北斗與其他星座在GNSS變形監控系統中的數據對比分析

高紹偉，李長青，鄭 闊，姜 晶，叢嘉志

(1. 北京工業職業技術學院，北京 100042； 2. 上海華測導航技術有限公司，上海 201702)

北斗與其他星座在GNSS變形監控系統中的數據對比分析

高紹偉1，李長青1，鄭 闊1，姜 晶1，叢嘉志2

(1. 北京工業職業技術學院，北京 100042； 2. 上海華測導航技術有限公司，上海 201702)

以某露天煤礦排土場邊坡GNSS變形監測項目為例，在設計變形監測系統的基礎上，利用華測HCMonitor變形監測系統專用軟件，對監測數據采用不同衛星監測系統數據進行了組合定位，分析和對比了解算數據，探討了北斗衛星導航系統(BDS)的應用效果并提出了合理的建議。

監測系統；組合定位；解算數據

全球衛星導航定位系統(global navigation satellite system,GNSS)，目前泛指美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐盟的Galileo及中國的BDS。目前建立的GNSS變形監控在線實時分析系統廣泛應用于大壩、大型橋梁、高層建(構)筑物、滑坡和地區性地殼變形監測。如我國在青江隔河巖大壩建立的GPS自動化變形監測系統，由數據采集、數據傳輸、數據處理與分析3大部分組成。實踐證明，采用一機多天線GPS系統，不僅可大大節省硬件設備費用的投入，而且能夠有效地應用于滑坡和大壩等局部變形監測[1]。為此研究建立技術先進而又實用的GNSS變形監控在線實時分析系統是一個重要的發展趨勢。然而，由于美國的GPS政策，出于保護美國信息安全的需要，美國軍方對GPS發布的民用信號所進行的不定期短暫干擾而經常出現RTK失鎖現象，大大降低了測量精度，并導致可能會出現在某個關鍵時刻(如臺風、地震、船撞等)監測不到數據的現象[2]。而GLONASS系統采用頻分多址的方式調制衛星信號，不同衛星的頻率不同，這給模糊度的固定造成了一定困難[3-4]。

基于上述GPS和GLONASS系統的缺陷，文獻[5]利用GPS/GLONASS組合定位驗證了上述方法在變形監測中的有效性。本文在分析監測系統各種誤差的基礎上，出于對項目和對數據的保密性，以某露天煤礦排土場邊坡GNSS變形監測項目為例，在設計變形監測系統的基礎上，利用華測HCMonitor變形監測系統專用軟件，對監測數據采用不同衛星監測系統數據進行組合定位，分析和對比解算數據，探討北斗衛星導航系統(BDS)的應用效果并提出合理的建議。

1 北斗監測系統工作原理

1.1 北斗衛星導航系統定位原理

BDS是中國正在實施的自主發展、獨立運行的全球衛星導航系統。目前的衛星定位系統在進行定位測量時，不論是測碼偽距絕對定位還是測相偽距絕對定位，由于衛星星歷誤差、接收機鐘與衛星鐘同步差、大氣折射誤差等各種誤差的影響，導致定位精度較低。

相對定位是用兩臺GPS接收機，分別安置在基線的兩端，同步觀測相同的GPS衛星，通過兩測站同步采集GPS數據，經過數據處理以確定基線兩端點的相對位置或基線向量,故相對定位有時也稱為基線測量。這種方法可以推廣到多臺GPS接收機安置在若干條基線的端點，通過同步觀測相同的GPS衛星，以確定多條基線向量。相對定位中，需要在多個測站中至少以一個測站的坐標值作為基準，利用觀測出的基線向量，去求解出其他各站點的坐標值。

1.2 變形監測點的數據處理

目前變形監測的基線向量解算模式可分為獨立解算模式和相關解算模式。

1.2.1 獨立解算模式

獨立解算模式對基線進行逐條解算，每次解算僅包含一條基線向量結果。換言之，一次僅提取基準點和一個測點的同步觀測數據，并通過站星際雙差模型求解它們之間形成的基線向量。當某時段進行了多個測點同步觀測，而需要求解多條基準-測點基線向量時，則需要將基準點與各個測點分別形成雙差模型，獨立解算各基線向量。然而，解算的結果無法反映同步觀測基線向量間的統計相關性。另外，單個基線向量獨立求解，無法利用待定參數的關聯性與觀測數據的共享性。其優點是：平差數學模型簡單、估計參數較少、數據處理響應速度快。因此，在工程實踐中，普遍采用獨立解算模式，絕大多數商業軟件也采用該模式進行基線解算。

1.2.2 相關解算模式

相關解算模式對獨立基線進行逐時段解算，每解算包含n條基線向量的結果。換言之，一次提取基準點和n個測點的同步觀測數據、解算過程中，求解出n條相互函數獨立的基線向量。且可反映同步基線向量之間的統計相關性。但是，相關解算模式的平差數學模型及解算過程交復雜，數據處理響應速度較慢。因此，僅在高精度應用中采用相關解算模式，絕大多數科學軟件也采用該模式進行基線解算[6]。

