BDS在某大壩外部變形監測系統中的運行狀態研究

劉 恒， 柯 虎， 江 德 軍， 郭 家 成， 熊 敏

(國能大渡河流域水電開發有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在變形監測領域，過去主要利用大地測量的方法進行測量。大地測量方法精度和可靠性較高，使用范圍較廣，同時，也存在著效率低、受環境制約大、自動化率低等不足。隨著空間測量技術不斷發展，特別是全球衛星導航系統(GNSS)技術的出現，為變形監測相關領域開啟了全新思路。北斗導航技術的研發，在工程測繪方面的應用，能夠有效地節省測繪所需的時間以及各種成本，為測量效率的提升做出了巨大貢獻[1]。

水電行業十分重視水庫大壩的安全監測工作，目前，國內大壩外部變形自動化監測主要采用的是全球定位系統(GPS)的GNSS變形監測系統。由于GPS是由美國國防部研制和管理，利用GPS技術進行監測存在較大的安全隱患。北斗精密定位系統是我國自主研發的定位系統，在大地測量、地殼形變監測、精密工程測量等領域得到了廣泛的應用[2]。北斗位移監測具有自動化程度高、布設靈活、受地形影響較小、可全天候穩定工作的優點[3]。根據在某電站大壩進行的基于北斗高精度水電站工程安全監測系統建設項目，探究利用BDS變形監測系統實現對GPS變形監測系統在現場適用性方面進行替代的可能性。

1 BDS監測系統

1.1 BDS簡況

BDS是北斗衛星導航系統的簡稱，是我國自主建設運行的全球衛星導航系統(GNSS)，BDS提供全天候、全天時、高精度的定位、導航和授時服務。隨著北斗系統的逐步完善，為突破高精度核心技術，我國大批企業進軍北斗、GPS、GLONASS等多系統集成的高精度芯片、板卡研發制造領域，迎來了北斗用戶終端設備的快速發展[4]。

1.2 研究目標

本項目選擇某水電站大壩為研究應用場景，采用北斗高精度定位監測技術，研發全國產的北斗安全監測平臺并進行布置，與原有徠卡GNSS變形監測系統進行同點監測，可對徠卡GPS設備與國產北斗設備進行數據對比分析，進一步驗證基于北斗衛星開展工程安全監測的可行性以及在流域性電站進行全方位推廣的可能性。

1.3 研究內容

基于大壩安全監測的監測終端、扼流圈天線、高精度監測模塊進行的北監控數據實時采集對比分析BDS和GPS數據成果，論證BDS變形監測系統數據可靠性及設備穩定性，并簡要分析，測量精度應優于相關規范精度指標要求。

2 系統設計及設備選型

2.1 系統設計原則

2.1.1 信息安全原則

采用北斗衛星導航系統，采用國產化模塊、組件、系統，增強系統的可靠性，保障關鍵坐標信息、數據通訊安全。

2.1.2 高性價比原則

作為水庫大壩安全監測基礎設施，服務企業需要安全監測的同時，也應兼顧社會責任的履行，尤其是在流域大規模應用中，需要進行成本考量，同時也應滿足測量精度要求。

2.1.3 兼容并包原則

本系統應用企業現有軟硬件平臺實現相互兼容、數據互通，互為支撐。

2.2 系統設備選型

2.2.1 接收天線

接收天線主要實現的是將空間電磁波傳輸的信號轉換為電信號，必須滿足具有較寬的波束，能夠實現衛星跟蹤，具有較強的增益，噪聲系數小，并能在一定程度上與原有GNSS監測系統實現設備共用等要求。為抑制多路徑效應，全部采用扼流圈天線。所謂多路徑效應，是指在GNSS測量中，衛星接收機不僅直接收到GNSS衛星信號，還會接收到被周圍環境中反射物反射的衛星信號，反射信號與直達接收機天線的直達信號產生干涉使真值發生偏移，多路徑效應會帶來較大的測量誤差[5]。

2.2.2 接收機

BDS接收機是實現北斗衛星定位導航的硬件載體，其主要包括天線輸出信號的變頻、ADC采樣、信號處理與信息處理等功能。本項目選用能夠獲取連續、穩定、低噪聲的高質量觀測量的能夠避免電路噪聲過大的BDS高精度接收機。

2.2.3 電源

為實現不同工作環境下設備的布設，設備電源采用市電與太陽能板+蓄電池兩種模式進行供電。本項目根據現場情況，對于現場已經牽引有城市電源的測點使用城市電源對設備進行供電，對于部分位于野外且供電不方便的測點采用太陽能板+蓄電池的供電模式。

