 昆明 650201

2）云南省高校農(nóng)業(yè)遙感與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程研究中心, 昆明 650201

3）云南省地震局, 昆明 650224

引言

中緬油氣管道工程是我國重大能源戰(zhàn)略項(xiàng)目，全長1 726.8 km，其包括原油管道與天然氣管道。兩管道起自緬甸西海岸皎漂，經(jīng)云南省瑞麗市58 號(hào)界碑入境，在貴州安順市分離，天然氣管道向南經(jīng)貴陽市到達(dá)貴港市。管道沿線地質(zhì)背景復(fù)雜，地震活動(dòng)強(qiáng)烈，穿越喜馬拉雅地震帶、滇西南地震帶、鮮水河滇東地震帶、右江地震帶和長江中游地震帶，歷史上曾發(fā)生過8 級(jí)地震1 次、7～7.9 級(jí)地震16 次、6～6.9 級(jí)地震65 次，對(duì)管道站址影響烈度最大達(dá)8 度以上。在云南境內(nèi)，有3 條曾發(fā)生過7 級(jí)和7 級(jí)以上地震的斷裂與管道相交，分別為龍陵-瑞麗斷裂、鳳儀-定西嶺斷裂、小江斷裂，在管線近場(chǎng)有18 條活動(dòng)斷裂通過，這些斷裂具備發(fā)生強(qiáng)烈地表錯(cuò)位的地震構(gòu)造條件（高涵等，2020），存在未來發(fā)生強(qiáng)震的可能，對(duì)管道安全營運(yùn)造成潛在威脅。

強(qiáng)烈地震對(duì)地下管道有破壞作用（Wang 等，1991），這種作用主要有2 種表現(xiàn)形式，即強(qiáng)烈振動(dòng)引起的管道連接脫落和地面變形引起的管體變形破壞。1976 年河北唐山大地震的地震動(dòng)和地表破裂對(duì)秦皇島至北京的輸油管道造成了多處變形、管體破損（王亮亮等，2003）；1985 年墨西哥地震的地震動(dòng)造成了管線管體破碎與接頭脫落；2002 年美國阿拉斯加發(fā)生7.9 級(jí)地震，管道穿越的斷層破裂長達(dá)1 m 以上，但由于采取了特殊的抗震措施，避免了管道破裂（Hall 等，2003）；2016 年日本福岡7.3 級(jí)地震中，地下水管由于地震破裂而變形損壞，泄露的水損毀了地面道路（孟晨，2018）。為減輕地震對(duì)管道破壞造成的影響，多破壞性地震地區(qū)油氣管道工程重視管道的抗震措施，如在阿拉斯加油氣管道穿越斷層時(shí)，在管道下方采用了滑輪設(shè)計(jì)，為管道橫向和縱向移動(dòng)保留了空間，避免了在2002 年7.9 級(jí)地震中受到損壞（郭守德等，2019）。此外，布設(shè)管道地震觀測(cè)系統(tǒng)，在破壞性地震發(fā)生后能夠快速判斷管道狀況，及時(shí)采取措施，這也是有效減輕油氣管道地震災(zāi)害的方法。在中緬油氣管道沿線建立地震觀測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)管道沿線一定范圍內(nèi)發(fā)生破壞性地震時(shí)，對(duì)于觀測(cè)管道遭受的地震動(dòng)強(qiáng)度及管道穿越的斷裂變形情況具有重要意義。

中緬油氣管道地震觀測(cè)系統(tǒng)由3 套子系統(tǒng)構(gòu)成，即觀測(cè)管道地震動(dòng)強(qiáng)度的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)子系統(tǒng)、在管道與3 條斷層相交處觀測(cè)斷裂變形的GNSS（Global Navigation Satellite System）斷裂變形觀測(cè)子系統(tǒng)和觀測(cè)管道變形的光纖管道變形觀測(cè)子系統(tǒng)。本文主要介紹GNSS 斷裂變形觀測(cè)子系統(tǒng)。

