龙羊峡大坝监测网GNSS数据处理模型优选研究
时间：2023-06-21 14:20:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
李卓骏，赵志华，武志刚，王 立，阴承志，米世恩
（国家电投集团青海黄河电力技术有限责任公司，青海 西宁 810003）
水电站大坝外观安全监测中传统技术方法监测频率通常每月一次，易受人为因素干扰、内业数据繁冗、处理复杂易出错等缺点，无法满足快速、动态监测大坝变形的要求。随着全球卫星导航系统的发展，GNSS技术凭借其高精度、易于实现自动化等优越性，被广泛用于大坝安全监测，对确定大坝健康状态和保证大坝安全运营具有重大意义[1-2]。
公司在龙羊峡电站的坝体、近坝岩体及近库滑坡体上建设了GNSS监测系统，对被监测部位进行自动监测。这些系统的建设在保证坝体、近坝岩体及近库滑坡体的安全运营具有重要的作用。但是通过对龙羊峡GNSS监测系统的考察，发现现有的监测系统在实际使用中没有监测数据采集应执行的技术标准，数据采集与计算等全过程不便管理等问题。本文以龙羊峡大坝监测网为例，从参数、策略模型、监测设计方面入手，进行GNSS大坝监测数据处理模型优选研究，以期为后续形成独立的GNSS数据处理方法提供基础。
2.1 卫星高度截止角
实验目的：考察卫星高度截止角设置对实验GNSS基线解算精度的影响[3]。
实验数据：选用龙羊峡水电站近坝库岸滑坡、边坡和坝体监测网各部位具有代表性的监测点G639、G651、G7H12、G707、YG01、JZ、LY03、LYT09构成全面网（见图1），综合考察不同截止高度角对网的重复基线、同步闭合环、异步闭合环、最弱点点位中误差的影响（见表1）。
表1 不同截止高度角的重复基线、同步环、异步环闭合差比较表
图1 龙羊峡水电站近坝库岸滑坡、边坡和坝体监测网
实验方法：计算采用中海达HGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：采样间隔为15″、最少历元数10个、观测量L1、广播星历、自动卫星选取、增强处理模式、气温0℃、气压750.8 hP、湿度50%、对流层改正模型采用Hopfield。
结果：①随着截止高度角提高，重复基线较差、同步环闭合差、异步环闭合差超限个数在减少。对全自动解算系统而言，应设置较高的截止高度角。②随着截止高度角提高，全部/合格重复基线长度相对中误差、全部/合格同步环闭合差总长相对中误差之间差值在减小。说明提高截止高度角有利于减小观测值粗差的影响。③随着截止高度角提高，网的最弱点点位中误差也在减小。综合考虑，截止高度角设置以20°～30°为宜。
2.2 观测值采样间隔
实验目的：考察观测值采样间隔设置对实验GNSS基线解算精度的影响[4]。
实验数据：选用龙羊峡水电站近坝库岸滑坡、边坡和坝体监测网各部位具有代表性的监测点G639、G651、G7H12、G707、YG01、JZ、LY03、LYT09构成全面网（见图1），综合考察不同采样间隔对网的基线、闭合环、点位中误差的影响（见表2）。
表2 不同采样间隔对重复基线、同步环、异步环闭合差比较表
实验方法：计算采用中海达HGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、最少历元数10个、观测量L1、广播星历、自动卫星选取、增强处理模式、气温0℃、气压750 hP、湿度50%。对流层改正模型采用Hopfield。
结果：由表2可知，采样间隔变化对基线、闭合环、点位中误差的影响不显著。
3.1 星座选用策略实验
实验目的：考察选用不同的GNSS星座组合对基线解算精度的影响[5-6]。
实验数据：选用龙羊峡水电站近坝库岸滑坡、边坡和坝体监测网各部位具有代表性的监测点G639、G651、G7H12、G707、YG01、JZ、LY03、LYT09构成全面网。
实验方法：计算采用HGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、固定相位、广播星历、霍普菲尔德对流层模型（温度18℃，气压775.4 hP，湿度50%）。
实验内容：分别用单GPS星座、单BDS星座、GPS+BDS星座、GPS+BDS+GLONASS星座组合及GPS+BDS+GLONASS+GALLi星座组合。计算出网的重复基线较差超限个数、重复基线长度相对中误差、同步环全长相对闭合差、异步环全长相对闭合差与最弱点点位中误差，见表3。
表3 星座选用策略
结果：①使用BDS星座与GPS星座基线解与平差后最弱点的精度相当。②仅使用BDS星座与GLONASS星座组合精度欠佳。③增加星座组合数量可以提高基线解的精度和可靠性。在有条件的情况下应尽量使用多星座组合参与计算。④GPS与BDS组合；
GPS、BDS、GLONASS组合；
GPS、BDS、GLONASS、GALILEO组合精度相当。选用何种组合主要因素应是可靠性。
3.2 卫星星历选用策略实验
实验目的：考察选用广播星历与精密星历对基线解算精度的影响。