2.2.4 軟件

BDS實時結算軟件應具備數據接收、數據處理和數據管理功能，系統基本架構見圖1。

圖1 系統基本架構

2.2.4.1 數據接收

主要負責接收外業的各個監測站點傳回中心服務器的BDS數據和狀態數據，并進行數據分析、初次加工并存檔入庫，為數據處理做準備。

2.2.4.2 數據解算

BDS實時解算軟件的核心單元，主要完成數據解算和結果輸出等功能。利用相對差分解算進行高精度的定位，并將結果進行輸出。

2.2.4.3 數據管理

主要由結果數據保存、修改、刪除、原始文件查詢和結果文件查詢等功能組成，包含數據報表輸出、入庫、數據壓縮以及數據庫管理。

2.3 設備野外保護

在安裝天線及接收機時，為天線安裝保護罩，為電源及接收機安裝防水電源箱及測點箱，有效地將信號接收設備、數據采集設備、供電設備分區運行，同時也解決了防盜、防雷、防水等問題。

3 系統建設及運行

3.1 測點部署

通過現場實地踏勘，綜合考慮大壩監測需要、接收衛星信號條件、供電情況等，確定了1個基準點(TN02)和5個觀測點(TP13、TP21、TP32、T19、TB02)的安裝位置(圖2)。

圖2 安裝位置布置圖

3.2 設備安裝

現場測點部署，采用共用接收天線、同點加裝固定支架、單獨架設共計3種方式。

3.2.1 共用接收天線

TP13采用功分器共用原GPS接收天線的方式進行安裝。

3.2.2 同點加裝天線固定支架

TP21、TP32、TN02、T19采用在原測點上增設天線固定支架的方式進行安裝。

3.2.3 單獨架設

TB02無GPS監測設備，采用重新澆筑水泥基墩，安裝北斗接收天線的方式進行安裝。

3.3 解算成果對比分析

3.3.1 解算成果數據說明

BDS：自運行開始以來，現場設備衛星數據接收、發送連續正常，解算服務器實時解算，解算程序每小時輸出一個數據成果，能在監測管理平臺上正常展示。因數據量較大，不便于展示，本次對比分析采用每天0時后第一次成果。

GPS：徠卡GPS解算結果取T19、TP13、TP21、TP32四個監測點1 h和24 h成果數據。其中，24 h數據采用輸出成果，1 h數據采用每天0時后第一次成果。

3.3.2 成果對比分析

圖3～8中，正方形標記代表徠卡GPS24 h解算成果，圓形標記代表徠卡GPS1 h解算成果，三角形代表北斗1 h解算成果。

圖3 T19東方向位移數據

圖4 T19北方向位移數據

圖5 T19垂直方向位移數據

圖6 TP13東方向位移數據

圖7 TP13北方向位移數據

圖8 TP13垂直方向位移數據

通過監測成果的對比分析，T19監測點BDS解算成果和徠卡GPS解算成果的變形趨勢和變形量基本一致，BDS解算成果的穩定性優于徠卡GPS解算成果，BDS解算成果整體優于GPS解算成果。

3.3.2.1 T19監測數據對比

3.3.2.2 TP13監測數據對比

通過監測成果的對比分析，TP13監測點BDS解算成果和徠卡GPS解算成果的變形趨勢和變形量基本一致，BDS解算成果的穩定性優于徠卡GPS解算的1 h成果，徠卡GPS解算的1 h成果差異較大，BDS解算成果在水平和垂直方向上的穩定性和徠卡GPS解算24 h成果基本相同。

3.3.3 BDS/GPS搜星對比分析

由于壩體位于深山峽谷中，大壩監測點搜星條件較差。北斗衛星的搜星優勢比較明顯，監測點GPS衛星搜星數量長時間在5～6顆，北斗衛星的搜星數量可以穩定在10顆以上，同一時刻不同點位搜星情況對比見表1。

表1 同一時刻不同點位搜星情況對比

4 結 語

在變形監測領域，人工監測所受制約較多，數據采集及時性和連續性較差，GNSS的出現，提高了監測效率、降低了成本。目前，國內GNSS變形監測系統主要以GPS為基礎，隨著BDS的建成，給予國產變形監測系統的發展空間。大渡河庫壩中心結合工程實際項目，建成了基于北斗高精度水電站工程安全監測系統，通過與GPS變形監測系統數據進行對比，BDS在某大壩外部變形監測系統中的運行主要實現了如下目標：

(1)基于BDS的高精度算法，現場實測測量精度優于徠卡GPS變形監測系統；

(2)實現了數據自動采集、數據自動解算、數據互通等目的；

(3)在高山峽谷地區，實現了更穩定的搜星質量及更多的搜星數量，更有利于在搜星條件較差地區的應用推廣；

(4)整套BDS變形監測系統，實現了從軟件到硬件的國產化且設備成本遠低于國外進口設備，為大規模進行推廣提供了基本條件。