GNSS 是高精度全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，已大量應(yīng)用于建筑物沉降、區(qū)域性地貌變化、地殼變形觀測(cè)中（帥向華等，2011；李希亮等，2014；劉昌偉等，2019；李兆隆等，2019）。采用相對(duì)定位技術(shù)，GNSS 可獲得毫米級(jí)的定位精度，但需在觀測(cè)點(diǎn)一定距離外布設(shè)參考站，而精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）無須布設(shè)參考站，數(shù)據(jù)處理更方便（張小紅等，2015；鄒冠華，2018）。中緬油氣管道斷裂變形觀測(cè)子系統(tǒng)在管道穿越的斷裂兩側(cè)各布設(shè)1 臺(tái)GNSS 接收機(jī)，采用PPP 技術(shù)精確定位同一時(shí)刻斷裂兩側(cè)觀測(cè)點(diǎn)的位置，即可確定斷層兩側(cè)的相對(duì)位錯(cuò)，再結(jié)合油氣管道容許變形，可估計(jì)穿越斷層管道可能的變形情況。利用已建成的2 條斷層GNSS 斷裂變形觀測(cè)子系統(tǒng)獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文研究了跨斷層GNSS 觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量及觀測(cè)誤差，結(jié)果表明，本項(xiàng)目建立的GNSS 斷裂變形觀測(cè)子系統(tǒng)能夠有效觀測(cè)破壞性地震引起的斷層變形量。

1 GNSS 斷裂變形觀測(cè)方法及觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 精密單點(diǎn)定位原理

精密單點(diǎn)定位算法采用雙頻相位和偽距觀測(cè)數(shù)據(jù)，利用國際GPS 服務(wù)組織（IGS）或其他分析中心發(fā)布的精密星歷和鐘差同時(shí)解算觀測(cè)站坐標(biāo)、鐘差和對(duì)流層延遲及模糊度參數(shù)，PPP 可利用單臺(tái)雙頻GPS 接收機(jī)的偽距和載波相位觀測(cè)值進(jìn)行精密絕對(duì)定位。

對(duì)于雙頻GNSS 接收機(jī)，PPP 的偽距和載波相位消電離層組合觀測(cè)方程可表示為：

式中，P、φ 分 別為消電離層的偽距和載波相位； ρ為 衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離；δtr和δts分別為接收機(jī)和衛(wèi)星的鐘誤差，后者可利用精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品消除；MW為 對(duì)流層濕分量投影函數(shù)； ξT為信號(hào)傳播方向的天頂對(duì)流層延遲； εP和 εφ為測(cè)量噪聲；λ為消電離層組合觀測(cè)值的波長；N為消電離層組合觀測(cè)值的浮點(diǎn)模糊度。

基于上述2 個(gè)觀測(cè)方程，綜合考慮衛(wèi)星端、接收機(jī)端及信號(hào)傳輸過程中有關(guān)誤差的影響，使用各種改正模型對(duì)定位過程改正發(fā)展的數(shù)據(jù)解算方法，可在4 顆以上衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)的情況下，獲取觀測(cè)的位置信息，其靜態(tài)定位精度可達(dá)厘米級(jí)，可滿足工程觀測(cè)的需要。

1.2 基于PPP 技術(shù)的斷裂位錯(cuò)觀測(cè)方法

在斷裂兩盤各布設(shè)1 個(gè)GNSS 觀測(cè)點(diǎn)，利用PPP 技術(shù)確定同一時(shí)刻2 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的相對(duì)位置，在斷裂發(fā)生位錯(cuò)的情況下，由2 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置變化可確定斷裂的位錯(cuò)量：

將位錯(cuò)量分解到3 個(gè)空間坐標(biāo)方向上，可確定3 個(gè)方向的位錯(cuò)量，有：

1.3 GNSS 斷裂位錯(cuò)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及建設(shè)

1.3.1 觀測(cè)點(diǎn)選址

在云南境內(nèi)管道將穿越多條斷裂，根據(jù)地震地質(zhì)資料，選擇龍陵-瑞麗斷裂、鳳儀-定西嶺斷裂及小江斷裂西支作為斷裂位錯(cuò)觀測(cè)對(duì)象。歷史上這3 條斷裂均發(fā)生過7 級(jí)以上的強(qiáng)震，仍存在再次發(fā)生7 級(jí)以上破壞性地震的可能。

為保證觀測(cè)結(jié)果能夠真實(shí)反映斷裂兩盤的位錯(cuò)情況，觀測(cè)站址應(yīng)選擇在斷層兩盤堅(jiān)固完整的基巖上，不受地表水土流失、滑坡等因素影響。站址場(chǎng)地應(yīng)開闊、無明顯遮擋物。經(jīng)實(shí)地考察，根據(jù)管道穿越斷裂處地形地貌、斷裂兩盤情況，3 個(gè)斷裂位錯(cuò)GNSS 觀測(cè)子系統(tǒng)觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖1～圖3 所示。

