GNSS系統在黃金峽壩肩邊坡變形監測中的應用

摘 要：對黃金峽水利樞紐壩肩邊坡GNSS自動化變形監測系統的設備選型、參考站選址、通信方式等進行了分析總結。在吸收借鑒國內同類工程運用GNSS系統的經驗和相關研究成果的基礎上，該系統采用GPS/BDS/Glonass多星數據混合解算、雙基線平差等方法，使邊坡監測站在觀星截止高度角較大的情況下觀測精度滿足規范對一級邊坡變形監測的精度要求。通過實施GNSS自動化變形監測系統，可以及時掌握邊坡的變形規律，預測邊坡及滑坡可能變化的范圍及變化趨勢，并能夠及時采取相應的處理措施，為黃金峽水利樞紐施工期安全生產提供技術保障和依據。

關鍵詞：GNSS;變形監測;自動化監測;黃金峽水利樞紐

中圖分類號：TV221文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.024

引用格式：李治洪.GNSS系統在黃金峽壩肩邊坡變形監測中的應用[J].人民黃河，2021，43（1）：125-128.

Application of the Automatic GNSS Deformation Monitoring System in Huangjinxia Hydro Junction Project

LI Zhihong

（Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710100， China）

Abstract：This paper analyzed and summarized the equipment selection， reference station location and communication scheme of GNSS deformation monitoring automation system of Huangjinxia Hydro Junction project. It pointed out that on the basis of absorbing the experience and relevant research of GNSS system of similar projects in China， the system adopted GPS/BDS /GLONASS multi satellite data hybrid solution and double baseline adjustment to make the slope monitoring station watch the stars when the cut-off angle is large， the observation accuracy can meet the accuracy requirements of the specification for the first grade slope. Through the implementation of GNSS deformation monitoring automation system， we can timely grasp the deformation law of slope， predict the possible change range and trend of slope and landslide and take corresponding treatment measures in time， so as to provide technical guarantee and basis for the safety production of Huangjinxia Hydro Junction Project during the construction period.

Key words： GNSS; deformation monitoring; automated monitoring; Huangjinxia Hydro Junction Project

1 引 言

全球導航衛星系統（Global Navigation Satellite System，簡稱GNSS）泛指所有的衛星導航系統，目前主要包括美國的GPS、俄羅斯的Glonass、中國的北斗系統、歐洲的Galileo等。自1978年美國發射了GPS系統第一顆試驗衛星至今的幾十年時間里，GNSS系統已經在大地測量、地球物理勘探、地球動力學、工程測量等領域得到了廣泛的應用[1]。

經過幾十年的應用和發展，目前GNSS測量基線的精度已經由過去的10-6～10-7提高到10-8～10-9，靜態相對定位精度提高到了毫米級甚至亞毫米級，尤其是高程精度也達到了毫米級。精度的提高，使得GNSS足以勝任工程變形監測的要求[2]。與常規測量方法相比，利用GNSS進行工程變形監測具有以下主要優點：①不受氣象條件限制，無懼風、雨、霧的影響，可真正實現全天候工作;②監測點、基準點等無須通視;③能直接測量監測點的三維坐標值;④各監測點同步測量;⑤易于實現自動化測量。GNSS的優越性克服了傳統變形監測方法的眾多缺陷，隨著北斗系統的投入使用，在我國任一地區可搜索到的全球定位衛星數量大幅增加，其測量精度大大提高，因此在工程變形監測領域得到了越來越多的應用。

國內外對GNSS系統在水利水電工程變形監測方面的應用進行了大量嘗試。如：美國陸軍工程師協會和Condor公司于2002年2月在蒙大拿州西北的Libby水電站大壩上安裝了一套3D trackter實時GPS監測系統[3]，該監測系統包括布置在大壩壩頂的6個測點和2個GPS基準點，GPS實時觀測得到的數據在水平方向和垂直方向的精度為2～4 mm，24 h觀測精度為1～2 mm。在我國比較有代表性的是清江隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監測系統，該系統由2個參考站和5個監測點組成，1998年開始運行，其6 h解算數據水平方向精度為0.5 mm，高程方向精度為1.0 mm，精度可以滿足大壩監測需要[4]。

