北斗、GPS雙星四頻接收機在長河壩水電站施工區的效果測試

袁有倉

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 概述

眾所周知，GPS技術已在各行各業普遍應用。但是，單純的GPS系統在處于高山峽谷中的水電站建設工地總有一些部位不能正常接收衛星或接收數量少于4顆，進而導致其無法完成定位。其主要原因是GPS衛星大部分高度角較低，受山體遮擋較嚴重，有時信號時斷時續，衛星信號的連續性直接影響數據解算的精度、穩定性和可靠性。

北斗衛星導航系統是我國正在實施的自主研發、獨立運行的全球衛星導航系統，縮寫為BDS。北斗衛星的高度角較高，加之北斗衛星系統具有地球同步衛星特性，可大大提高跟蹤的連續性，降低PDOP，提高解算精度，特別是山區、高邊坡、遮擋嚴重的地區。現北斗衛星已經覆蓋亞太地區，使用北斗加GPS雙星系統測量將大大提升測量數據的可靠性和穩定性。為了驗證北斗加GPS雙星系統在水電工程高山地區的使用效果，我們選用了上海司南衛星導航技術有限公司出品的M300C雙星四頻(北斗二代B1/B2加GPSL1/L2)監測型接收機在長河壩水電工程工地進行測試。該接收機可以同時跟蹤GPS衛星和北斗衛星。

長河壩水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，是大渡河流域水電梯級近期開發的大型水電工程之一。該水電站壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高 240m，裝機容量 2600MW［1］。電站地處高山峽谷之間，其工程邊坡高差很大，大多數在100m以上，在谷底、高邊坡區域等部位無法正常使用GPS定位。

2 實地測試

為了較為準確地了解長河壩水電站工區雙星系統接收機衛星接收情況，我們選取了幾處具有代表性的測點進行測試。測試點選于山腳或懸崖底部等衛星遮擋較為嚴重的地方。測試分2012年8月25日上午、下午以及26日上午三個時段進行，每時段測試保證同步連續觀測時間達到2個h。測試點位分布及其條件見圖1～4。

圖1 1號測試點位置圖

1號測試點位于懸崖底部隧道口。8月25日上午，北斗衛星始終保持4～5顆且連續跟蹤，而GPS僅有2顆為連續跟蹤;8月25日下午，北斗衛星有5顆，GPS有2顆是連續的;8月26日上午，北斗衛星有4顆連續跟蹤，而GPS僅有2顆為連續跟蹤。從以上衛星接收情況看，單純的GPS數據是無法解算的，而北斗衛星和GPS雙星連續觀測衛星最少的數量為6顆，因此完全可以解算。

圖2 2號測試點位置圖

2號測試點位于半山坡，視野較為開闊。8月25日上午，北斗衛星連續跟蹤5顆且總衛星數最少時為11顆;8月25日下午，北斗衛星最少時為4顆，總衛星數最少時為8顆;8月26日上午，北斗衛星連續跟蹤為6顆，且總衛星數最少時為11顆。顯然，衛星情況很好，該點在三個時段均可解算出有效觀測值。

3號測試點位于懸崖底部上游圍堰頂。8月25日上午，衛星最少時為8顆，其中北斗衛星連續跟蹤為4顆;8月25日下午，衛星最少時為5顆，其中北斗衛星為3顆，GPS為2顆;8月26日上午，衛星最少時為8顆，其中有4顆北斗衛星處于連續跟蹤狀態。

圖3 3號測試點位置圖

圖4 4號測試點位置圖

4號測試點位于初期導流洞進口近乎直立邊坡坡腳處，周圍遮擋非常嚴重，單衛星系統接收機幾乎無法使用。8月25日上午，有效時段的衛星為4～6顆，其中北斗衛星占一半;8月25日下午，衛星總數僅為3～4顆，有時會到6顆，但衛星信號斷斷續續，質量非常差;8月26日上午，在有效時段內衛星總數可以達到6顆，其中北斗、GPS衛星各3顆，雙星系統可以定位。由此可見，在地形條件很差的點位處，若采用北斗、GPS雙星系統接收機，仍可實現較為準確的定位。

如果修定1號測試點坐標并作為已知數據求解2號、3號、4號測試點在三個不同時段的坐標，取各測點三個時段坐標的平均值與相應點各時段的坐標進行比較，結果見表1。

從表1中的數據可以看出，4號點由于衛星遮擋嚴重，效果相對較差，其高程偏差達1.5cm。該點在單衛星系統條件下無法定位，而雙星系統可以找到有效、可靠的觀測時段，其平面點位精度很好。其他各測試點觀測效果較好，各時段的坐標差值較小。

如果將2號、3號點平面和高程坐標(三等施工控制點)作為已知數據進行約束平差計算，其結果與1號點已知坐標(三等施工控制點)比較情況見表2(4號點在測試中因標墩問題無法精確對中，在此不參與對比)。

從表2可以看出，雙星系統接收機所測數據與已知點坐標平面相差約0.7～7.9mm，高程相差1.5 ～8.5mm，觀測精度較好。

表1 長河壩水電站北斗、GPS雙星系統測試結果對比表

表2 約束平差成果與已知點比較表

可見，北斗衛星定位系統或GPS衛星定位系統在長河壩水電站工區部分條件很差的部位(如4號測試點位)是無法實現定位的，但當兩種系統聯合定位時，觀測衛星數量幾乎增加了一倍，故完全能夠定位。

3 結語

從此次觀測數據看，由于北斗衛星的高度角較高，北斗衛星的信號跟蹤相對連續，而GPS衛星由于大部分高度角較低，受山體的遮擋較嚴重，信號跟蹤不是很穩定。對于單GPS衛星系統來說，每天不同時段的衛星數量不同，正常為5～9顆左右(可通過星歷預報查看)，有的時段本身GPS衛星為4～5顆，若有遮擋時將直接減少一半，僅剩1～3顆，將無法定位。而GPS加北斗衛星數量可以達到2+3或者3+2，從而能夠實現高精度聯合定位。實際效果證實:北斗加GPS雙星四頻(北斗B1B2兩頻、GPSL1L2兩頻)接收的效果明顯要好于單GPS雙頻效果，對于測點環境要求也降低了很多，更適用于山谷、山底或遮擋比較嚴重的部位觀測。

隨著我國北斗衛星系統的不斷組網，衛星數量的增多，北斗加GPS使用效果將大大提升，可靠性和穩定性將更強。因此，采用雙星系統接收機，使得在高山地區使用定位系統完成測繪任務成為現實，如在RTK地形測繪、施工放樣、控制網點建設、建立像控點以及邊坡自動化安全監測等方面廣泛應用，在水電工程高山地區具有廣闊的應用前景。