中緬油氣管道跨斷裂地震變形的GNSS 觀測1

鄭舒元 王建雄 崔建文

1）云南農(nóng)業(yè)大學(xué)水利學(xué)院, 昆明 650201

2）云南省高校農(nóng)業(yè)遙感與精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)工程研究中心, 昆明 650201

3）云南省地震局, 昆明 650224

引言

中緬油氣管道工程是我國重大能源戰(zhàn)略項(xiàng)目，全長1 726.8 km，其包括原油管道與天然氣管道。兩管道起自緬甸西海岸皎漂，經(jīng)云南省瑞麗市58 號界碑入境，在貴州安順市分離，天然氣管道向南經(jīng)貴陽市到達(dá)貴港市。管道沿線地質(zhì)背景復(fù)雜，地震活動強(qiáng)烈，穿越喜馬拉雅地震帶、滇西南地震帶、鮮水河滇東地震帶、右江地震帶和長江中游地震帶，歷史上曾發(fā)生過8 級地震1 次、7～7.9 級地震16 次、6～6.9 級地震65 次，對管道站址影響烈度最大達(dá)8 度以上。在云南境內(nèi)，有3 條曾發(fā)生過7 級和7 級以上地震的斷裂與管道相交，分別為龍陵-瑞麗斷裂、鳳儀-定西嶺斷裂、小江斷裂，在管線近場有18 條活動斷裂通過，這些斷裂具備發(fā)生強(qiáng)烈地表錯位的地震構(gòu)造條件（高涵等，2020），存在未來發(fā)生強(qiáng)震的可能，對管道安全營運(yùn)造成潛在威脅。

強(qiáng)烈地震對地下管道有破壞作用（Wang 等，1991），這種作用主要有2 種表現(xiàn)形式，即強(qiáng)烈振動引起的管道連接脫落和地面變形引起的管體變形破壞。1976 年河北唐山大地震的地震動和地表破裂對秦皇島至北京的輸油管道造成了多處變形、管體破損（王亮亮等，2003）；1985 年墨西哥地震的地震動造成了管線管體破碎與接頭脫落；2002 年美國阿拉斯加發(fā)生7.9 級地震，管道穿越的斷層破裂長達(dá)1 m 以上，但由于采取了特殊的抗震措施，避免了管道破裂（Hall 等，2003）；2016 年日本福岡7.3 級地震中，地下水管由于地震破裂而變形損壞，泄露的水損毀了地面道路（孟晨，2018）。為減輕地震對管道破壞造成的影響，多破壞性地震地區(qū)油氣管道工程重視管道的抗震措施，如在阿拉斯加油氣管道穿越斷層時，在管道下方采用了滑輪設(shè)計，為管道橫向和縱向移動保留了空間，避免了在2002 年7.9 級地震中受到損壞（郭守德等，2019）。此外，布設(shè)管道地震觀測系統(tǒng)，在破壞性地震發(fā)生后能夠快速判斷管道狀況，及時采取措施，這也是有效減輕油氣管道地震災(zāi)害的方法。在中緬油氣管道沿線建立地震觀測系統(tǒng)，當(dāng)管道沿線一定范圍內(nèi)發(fā)生破壞性地震時，對于觀測管道遭受的地震動強(qiáng)度及管道穿越的斷裂變形情況具有重要意義。

中緬油氣管道地震觀測系統(tǒng)由3 套子系統(tǒng)構(gòu)成，即觀測管道地震動強(qiáng)度的強(qiáng)震動觀測子系統(tǒng)、在管道與3 條斷層相交處觀測斷裂變形的GNSS（Global Navigation Satellite System）斷裂變形觀測子系統(tǒng)和觀測管道變形的光纖管道變形觀測子系統(tǒng)。本文主要介紹GNSS 斷裂變形觀測子系統(tǒng)。