圖1 龍陵-瑞麗跨斷層觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 1 Layout of Longling-Ruili cross fault monitoring system

（1）鎮(zhèn)安觀測(cè)站

鎮(zhèn)安GNSS 觀測(cè)站距龍陵縣城17 km，距龍陵縣鎮(zhèn)安鎮(zhèn)5 km，位于龍陵-瑞麗斷裂上。龍陵-瑞麗斷裂經(jīng)龍陵、芒市、遮放、瑞麗盆地，延入緬甸中央盆地，全長約135 km，其北端與高黎貢斷裂呈弧形相接。1976 年5 月29 日，該斷裂曾發(fā)生7.3 級(jí)和7.4 級(jí)大地震。經(jīng)實(shí)地考察，選擇A、B點(diǎn)作為斷裂兩盤GNSS 觀測(cè)點(diǎn)場(chǎng)址，兩點(diǎn)間距159 m，如圖1 所示。

（2）定西嶺觀測(cè)站

彌渡定西嶺GNSS 觀測(cè)站位于彌渡縣紅巖鎮(zhèn)定西嶺，距彌渡紅巖鎮(zhèn)14 km，處在鳳儀-定西嶺斷裂上。鳳儀-定西嶺斷裂屬紅河大斷裂帶，紅河斷裂帶是青藏高原東緣1 條重要的大地構(gòu)造和活動(dòng)塊體邊界，該斷裂及其周邊地區(qū)地震活動(dòng)較強(qiáng)烈，1925 年曾發(fā)生鳳儀7 級(jí)地震。實(shí)地考察顯示，在管道與斷裂交匯處，斷裂分為2 支（圖2），為觀測(cè)交匯處斷裂的位錯(cuò)，在被斷裂分割的3 個(gè)地塊上各選擇1 個(gè)GNSS 觀測(cè)點(diǎn)，構(gòu)成如圖2 所示的三角形測(cè)量體系，其兩兩間距分別為300、321、258 m。

圖2 鳳儀-定西嶺跨斷層觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 2 Layout of Fengyi-Dingxiling cross fault monitoring system

（3）小碑當(dāng)觀測(cè)站

小碑當(dāng)GNSS 觀測(cè)站位于尋甸縣羊街鎮(zhèn)小碑當(dāng)村，距尋甸縣城17 km，距羊街鎮(zhèn)6 km，處在小江斷裂帶西支上。小江斷裂帶地處青藏高原東南側(cè)，近SN 走向，全長約400 km，系川滇菱形地塊與華南地塊的邊界，其北起云南巧家，向南經(jīng)東川分為東、西支，近平行延伸至撫仙湖，然后呈掃帚狀向南撇開為多條斷層。其構(gòu)造運(yùn)動(dòng)十分活躍，地震活動(dòng)頻繁并誘發(fā)多種類型的地質(zhì)災(zāi)害，1833 年小江斷裂帶西支曾發(fā)生嵩明8 級(jí)大地震。小江斷裂與前述2 條斷裂相比，規(guī)模更大，在管道與斷裂交匯處，斷裂破碎帶寬近300 m，兩盤穩(wěn)定地塊間距應(yīng)≥300 m，按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，選擇的觀測(cè)點(diǎn)如圖3 所示，觀測(cè)點(diǎn)間距400 m。

圖3 小江斷裂西支跨斷層觀測(cè)系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 3 Layout of fault monitoring system across the west branch of Xiaojiang fault

1.3.2 GNSS 斷裂位錯(cuò)觀測(cè)子系統(tǒng)建設(shè)

GNSS 斷裂位錯(cuò)觀測(cè)子系統(tǒng)由2～3 個(gè)跨斷裂GNSS 固定觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)墩、GNSS 測(cè)量系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成。

（1）觀測(cè)墩

按照《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 28588?2012）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2012），GNSS 混凝土觀測(cè)墩應(yīng)建在基巖上，如場(chǎng)地基巖埋深＞20 m，則混凝土觀測(cè)墩建在地下20 m 深度處。觀測(cè)墩高出地面3～5 m。建成的觀測(cè)墩和觀測(cè)房如圖4、圖5 所示，觀測(cè)房內(nèi)包含1 個(gè)觀測(cè)墩。

圖4 跨斷層變形觀測(cè)系統(tǒng)GNSS 固定觀測(cè)墩Fig. 4 GNSS fixed observation pier of cross fault deformation monitoring system

