基于廣播星歷的BDS與GPS在大壩變形監測中的數據分析

羅江

(新疆水利水電勘測設計研究院 測繪工程院，新疆 昌吉 831100)

1 引 言

GNSS技術自應用到測繪行業以來，相較傳統的邊角測繪技術手段，GNSS因其眾多優點，得到了充分廣泛的應用。尤其是高效率不受天氣影響，自動化全天候觀測的優點，在大壩變形監測中已得到普及應用。

當前基于BDS系統的變形監測多是基于精密星歷。隨著當前北斗三號全球衛星導航系統建成開通，廣泛而快捷的基于廣播星歷的BDS定位技術能否應用于變形監測，精度能否得到保證是值得進行深入探討的問題。文章通過對比GPS靜態定位，對基于廣播星歷的BDS靜態定位技術用于大壩變形監測的觀測數據進行深入分析研究，對其可行性進行了評價。

2 項目概況

新疆某水庫大壩為平原水庫，大壩為黏土心墻土石壩。根據工作要求，該水庫大壩須按規范規定監測頻次進行大壩位移監測。2019年9月完成了監測控制點建造的土建工作，2019年11月19日開始測量。根據工程規模等級以及水工建筑物級別變形監測技術方案，水平位移監測使用GNSS網觀測法[1]，觀測等級為三等，重復設站次數不少于1.6次，每時段同步觀測時間不小于 60 min[2]，接收機采樣間隔設置為 15 s，衛星截止高度角15°。GNSS網形圖如圖1所示。

圖1 GNSS網形圖

GNSS網共由13個網點組成，其中大壩10個變形監測點，壩外下游布置3個水平位移監測基準點。正式觀測前，使用Trimble公司Terrasat GmbH開發的GNSSPlanningOnline(http：//www.gnssplanningonline.com)Web程序做好時段觀測計劃，衛星可見數如圖2所示。

圖2 衛星可見數

由圖2可知，8：00～20：00期間，下午14：10衛星可見數最少(14顆)，DOP值最大(4.34，規范要求不大于6.0)。16：10時刻的衛星天空圖如圖3所示。

由圖3可知，DOP值最大的相同時間，衛星分布布滿4個象限，滿足規范要求(至少分布三個象限)，綜合衛星可見數及衛星天空分布情況，測區白天全部時間可以進行GNSS靜態定位測量。

圖3 BDS衛星天空圖(2019-11-18 16：10)

GNSS接收機使用Trimble NetR9s(4臺)同時采集GPS、BDS衛星定位數據，共觀測10個時段，獲得48條基線數據。基線解算使用Trimble公司商用軟件“Trimble Business Center 5.0”，獲得的基線向量使用武漢大學開發的“CosaGPS”軟件進行網平差、環閉合差計算。

3 數據處理與分析

3.1 基線解算

該項目使用的BDS廣播星歷文件由接收機接收定位數據得到，若接收機不支持也可以從IGS數據中心(ftp：//cddis.gsfc.nasa.gov/pub/gps/data/campaign/mgex/daily/rinex3/)下載。

基線采用相同的解算策略：①使用相同的基線解算軟件——Trimble Business Center 5.0；②都采用廣播星歷；③衛星截止高度角都為15°；④相同的歷元間隔15s；⑤都采用固定解結果。解算精度情況對比如圖4、圖5所示，環閉合差對比情況如圖6、圖7所示。

圖4 水平精度

圖5 垂直精度

圖6 同步環精度對比分析

圖7 異步環精度對比分析

從圖4、圖5可知，GPS基線解算精度略優于BDS，總體而言解算精度大致相當。

該GNSS網共有28個同步環，由圖6可知，除個別三邊環以外，BDS和GPS兩者的其他同步環總體吻合，同步環精度處于同一精度水平。異步環精度對比如圖7所示。

該GNSS網共有126個同步環，由于數量較多，以異步環的全長閉合差對作為對象進行比對，如圖7所示，BDS和GPS兩者的三邊異步環總體吻合，同步環精度處于同一精度水平。

3.2 監測控制網平差

(1)三維平差

基于WGS-84坐標系，設置相同的參數，分別使用GPS、BDS基線向量進行三維向量網平差，對平差結果中的三維基線向量改正數進行比較。

從圖8、圖9和圖10可知，X分量改正數吻合較好，Y分量和Z分量總體能吻合，但有較小的分離，BDS基線向量改正數相較GPS略大，都處于同一精度水平。

圖8 X分量

圖9 Y分量

圖10 Z分量

由圖11可知，基于GPS、BDS的基線三維向量網平差，從點位中誤差來看，GPS精度最優，除監測點Q07以外，BDS點位中誤差絕對值均小于GPS點位中誤差絕對值的2倍，規范中對三維點位中誤差沒有做要求，此項參數作為衡量兩種方法的參考指標。

圖11 點位中誤差(三維空間直角坐標XYZ)

(2)二維平差

為解決投影長度變形，坐標系使用基于1980西安坐標系的相對獨立坐標系，因為是首次建網觀測，無多期復測資料，基準點不做穩定性分析[3]。水平位移監測基準點(J1～J3)聯測國家控制點，平差時進行中央子午線變換和投影高程面變換，得到其相對獨立坐標系高斯平面直角坐標，在GNSS監測網中，J1～J3作為已知點約束平差，設置相同的參數，分別使用GPS和BDS基線向量進行二維約束平差，對平差結果中的二維基線向量改正數進行比較，結果如下：

從圖12和圖13，可知GPS與BDS基線向量改正數吻合情況良好，除個別基線以外，兩者差值在 1 mm以內，兩者精度水平一致。

圖12 X分量改正數

圖13 Y分量改正數

由圖14可知，除監測點Q02和Q07以外，其他監測點GPS與BDS兩者基本一致，Q02(差值 ±0.1 mm)和Q07(差值 ±0.2 mm)這兩個點，可近似相等，總體來看兩者處于同一精度水平。

圖14 點位中誤差(高斯平面直角坐標)

(3)坐標較差

使用BDS和GPS數據源進行數據處理并網平差，得到最終使用的高斯平面直角坐標，坐標比較結果如表1所示。

坐標比較 表1

GNSS網觀測法在變形監測數據分析中使用坐標分析法[4]，即進行網平差，計算點的坐標。該項目為首次觀測，不做位移數據分析。由表1可知，除Q01、Q03和Q06三個點外，其余各點不論是坐標分量較差還是點位較差，較差差值均小于 ±1.0 mm，即小于規范對變形監測點精度要求的 ±3.0 mm[5]的1/3，根據誤差傳播定律忽略不計原則，即該變形監測網基于BDS和GPS的坐標成果中有70%的點成果視為一致，從坐標較差中誤差結果來看，x坐標分量較差中誤差(±0.60 mm)和y坐標分量較差中誤差(±0.47 mm)均小于變形監測點精度要求的 ±3.0 mm的1/3，也從另一方面說明基于BDS和GPS的坐標成果可視為一致。

4 結 語

通過前文的分析表明，不論是基線解算、環閉合差、還是基線向量改正數以及點位中誤差和坐標較差比對分析，都說明基于廣播星歷的BDS計算結果和精度都與GPS保持一致。完全可以滿足變形監測控制網高靈敏度和高精度的要求，及土石壩安全監測技術規范對監測點點位中誤差的要求( ±3.0 mm)。當前儀器設備廠商出產的接收機都是多源GNSS接收機，BDS與GPS數據相互驗證，增強監測數據結構的可靠性。