GNSS 是高精度全球衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)，已大量應(yīng)用于建筑物沉降、區(qū)域性地貌變化、地殼變形觀測中（帥向華等，2011；李希亮等，2014；劉昌偉等，2019；李兆隆等，2019）。采用相對定位技術(shù)，GNSS 可獲得毫米級的定位精度，但需在觀測點(diǎn)一定距離外布設(shè)參考站，而精密單點(diǎn)定位（Precise Point Positioning，PPP）無須布設(shè)參考站，數(shù)據(jù)處理更方便（張小紅等，2015；鄒冠華，2018）。中緬油氣管道斷裂變形觀測子系統(tǒng)在管道穿越的斷裂兩側(cè)各布設(shè)1 臺GNSS 接收機(jī)，采用PPP 技術(shù)精確定位同一時刻斷裂兩側(cè)觀測點(diǎn)的位置，即可確定斷層兩側(cè)的相對位錯，再結(jié)合油氣管道容許變形，可估計穿越斷層管道可能的變形情況。利用已建成的2 條斷層GNSS 斷裂變形觀測子系統(tǒng)獲取的觀測數(shù)據(jù)，本文研究了跨斷層GNSS 觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量及觀測誤差，結(jié)果表明，本項(xiàng)目建立的GNSS 斷裂變形觀測子系統(tǒng)能夠有效觀測破壞性地震引起的斷層變形量。

1 GNSS 斷裂變形觀測方法及觀測系統(tǒng)設(shè)計

1.1 精密單點(diǎn)定位原理

精密單點(diǎn)定位算法采用雙頻相位和偽距觀測數(shù)據(jù)，利用國際GPS 服務(wù)組織（IGS）或其他分析中心發(fā)布的精密星歷和鐘差同時解算觀測站坐標(biāo)、鐘差和對流層延遲及模糊度參數(shù)，PPP 可利用單臺雙頻GPS 接收機(jī)的偽距和載波相位觀測值進(jìn)行精密絕對定位。

對于雙頻GNSS 接收機(jī)，PPP 的偽距和載波相位消電離層組合觀測方程可表示為：

式中，P、φ 分 別為消電離層的偽距和載波相位； ρ為 衛(wèi)星至接收機(jī)的幾何距離；δtr和δts分別為接收機(jī)和衛(wèi)星的鐘誤差，后者可利用精密衛(wèi)星鐘差產(chǎn)品消除；MW為 對流層濕分量投影函數(shù)； ξT為信號傳播方向的天頂對流層延遲； εP和 εφ為測量噪聲；λ為消電離層組合觀測值的波長；N為消電離層組合觀測值的浮點(diǎn)模糊度。

基于上述2 個觀測方程，綜合考慮衛(wèi)星端、接收機(jī)端及信號傳輸過程中有關(guān)誤差的影響，使用各種改正模型對定位過程改正發(fā)展的數(shù)據(jù)解算方法，可在4 顆以上衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)的情況下，獲取觀測的位置信息，其靜態(tài)定位精度可達(dá)厘米級，可滿足工程觀測的需要。

1.2 基于PPP 技術(shù)的斷裂位錯觀測方法

在斷裂兩盤各布設(shè)1 個GNSS 觀測點(diǎn)，利用PPP 技術(shù)確定同一時刻2 個觀測點(diǎn)的相對位置，在斷裂發(fā)生位錯的情況下，由2 個觀測點(diǎn)相對位置變化可確定斷裂的位錯量：

將位錯量分解到3 個空間坐標(biāo)方向上，可確定3 個方向的位錯量，有：

1.3 GNSS 斷裂位錯觀測系統(tǒng)設(shè)計及建設(shè)

1.3.1 觀測點(diǎn)選址

在云南境內(nèi)管道將穿越多條斷裂，根據(jù)地震地質(zhì)資料，選擇龍陵-瑞麗斷裂、鳳儀-定西嶺斷裂及小江斷裂西支作為斷裂位錯觀測對象。歷史上這3 條斷裂均發(fā)生過7 級以上的強(qiáng)震，仍存在再次發(fā)生7 級以上破壞性地震的可能。