圖5 跨斷層變形觀測(cè)系統(tǒng)GNSS 觀測(cè)房（含觀測(cè)墩）Fig. 5 Cross fault deformation monitoring system GNSS observation room （Including observation pier）

（2）供電和通信

供電系統(tǒng)采用太陽能直流供電，太陽能供電系統(tǒng)以最大連續(xù)陰雨10 d 計(jì)算，可在連續(xù)10 d 無日照天氣時(shí)為設(shè)備供電。

獲取的觀測(cè)數(shù)據(jù)通過4G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)嚼ッ鲾?shù)據(jù)中心，并可實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

（3）GNSS 測(cè)量系統(tǒng)GNSS 測(cè)量系統(tǒng)由GNSS 天線和信號(hào)接收機(jī)組成，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1 所示，采用S10 接收機(jī)。

2 觀測(cè)數(shù)據(jù)及其處理

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

率先建成的鎮(zhèn)安、定西嶺觀測(cè)站于2019 年9 月5 日投入運(yùn)行。數(shù)據(jù)連續(xù)采集，采樣間隔為15 s，數(shù)據(jù)每2 h 生成1 個(gè)觀測(cè)文件，至2019 年10 月7 日，共獲取5 400 條觀測(cè)數(shù)據(jù)，期間由于故障等原因，2 個(gè)觀測(cè)站數(shù)據(jù)均存在部分缺失。數(shù)據(jù)文件格式為RINEX2.11，系統(tǒng)常駐可觀測(cè)GPS 系統(tǒng)衛(wèi)星可達(dá)8 顆，BDS 衛(wèi)星可觀測(cè)到15 顆，受數(shù)據(jù)處理方法的限制，本文處理的數(shù)據(jù)均源自GPS 系統(tǒng)。

以儀器安裝完成后測(cè)定的觀測(cè)點(diǎn)初始位置（X0、Y0、Z0）為參考點(diǎn)，龍陵觀測(cè)站和定西嶺觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)PPP定位結(jié)果相對(duì)于測(cè)點(diǎn)初始位置偏移隨時(shí)間的變化分別如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可知，在3 個(gè)方向上，各時(shí)刻的觀測(cè)值圍繞著初始位置波動(dòng)，反映出各時(shí)刻確定的坐標(biāo)位置有差異，在基礎(chǔ)未發(fā)生位移的情況下，可將其視為GNSS 觀測(cè)的干擾背景，這種干擾包括觀測(cè)數(shù)據(jù)解算算法本身包含的誤差、大氣環(huán)境等產(chǎn)生的影響。

圖6 龍陵觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)PPP 定位結(jié)果相對(duì)于測(cè)點(diǎn)初始位置偏移隨時(shí)間的變化Fig. 6 Variation of PPP positioning results of Longling observation station relative to the initial position offset of measurement points with time

圖7 定西嶺觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)PPP 定位結(jié)果相對(duì)于測(cè)點(diǎn)初始位置偏移隨時(shí)間的變化Fig. 7 Variation of PPP positioning result of Dingxiling observation station relative to the initial position offset of the measurement point with time

2.2 觀測(cè)站測(cè)點(diǎn)間基線長度

確定GNSS 觀測(cè)站2 個(gè)觀測(cè)點(diǎn)同一時(shí)刻空間坐標(biāo)后，即可按式（3）確定兩測(cè)點(diǎn)間基線長度相對(duì)于初始長度的變化，當(dāng)變化量超過測(cè)量誤差時(shí)，則可認(rèn)為兩測(cè)點(diǎn)間的斷裂兩盤發(fā)生了錯(cuò)位。

不考慮豎向的變化，水平面內(nèi)兩觀測(cè)點(diǎn)間基線長度變化可表示為：

對(duì)于豎向點(diǎn)間距的變化，有：

2 個(gè)觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間水平面內(nèi)基線長度在不同時(shí)刻的變化如圖8、圖9 所示，2 個(gè)觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間豎向間距在不同時(shí)刻的變化如圖10、圖11 所示。

圖9 定西嶺觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間水平面內(nèi)基線長度的變化Fig. 9 Change of baseline length in horizontal between observation points of Dingxiling observation station

圖10 龍陵觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間豎向間距的變化Fig. 10 Change of vertical distance between two measuring points at Longling observation station