2 邊坡監測系統的監測體系設計

根據某露天采礦場和排土場邊坡穩定性現狀及未來采礦工程發展需要，在礦山南部采區和西部采區重點部位，建立邊坡自動監測與預警系統，對邊坡變形動態進行監測。系統包括參考站1個、連續監測站18個、系統制軟件1套。

邊坡監測系統由傳感器系統單元、數據通信單元、數據處理與控制單元(HCmonitor軟件部分、HCmas平臺軟件)、避雷系統、預警系統等各個分部組成，如圖1所示。

圖1 GNSS變形監測系統總體框架

3 BDS監測數據精度驗證

出于項目保密需要，使用數據受限，項目選取參考站1個(GP02)、監測站2個(GP01、GP03)，課題組根據2015年5月10日至2015年6月13日(15天)的監測數據分別提取了GPS、GPS+GLONASS和BDS三組衛星定位數據。以5月10日作為起始數據，利用HCmonitor軟件每天按5個時段(2 h)，分別解算出每個時段的空間三個坐標方向的相對累計變化量，同時計算出每天的平均累計變化量。最后利用Excel軟件畫出三坐標軸方向的變化折線圖(如圖2—圖4所示)。

圖2

圖3

空間位置定位結果的精度取決于衛星空間分布，即其空間定位的圖形精度GDOP因子。在不考慮BDS系統的前提下，從衛星定位的原理分析，一般認為GPS+GLONASS雙系統的監測結果為最佳的可靠成果。結合圖2(a)、(b)X軸方向的變化情況分析可以看出，對比BDS系統、GPS系統和GPS+GLONASS雙系統的監測數據解算結果，點的位移變化趨勢一致。最大的位移量為GPS系統，最小的位移量為BDS系統，GPS+GLONASS雙系統的監測結果位于上述兩單系統的中間。BDS系統X軸方向位移監測數據值比GPS系統、GPS+GLONASS雙系統的監測結果均偏小。通過對為期15天的監測數據分析，BDS系統和GPS+GLONASS雙系統最大差值GPS01點僅為1.8 mm，GPS03點僅為3.6 mm。

Y軸方向的變化情況如圖3(a)、(b)所示，最大的位移量為GPS系統，最小的位移量為GPS+GLONASS雙系統，BDS系統的監測結果位于上述兩系統的中間。BDS系統的監測結果比GPS系統偏小，比GPS+GLONASS雙系統偏大。BDS系統與GPS+GLONASS雙系統最大差值GPS01點僅為1.3 mm；GPS03點僅為1.4 mm。

Z軸方向的變化情況如圖4(a)、(b)所示，BDS系統的監測結果出現的情況隨點的位置不同而不同，沒有規律可言。但BDS系統的監測結果和GPS+GLONASS雙系統監測結果差值不大。BDS和GPS+GLONASS雙系統最大差值GPS01點僅為3.3 mm；GPS03點僅為2.7 mm。

4 結 論

(1) BDS系統X軸方向位移監測數據值比GPS系統、GPS+GLONASS雙系統的監測結果均偏??；BDS系統Y軸方向位移的監測結果位于GPS系統結和GPS+GLONASS雙系統的監測結果中間，BDS的監測數結果比GPS系統結果偏小、比GPS+GLONASS雙系統的監測結果偏大；BDS系統Z軸方向位移變化情況，隨點的位置不同而不同，沒有規律可言。但BDS系統的監測結果和GPS+GLONASS雙系統監測結果差值不大。

(2) 目前，BDS系統只覆蓋亞太地區，一旦衛星的數量達到全球覆蓋，北斗系統完全可以取代GPS系統和GLONASS系統。

(3) 研制BDS接收機產品的費用比三星系統的費用成本要低，從而用于監測的成本和總費用隨之也下降，使衛星定位監測技術到達普及。

(4) 開發更加嚴密的BDS系統的解算軟件，以便消除衛星定位測量的各項誤差，從而提高變形監測的精度。

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BeiDou with Other Constellations in GNSS Data Comparison and Analysis of Deformation Monitoring System

GAO Shaowei1，LI Changqing1，ZHENG Kuo1，JIANG Jing1，CONG Jiazhi2

(1. Beijing Polytechnic College, Beijing 100042, China; 2. Shanghai China Navigation Technology Co., Ltd., Shanghai 201702, China)

Taking an opencast coal mine dump slope GNSS deformation monitoring project as an example, based on the design of deformation monitoring system, using special software Huace HCMonitor deformation monitoring system, different satellite positioning data monitoring system is combined. Monitoring data are analyzed and compared. The application effect of the BeiDou Satellite Navigation System (BDS) is discussed and reasonable suggestions are put forward.

monitoring system; combination positioning; computed data

高紹偉，李長青，鄭闊,等.北斗與其他星座在GNSS變形監控系統中的數據對比分析[J].測繪通報，2017(4)：21-24.

10.13474/j.cnki.11-2246.2017.0112.

2016-09-07

2014年北京工業職業技術學院重點課題項目(bgzyky201411)

高紹偉(1962—)，男，碩士，教授，主要從事衛星定位測量和變形監測技術應用等工作。E-mail：gaoshaoweiGSW@163.com

P228

A

0494-0911(2017)04-0021-04