為保證觀測結(jié)果能夠真實(shí)反映斷裂兩盤的位錯情況，觀測站址應(yīng)選擇在斷層兩盤堅固完整的基巖上，不受地表水土流失、滑坡等因素影響。站址場地應(yīng)開闊、無明顯遮擋物。經(jīng)實(shí)地考察，根據(jù)管道穿越斷裂處地形地貌、斷裂兩盤情況，3 個斷裂位錯GNSS 觀測子系統(tǒng)觀測點(diǎn)布設(shè)如圖1～圖3 所示。

圖1 龍陵-瑞麗跨斷層觀測系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 1 Layout of Longling-Ruili cross fault monitoring system

（1）鎮(zhèn)安觀測站

鎮(zhèn)安GNSS 觀測站距龍陵縣城17 km，距龍陵縣鎮(zhèn)安鎮(zhèn)5 km，位于龍陵-瑞麗斷裂上。龍陵-瑞麗斷裂經(jīng)龍陵、芒市、遮放、瑞麗盆地，延入緬甸中央盆地，全長約135 km，其北端與高黎貢斷裂呈弧形相接。1976 年5 月29 日，該斷裂曾發(fā)生7.3 級和7.4 級大地震。經(jīng)實(shí)地考察，選擇A、B點(diǎn)作為斷裂兩盤GNSS 觀測點(diǎn)場址，兩點(diǎn)間距159 m，如圖1 所示。

（2）定西嶺觀測站

彌渡定西嶺GNSS 觀測站位于彌渡縣紅巖鎮(zhèn)定西嶺，距彌渡紅巖鎮(zhèn)14 km，處在鳳儀-定西嶺斷裂上。鳳儀-定西嶺斷裂屬紅河大斷裂帶，紅河斷裂帶是青藏高原東緣1 條重要的大地構(gòu)造和活動塊體邊界，該斷裂及其周邊地區(qū)地震活動較強(qiáng)烈，1925 年曾發(fā)生鳳儀7 級地震。實(shí)地考察顯示，在管道與斷裂交匯處，斷裂分為2 支（圖2），為觀測交匯處斷裂的位錯，在被斷裂分割的3 個地塊上各選擇1 個GNSS 觀測點(diǎn)，構(gòu)成如圖2 所示的三角形測量體系，其兩兩間距分別為300、321、258 m。

圖2 鳳儀-定西嶺跨斷層觀測系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 2 Layout of Fengyi-Dingxiling cross fault monitoring system

（3）小碑當(dāng)觀測站

小碑當(dāng)GNSS 觀測站位于尋甸縣羊街鎮(zhèn)小碑當(dāng)村，距尋甸縣城17 km，距羊街鎮(zhèn)6 km，處在小江斷裂帶西支上。小江斷裂帶地處青藏高原東南側(cè)，近SN 走向，全長約400 km，系川滇菱形地塊與華南地塊的邊界，其北起云南巧家，向南經(jīng)東川分為東、西支，近平行延伸至撫仙湖，然后呈掃帚狀向南撇開為多條斷層。其構(gòu)造運(yùn)動十分活躍，地震活動頻繁并誘發(fā)多種類型的地質(zhì)災(zāi)害，1833 年小江斷裂帶西支曾發(fā)生嵩明8 級大地震。小江斷裂與前述2 條斷裂相比，規(guī)模更大，在管道與斷裂交匯處，斷裂破碎帶寬近300 m，兩盤穩(wěn)定地塊間距應(yīng)≥300 m，按相關(guān)規(guī)范的規(guī)定，選擇的觀測點(diǎn)如圖3 所示，觀測點(diǎn)間距400 m。

圖3 小江斷裂西支跨斷層觀測系統(tǒng)布設(shè)示意圖Fig. 3 Layout of fault monitoring system across the west branch of Xiaojiang fault

1.3.2 GNSS 斷裂位錯觀測子系統(tǒng)建設(shè)

GNSS 斷裂位錯觀測子系統(tǒng)由2～3 個跨斷裂GNSS 固定觀測點(diǎn)觀測墩、GNSS 測量系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)組成。