3 結(jié)果分析

由圖8～圖11 可知，2 個(gè)觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間基線長度隨時(shí)間變化，在所處理的時(shí)間段內(nèi)，這種變化的最大值在水平向與豎向均≤10 cm，且無突出干擾值。由于在該時(shí)段內(nèi)，未發(fā)生大的地震事件，可認(rèn)為2 個(gè)觀測(cè)站間距在該波動(dòng)范圍內(nèi)為正常狀態(tài)。假定不發(fā)生地震時(shí)，2 個(gè)觀測(cè)站基線長度變化結(jié)果穩(wěn)定在該數(shù)值范圍內(nèi)，則需解決的問題是觀測(cè)時(shí)產(chǎn)生的測(cè)量誤差滿足管道變形安全要求。

圖8 龍陵觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間水平面內(nèi)基線長度的變化Fig. 8 Change of baseline length in horizontal between observation points of Longling observation station

圖11 定西嶺觀測(cè)站觀測(cè)點(diǎn)間豎向間距的變化Fig. 11 Change of vertical point spacing between observation points of Dingxiling observation station

GNSS 觀測(cè)數(shù)據(jù)解算誤差有多種來源，如衛(wèi)星軌道攝動(dòng)、電離層、對(duì)流層、大氣含水量、多路徑效應(yīng)影響等（李征航等，2010），目前雖發(fā)展了消除這些影響的方法，但在觀測(cè)條件不利的情況下，如降雨、降水等，誤差會(huì)相應(yīng)增大。

3.1 誤差分析

本文利用G-Nut/Anubis（以下簡稱Anubis）對(duì)布設(shè)的5 個(gè)觀測(cè)站數(shù)據(jù)從多路徑效應(yīng)、單點(diǎn)定位精度、信噪比、數(shù)據(jù)利用率及周跳方面進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析（張濤等，2017；陳秀德等，2018；康朝虎等，2018）。

（1）多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)射的信號(hào)以外，同時(shí)接收到觀測(cè)站附近物體反射的信號(hào)現(xiàn)象，接收到的不同路徑信號(hào)會(huì)與原本接收到的衛(wèi)星信號(hào)疊加，從而產(chǎn)生時(shí)延效應(yīng)，帶來誤差，且該效應(yīng)受環(huán)境的影響較大。不同觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑誤差如圖12 所示。多路徑均方根值受觀測(cè)站周圍環(huán)境影響，值越小表示數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。GPS 系統(tǒng)觀測(cè)的多路徑誤差多在40 cm上下浮動(dòng)，GLONASS 系統(tǒng)多路徑誤差較大。

圖12 定西嶺、龍陵觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的多路徑誤差Fig. 12 Multipath error of observation data at Dingxiling and Longling observation stations

（2）單點(diǎn)定位精度

不同觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的單點(diǎn)定位誤差如圖13 所示。單點(diǎn)定位誤差值越小，精度越高。系統(tǒng)觀測(cè)值N、E向的誤差均＜1 m，U向誤差集中于2 m 左右。

圖13 定西嶺、龍陵觀測(cè)站單點(diǎn)定位誤差Fig. 13 Single point positioning error of Dingxiling and Longling observation stations

（3）信噪比

信噪比為載波信號(hào)與噪聲的比值，影響信噪比的因素較多，接收機(jī)本身、觀測(cè)環(huán)境及多路徑效應(yīng)均會(huì)對(duì)其造成一定影響，該值不僅可用于評(píng)估觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時(shí)也可作為GNSS 接收機(jī)性能優(yōu)劣的參考（布金偉等，2017；姚文敏等，2019）。不同觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)的信噪比如圖14 所示。由圖14 可知，觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比基本在40 dB 左右，各信道信噪比相差較小，較穩(wěn)定。

（4）數(shù)據(jù)完整性

觀測(cè)數(shù)據(jù)完整性是觀測(cè)質(zhì)量的直接決定因素，由于各種偶然因素及傳輸過程中的損耗，導(dǎo)致接收機(jī)實(shí)際接收的觀測(cè)數(shù)據(jù)少于理論數(shù)據(jù)量。周跳也稱為整周跳變，發(fā)生的次數(shù)越多，表示丟失的觀測(cè)數(shù)據(jù)越多，可反映衛(wèi)星信號(hào)失鎖導(dǎo)致的整周計(jì)數(shù)偏差情況。對(duì)圖14 觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知GPS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可利用率遠(yuǎn)高于GLONASS 系統(tǒng)，而其周跳次數(shù)經(jīng)長時(shí)統(tǒng)計(jì)，所有臺(tái)站周跳頻次維持在較低水平，能夠保證觀測(cè)精度及數(shù)據(jù)可靠性（表2）。