基于以上認識，在兩岸邊坡各設置了一個參考站，距離監測點最遠距離不超過1.1 km，最近距離約300 m。兩個參考站均設置在接近山頂位置，四周高度角在15°以下，觀測墩高4 m，周邊環境無樹木、大型建筑物等遮擋，并遠離高壓線等強電磁干擾。參考站HJX01衛星星空示意見圖1（其中：GLO為俄羅斯的格洛納斯系統，BDS為我國的北斗系統，GAL為歐洲的伽利略系統）HJX01可接收到24顆衛星的數據。

采用雙參考站方案的優點在于：一是雙參考站可以采用雙基線約束平差，能更有效地剔除含有粗差的數據，相比單參考站提高了數據精度;二是系統具有冗余性，若一個參考站無法工作，另一個參考站可以繼續提供解算基準，兩參考站互為備份;三是參考站之間可以互校，可及時校核參考站的穩定性，發現參考站引起的誤差。

2.4 通信方式選擇

采用光纜+無線網橋組合通信方式，邊坡上各個測點通過光纜接入網絡交換機，由無線網橋將數據發送到數控中心。

因左岸邊坡監測點較多，故在左岸邊坡615 m高程和519 m高程各設置了一個網絡交換機，各測點就近接入交換機中。兩交換機級聯，最終從519 m高程的交換機出線接入數控中心或通過無線網橋將數據發送到數控中心。

采用光纜通信所需要的設備較多，其連接關系為：衛星接收機→RS232轉網模塊→光纖收發器→光纖終端盒→光纜→光纖收發器→交換機。盡管敷設光纜的成本較高、難度較大，但光纜通信的優點是不受電磁干擾，一旦敷設完成，通信質量和可靠性較高。

除采用光纜通信方式外，還可以采用屏蔽雙絞線或網線通信、無線4G網絡通信等方式。采用雙絞線通信最大傳輸距離約為1 200 m，優點是所需設備少、成本低、敷設容易，缺點是抗干擾能力差;4G網絡通信的優點是部署簡單、無須布線、只在接收機中插入SIM卡而無須各種中間通信設備，缺點是可能出現4G網絡不通、每個測點都需要安裝物聯網SIM卡、每年向移動服務商繳費、服務器端要拉專線設置靜態IP地址等。

從GNSS靜態相對定位解算的精度要求來看，任何通信中斷、因干擾而造成的數據質量下降都會嚴重影響相應時段的解算精度，因此在有條件的情況下，應盡可能選擇光纜通信。

3 數據解算成果

目前系統設置了12 h數據每小時滾動解算、12 h數據解算、6 h數據解算等方式。已有觀測成果分析，6 h數據解算結果的水平方向中誤差在1 mm以下，垂直方向中誤差在1～3 mm之間，觀測截止高度角越小的測站垂直方向中誤差越小。部分觀測成果見圖2、圖3（dX、dY為水平方向位移增量，X為正北方向、Y為正東方向;dH為垂直方向位移增量）。

4 結 語

陜西省引漢濟渭工程黃金峽水利樞紐于2019年在兩岸壩肩邊坡布設了GNSS自動化變形監測系統，對設備選型、參考站選址、通信方案等進行分析表明，采用GNSS自動化變形監測系統，可以及時掌握邊坡的變形規律，預測邊坡及滑坡可能變化的范圍及變化趨勢，并能夠及時采取相應的處理措施，為黃金峽水利樞紐施工期安全生產提供技術保障和依據。

參考文獻：

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[2] 徐紹銓，張華海，楊志強，等.GNSS測量原理及應用[M].武漢：武漢大學出版社，2008：187.

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[5] 張偉，李陶，龔春龍，等.土石壩外觀GNSS高精度變形監測技術研究[C]//中國衛星導航系統管理辦公室學術交流中心.第七屆中國衛星導航學術年會論文集.北京：中國衛星導航系統管理辦公室學術交流中心，2016：5.

[6] 蒲亞坤，袁運斌，丁文武，等.GPS/BDS-2/Galileo混合雙差相對定位模型應用于短基線精密定位研究[J].大地測量與地球動力學，2020，40（1）：59-60.

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[9] 陽仁貴，柳培釗，劉根友.雙參考站單頻相位實時精密監測技術[J].導航定位學報，2015，3（3）：63-68.

【責任編輯 張華巖】