（1）觀測墩

按照《全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行基準(zhǔn)站網(wǎng)技術(shù)規(guī)范》（GB/T 28588?2012）（中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局等，2012），GNSS 混凝土觀測墩應(yīng)建在基巖上，如場地基巖埋深＞20 m，則混凝土觀測墩建在地下20 m 深度處。觀測墩高出地面3～5 m。建成的觀測墩和觀測房如圖4、圖5 所示，觀測房內(nèi)包含1 個觀測墩。

圖4 跨斷層變形觀測系統(tǒng)GNSS 固定觀測墩Fig. 4 GNSS fixed observation pier of cross fault deformation monitoring system

圖5 跨斷層變形觀測系統(tǒng)GNSS 觀測房（含觀測墩）Fig. 5 Cross fault deformation monitoring system GNSS observation room （Including observation pier）

（2）供電和通信

供電系統(tǒng)采用太陽能直流供電，太陽能供電系統(tǒng)以最大連續(xù)陰雨10 d 計算，可在連續(xù)10 d 無日照天氣時為設(shè)備供電。

獲取的觀測數(shù)據(jù)通過4G 移動網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)嚼ッ鲾?shù)據(jù)中心，并可實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的遠(yuǎn)程操控。

（3）GNSS 測量系統(tǒng)GNSS 測量系統(tǒng)由GNSS 天線和信號接收機(jī)組成，其技術(shù)性能指標(biāo)如表1 所示，采用S10 接收機(jī)。

2 觀測數(shù)據(jù)及其處理

2.1 觀測數(shù)據(jù)

率先建成的鎮(zhèn)安、定西嶺觀測站于2019 年9 月5 日投入運(yùn)行。數(shù)據(jù)連續(xù)采集，采樣間隔為15 s，數(shù)據(jù)每2 h 生成1 個觀測文件，至2019 年10 月7 日，共獲取5 400 條觀測數(shù)據(jù)，期間由于故障等原因，2 個觀測站數(shù)據(jù)均存在部分缺失。數(shù)據(jù)文件格式為RINEX2.11，系統(tǒng)常駐可觀測GPS 系統(tǒng)衛(wèi)星可達(dá)8 顆，BDS 衛(wèi)星可觀測到15 顆，受數(shù)據(jù)處理方法的限制，本文處理的數(shù)據(jù)均源自GPS 系統(tǒng)。

以儀器安裝完成后測定的觀測點(diǎn)初始位置（X0、Y0、Z0）為參考點(diǎn)，龍陵觀測站和定西嶺觀測站觀測點(diǎn)PPP定位結(jié)果相對于測點(diǎn)初始位置偏移隨時間的變化分別如圖6、圖7 所示。由圖6、圖7 可知，在3 個方向上，各時刻的觀測值圍繞著初始位置波動，反映出各時刻確定的坐標(biāo)位置有差異，在基礎(chǔ)未發(fā)生位移的情況下，可將其視為GNSS 觀測的干擾背景，這種干擾包括觀測數(shù)據(jù)解算算法本身包含的誤差、大氣環(huán)境等產(chǎn)生的影響。

圖6 龍陵觀測站觀測點(diǎn)PPP 定位結(jié)果相對于測點(diǎn)初始位置偏移隨時間的變化Fig. 6 Variation of PPP positioning results of Longling observation station relative to the initial position offset of measurement points with time

圖7 定西嶺觀測站觀測點(diǎn)PPP 定位結(jié)果相對于測點(diǎn)初始位置偏移隨時間的變化Fig. 7 Variation of PPP positioning result of Dingxiling observation station relative to the initial position offset of the measurement point with time

2.2 觀測站測點(diǎn)間基線長度

確定GNSS 觀測站2 個觀測點(diǎn)同一時刻空間坐標(biāo)后，即可按式（3）確定兩測點(diǎn)間基線長度相對于初始長度的變化，當(dāng)變化量超過測量誤差時，則可認(rèn)為兩測點(diǎn)間的斷裂兩盤發(fā)生了錯位。