圖14 定西嶺、龍陵觀測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)信噪比Fig. 14 Signal to noise ratio of observation data of Dingxiling and Longling observation stations

表2 數(shù)據(jù)利用率及周跳頻次統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of data utilization and weekly hop frequency

3.2 觀測(cè)結(jié)果的有效性

觀測(cè)的最終目的是對(duì)天然氣管道進(jìn)行保護(hù)，觀測(cè)結(jié)果是站點(diǎn)的坐標(biāo)變動(dòng)，如果觀測(cè)精度低于管道容許壓縮應(yīng)變范圍，觀測(cè)失去意義（張慧敏，2009；孟立朋等，2016）。

中緬油氣管道跨越斷層時(shí)一般在管溝中平直鋪設(shè)，荷載垂直于管道軸向且沿軸向均勻分布，管道尺寸參數(shù)如表3 所示。

表3 管道尺寸參數(shù)Table 3 Design parameters of different pipeline projects

根據(jù)理論，管道受到地震影響時(shí)，由于管道自身的抗震設(shè)計(jì)，不會(huì)直接發(fā)生破裂，但如果管道受地震影響過大，其變形量超出容許范圍時(shí)，會(huì)發(fā)生不可逆的損害，管道容許變形長度對(duì)于GNSS 觀測(cè)系統(tǒng)警報(bào)閾值計(jì)算至關(guān)重要。確定管道容許變形長度時(shí)分為2 種情況，一種為管道受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的最大位移，另一種為管道受壓狀態(tài)下的最大位移。當(dāng)管道受到拉伸、壓縮時(shí)管道最大容許長度變化及土壤與管道外表面之間單位長度上的摩擦力根據(jù)《輸油（氣）鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SY/T 0450?2004）（國家發(fā)展和改革委員會(huì)，2004）中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

考慮管道變形時(shí)，還需考慮彎曲變形對(duì)管道的危害，通過計(jì)算軸向運(yùn)行彎曲變形能力，可得到管道能夠承受的沉降偏差最大值，根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50251?2015）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2015）中的相關(guān)規(guī)定計(jì)算。

不同管道項(xiàng)目容許拉伸量及容許壓縮量如表4 所示。

表4 管道容許變形計(jì)算Table 4 Calculation of pipeline ultimate deformation

由于PPP 精度隨觀測(cè)時(shí)長而收斂，進(jìn)行5、6 h 以上時(shí)長收斂，可達(dá)厘米級(jí)精度（李浩軍等，2010；趙爽，2018；淦邦，2020）。

具體定位精度的評(píng)價(jià)因素較多，主要包括平面位置精度因子（HDOP）、高程精度因子（VDOP）、空間位置精度因子（PDOP）、接收機(jī)鐘差精度因子（TDOP）及幾何精度因子（GDOP），以上因子帶來的影響體現(xiàn)為觀測(cè)值與真值的差值?x、?y、?z進(jìn)行坐標(biāo)變換后得到的對(duì)應(yīng)值，即站心坐標(biāo)系下對(duì)應(yīng)于觀測(cè)站本身水平和高程方向的定位誤差（代桃高，2017；王何鵬等，2019），轉(zhuǎn)換公式為：

式中， λ 、 φ 分別為該點(diǎn)所在的經(jīng)、緯度。

大理彌渡和保山龍陵觀測(cè)站GNSS 觀測(cè)精度如圖15、圖16 所示。由圖15 可知，采樣時(shí)間前段數(shù)據(jù)值波動(dòng)較大，這是因?yàn)榕_(tái)站安置初期會(huì)出現(xiàn)基座沉降導(dǎo)致的安置點(diǎn)位變化及PPP 初期帶來的較大觀測(cè)誤差，PPP 觀測(cè)須經(jīng)過長時(shí)間收斂才會(huì)趨于穩(wěn)定值，如圖15、圖16 所示，布設(shè)觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果的均方根誤差基本在第400 個(gè)歷元后開始收斂并趨于穩(wěn)定，取第400 個(gè)歷元后的誤差均值為誤差收斂值。

圖15 定西嶺觀測(cè)站基線誤差解算結(jié)果Fig. 15 Baseline error calculation results of Dingxiling observation station