实验数据：选用2021年7月9日、10日两天，龙羊峡电厂滑坡监测网中G639与JZ两点构成的基线向量观测值。该观测值时段长度为1小时，共48个时段。观测时日平均气温18℃。测线海拔高程2 200 m，推得气压775.4 hP。同时，选用龙羊峡水电站近坝库岸滑坡、边坡和坝体监测网各部位具有代表性的监测点G639、G651、G7H12、G707、YG01JZ、LY08、LYT09构成全面网。
实验方法：基本计算采用HGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、L1、GPS+BDS+GL星座、霍普菲尔德对流层模型（温度18℃，气压775.4 hP，湿度50%）。对比计算采用Infinity解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、固定相位、仅GPS星座、Hopfield对流层模型、Klobuchar电离层模型。
实验内容：分别广播星历与精密星历计算出基线解，计算基线解的离散度并且对比两种基线解求出48个时段的对应基线较差的极差值，见表4。分别由精密星历和广播星历计算出网的基线、闭合环、点位中误差见表5。
表4 卫星星历选用策略1
表5 卫星星历选用策略2
4.1 观测时段长度设计优选实验
实验目的：考察不同的观测时段长度对基线解算精度的影响。
实验数据：选用2021年7月9日、10日、11日三天，龙羊峡电厂滑坡监测网中G639与G707两点构成的基线向量观测值，基线长约5 000 m。该观测值时段长度为1小时，共72个时段。观测时日平均气温18℃。测线海拔高程2 200 m，推得气压775.4 hP。
实验方法：基本计算采用HGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、L1、GPS+BDS星座、霍普菲尔德对流层模型（温度18℃，气压750.8 hP，湿度50%）。对比计算采用LGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、固定相位、仅GPS星座、Hopfield对流层模型、Klobuchar电离层模型。
实验内容：分别将基线观测数据生成1小时、4小时、24小时三种不同的观测量，计算出对应的基线解，计算基线解的离散度并且对比三种基线解求出较差的极差与中误差值，见表6。
表6 观测时段长度设计优选
结果：①随着观测时段长度增加，基线解的精度在提高。②基线的坐标分量误差大于基线边长误差。③在自动解的条件下，1小时观测时段的数据集合中存在粗差。故应对观测数据进行质量检核后再使用。
4.2 组网形式优选实验
实验目的：考察不同的GNSS网形对监测点解算精度的影响。
实验数据：选用2021年7月9日、10日、11日三天，龙羊峡电厂滑坡监测网中G639与G707两点构成的基线向量观测值，基线长约5 000 m。该观测值时段长度为1小时，共72个时段。观测时日平均气温18℃。测线海拔高程2 200 m，推得气压775.4 hP。
实验方法：基本计算采用HGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、固定相位、GPS+BDS星座、霍普菲尔德对流层模型（温度18℃，气压775.4 hP，湿度50%）。对比计算采用LGO解算软件，进行基线静态解。计算采用的标准基线解参数为：高度截止角15°、采样间隔为15″、最少历元数10个、固定相位、仅GPS星座、Hopfield对流层模型、Klobuchar电离层模型。
实验内容：分别将基线观测数据生成24小时的观测量，计算出对应的基线解，由计算基线解分别构建GNSS星形网、测边交会网、全面网三个构网方案（图2、3、4）。依据解算的点位坐标计算出各点的位移量。由此位移量求出各方案的灵敏度并反推其精度。将各方案的精度与灵敏度值，见表7。
表7 组网形式优选
图2 星形网
图3 测边交会
图4 全面网
结果：①全面网的解算精度高于测边交会，测边交会的解算精度高于星形网。②全面网的可靠性优于测边交会，测边交会的可靠性优于星形网。③利用全面网的同步环闭合差检测基线观测值中存在的粗差很有必要。④GNSS高程中误差约是平面点位中误差的1.5～2.0倍。
通过对龙羊峡大坝监测网GNSS数据处理模型优选的研究得到以下结论。一是解算参数方面：截止高度角设置以20～30°为宜；
采样间隔变化对基线、闭合环、点位中误差的影响不显著。二是解算策略模型方面：增加星座组合数量可以提高基线解的精度和可靠性，在有条件的情况下应尽量使用多星座组合参与计算；
使用精密星历较使用广播星历基线解的精度稍有提高。三是监测设计方面：随着观测时段长度增加，基线解的精度在提高。基线的坐标分量误差大于基线边长误差，在自动解的条件下1小时观测时段的数据集合中存在粗差，故应对观测数据进行质量检核后再使用；
全面网的可靠性优于测边交会，测边交会的可靠性优于星形网，GNSS高程中误差约是平面点位中误差的1.5～2.0倍。■