不考慮豎向的變化，水平面內(nèi)兩觀測點(diǎn)間基線長度變化可表示為：

對于豎向點(diǎn)間距的變化，有：

2 個觀測站觀測點(diǎn)間水平面內(nèi)基線長度在不同時刻的變化如圖8、圖9 所示，2 個觀測站觀測點(diǎn)間豎向間距在不同時刻的變化如圖10、圖11 所示。

圖9 定西嶺觀測站觀測點(diǎn)間水平面內(nèi)基線長度的變化Fig. 9 Change of baseline length in horizontal between observation points of Dingxiling observation station

圖10 龍陵觀測站觀測點(diǎn)間豎向間距的變化Fig. 10 Change of vertical distance between two measuring points at Longling observation station

3 結(jié)果分析

由圖8～圖11 可知，2 個觀測站觀測點(diǎn)間基線長度隨時間變化，在所處理的時間段內(nèi)，這種變化的最大值在水平向與豎向均≤10 cm，且無突出干擾值。由于在該時段內(nèi)，未發(fā)生大的地震事件，可認(rèn)為2 個觀測站間距在該波動范圍內(nèi)為正常狀態(tài)。假定不發(fā)生地震時，2 個觀測站基線長度變化結(jié)果穩(wěn)定在該數(shù)值范圍內(nèi)，則需解決的問題是觀測時產(chǎn)生的測量誤差滿足管道變形安全要求。

圖8 龍陵觀測站觀測點(diǎn)間水平面內(nèi)基線長度的變化Fig. 8 Change of baseline length in horizontal between observation points of Longling observation station

圖11 定西嶺觀測站觀測點(diǎn)間豎向間距的變化Fig. 11 Change of vertical point spacing between observation points of Dingxiling observation station

GNSS 觀測數(shù)據(jù)解算誤差有多種來源，如衛(wèi)星軌道攝動、電離層、對流層、大氣含水量、多路徑效應(yīng)影響等（李征航等，2010），目前雖發(fā)展了消除這些影響的方法，但在觀測條件不利的情況下，如降雨、降水等，誤差會相應(yīng)增大。

3.1 誤差分析

本文利用G-Nut/Anubis（以下簡稱Anubis）對布設(shè)的5 個觀測站數(shù)據(jù)從多路徑效應(yīng)、單點(diǎn)定位精度、信噪比、數(shù)據(jù)利用率及周跳方面進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析（張濤等，2017；陳秀德等，2018；康朝虎等，2018）。

（1）多路徑效應(yīng)

多路徑效應(yīng)是指接收機(jī)收到衛(wèi)星發(fā)射的信號以外，同時接收到觀測站附近物體反射的信號現(xiàn)象，接收到的不同路徑信號會與原本接收到的衛(wèi)星信號疊加，從而產(chǎn)生時延效應(yīng)，帶來誤差，且該效應(yīng)受環(huán)境的影響較大。不同觀測站觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差如圖12 所示。多路徑均方根值受觀測站周圍環(huán)境影響，值越小表示數(shù)據(jù)質(zhì)量越高。GPS 系統(tǒng)觀測的多路徑誤差多在40 cm上下浮動，GLONASS 系統(tǒng)多路徑誤差較大。

圖12 定西嶺、龍陵觀測站觀測數(shù)據(jù)的多路徑誤差Fig. 12 Multipath error of observation data at Dingxiling and Longling observation stations

（2）單點(diǎn)定位精度

不同觀測站觀測數(shù)據(jù)的單點(diǎn)定位誤差如圖13 所示。單點(diǎn)定位誤差值越小，精度越高。系統(tǒng)觀測值N、E向的誤差均＜1 m，U向誤差集中于2 m 左右。

圖13 定西嶺、龍陵觀測站單點(diǎn)定位誤差Fig. 13 Single point positioning error of Dingxiling and Longling observation stations

（3）信噪比

信噪比為載波信號與噪聲的比值，影響信噪比的因素較多，接收機(jī)本身、觀測環(huán)境及多路徑效應(yīng)均會對其造成一定影響，該值不僅可用于評估觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，同時也可作為GNSS 接收機(jī)性能優(yōu)劣的參考（布金偉等，2017；姚文敏等，2019）。不同觀測站觀測數(shù)據(jù)的信噪比如圖14 所示。由圖14 可知，觀測數(shù)據(jù)信噪比基本在40 dB 左右，各信道信噪比相差較小，較穩(wěn)定。