圖16 龍陵觀測(cè)站基線誤差解算結(jié)果Fig. 16 Baseline error calculation results of Longling observation station

處理后PPP 定位誤差的收斂值如表5 所示。由表5 可知，N、E向誤差收斂值均處于毫米級(jí)水平，U向誤差收斂值由于GNSS 本身的局限性而處于厘米級(jí)水平，將基線誤差收斂值與管道容許拉伸量和容許壓縮量進(jìn)行對(duì)比，可知基線誤差收斂值均小于3 種管道容許拉伸量和容許壓縮量，說明GNSS 觀測(cè)精度能夠滿足油氣管道檢測(cè)需求。

表5 PPP 基線誤差收斂值Table 5 Convergence value of PPP baseline error

3.3 GNSS 管道觀測(cè)閾值

在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，由于偶然因素多，加上管道自身存在微小變形，會(huì)導(dǎo)致起始坐標(biāo)、起始間距發(fā)生變化，綜合各種因素，對(duì)于GNSS 管道觀測(cè)的閾值，不能單純用極限變形量與極限誤差收斂值評(píng)估，應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)的搖擺及觀測(cè)誤差進(jìn)行考慮，可按下式計(jì)算：

式中， σt為 GNSS 管道拉伸觀測(cè)閾值， σc為 GNSS 管道壓縮觀測(cè)閾值， σh為 GNSS 管道偏差闕值， σg為第g條基線的誤差收斂值， σi為第i個(gè)觀測(cè)點(diǎn)一時(shí)間序列上實(shí)測(cè)水平距或高程差與真實(shí)水平距和高程差間差值的標(biāo)準(zhǔn)差。

不同觀測(cè)站觀測(cè)值與真實(shí)值差值的標(biāo)準(zhǔn)差如表6 所示。觀測(cè)時(shí)長內(nèi)每條基線間的警報(bào)閾值計(jì)算結(jié)果如表7～表9 所示。

表6 不同觀測(cè)站觀測(cè)值與真實(shí)值差值的標(biāo)準(zhǔn)差Table 6 Difference standard deviation between observedvalues and true values at different stations

表7 N 向GNSS 管道觀測(cè)閾值Table 7 Observation threshold of GNSS pipeline in horizontal N direction

表8 E 向GNSS 管道觀測(cè)閾值Table 8 Observation threshold of GNSS pipeline in horizontal E direction

表9 U 向GNSS 管道觀測(cè)閾值Table 9 Observation threshold of GNSS pipeline in vertical U direction

4 結(jié)語

本文針對(duì)中緬油氣管道工程范圍內(nèi)的2 條斷裂帶，利用2019 年沿?cái)嗔巡荚O(shè)的GNSS 固定臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)對(duì)斷裂帶變形趨勢(shì)進(jìn)行長期觀測(cè)與分析，以降低中緬油氣管道受地震的影響。當(dāng)精度達(dá)到容許拉伸應(yīng)變誤差允許范圍內(nèi)時(shí)，布設(shè)GNSS 觀測(cè)站對(duì)斷裂帶進(jìn)行有針對(duì)性的觀測(cè)切實(shí)可行，相較于從IGS 特征站觀測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)插得到斷裂帶數(shù)據(jù)更直接快捷，能夠直觀反映斷裂帶變形趨勢(shì)，且規(guī)避了參考站受地震波影響導(dǎo)致觀測(cè)結(jié)果產(chǎn)生的誤差，從而保證準(zhǔn)確獲得地震位移波形。

本研究還存在部分問題，PPP 觀測(cè)精度雖隨觀測(cè)時(shí)長而收斂，且觀測(cè)時(shí)長滿足其收斂要求，但由于觀測(cè)精度與拉伸應(yīng)變誤差較接近，不能完全保證突發(fā)的偶然誤差能夠得到處理。有研究表明采用BDS 與GPS 雙系統(tǒng)乃至引入3 個(gè)以上系統(tǒng)能夠顯著提高PPP 觀測(cè)精度，而本項(xiàng)目使用了GPS 單系統(tǒng)，仍有改進(jìn)空間；進(jìn)行精度論證時(shí)，僅評(píng)價(jià)了N、E、U向上的精度差，由于N、E、U向均為一維方向，并未進(jìn)行三維精度論證，結(jié)果不夠嚴(yán)謹(jǐn)，需改進(jìn)。