（4）數(shù)據(jù)完整性

觀測數(shù)據(jù)完整性是觀測質(zhì)量的直接決定因素，由于各種偶然因素及傳輸過程中的損耗，導(dǎo)致接收機(jī)實(shí)際接收的觀測數(shù)據(jù)少于理論數(shù)據(jù)量。周跳也稱為整周跳變，發(fā)生的次數(shù)越多，表示丟失的觀測數(shù)據(jù)越多，可反映衛(wèi)星信號失鎖導(dǎo)致的整周計數(shù)偏差情況。對圖14 觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計，可知GPS 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可利用率遠(yuǎn)高于GLONASS 系統(tǒng)，而其周跳次數(shù)經(jīng)長時統(tǒng)計，所有臺站周跳頻次維持在較低水平，能夠保證觀測精度及數(shù)據(jù)可靠性（表2）。

圖14 定西嶺、龍陵觀測站觀測數(shù)據(jù)信噪比Fig. 14 Signal to noise ratio of observation data of Dingxiling and Longling observation stations

表2 數(shù)據(jù)利用率及周跳頻次統(tǒng)計Table 2 Statistics of data utilization and weekly hop frequency

3.2 觀測結(jié)果的有效性

觀測的最終目的是對天然氣管道進(jìn)行保護(hù)，觀測結(jié)果是站點(diǎn)的坐標(biāo)變動，如果觀測精度低于管道容許壓縮應(yīng)變范圍，觀測失去意義（張慧敏，2009；孟立朋等，2016）。

中緬油氣管道跨越斷層時一般在管溝中平直鋪設(shè)，荷載垂直于管道軸向且沿軸向均勻分布，管道尺寸參數(shù)如表3 所示。

表3 管道尺寸參數(shù)Table 3 Design parameters of different pipeline projects

根據(jù)理論，管道受到地震影響時，由于管道自身的抗震設(shè)計，不會直接發(fā)生破裂，但如果管道受地震影響過大，其變形量超出容許范圍時，會發(fā)生不可逆的損害，管道容許變形長度對于GNSS 觀測系統(tǒng)警報閾值計算至關(guān)重要。確定管道容許變形長度時分為2 種情況，一種為管道受拉狀態(tài)下產(chǎn)生的最大位移，另一種為管道受壓狀態(tài)下的最大位移。當(dāng)管道受到拉伸、壓縮時管道最大容許長度變化及土壤與管道外表面之間單位長度上的摩擦力根據(jù)《輸油（氣）鋼質(zhì)管道抗震設(shè)計規(guī)范》（SY/T 0450?2004）（國家發(fā)展和改革委員會，2004）中的相關(guān)規(guī)定計算。

考慮管道變形時，還需考慮彎曲變形對管道的危害，通過計算軸向運(yùn)行彎曲變形能力，可得到管道能夠承受的沉降偏差最大值，根據(jù)《輸氣管道工程設(shè)計規(guī)范》（GB 50251?2015）（中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，2015）中的相關(guān)規(guī)定計算。

不同管道項(xiàng)目容許拉伸量及容許壓縮量如表4 所示。

表4 管道容許變形計算Table 4 Calculation of pipeline ultimate deformation

由于PPP 精度隨觀測時長而收斂，進(jìn)行5、6 h 以上時長收斂，可達(dá)厘米級精度（李浩軍等，2010；趙爽，2018；淦邦，2020）。

具體定位精度的評價因素較多，主要包括平面位置精度因子（HDOP）、高程精度因子（VDOP）、空間位置精度因子（PDOP）、接收機(jī)鐘差精度因子（TDOP）及幾何精度因子（GDOP），以上因子帶來的影響體現(xiàn)為觀測值與真值的差值?x、?y、?z進(jìn)行坐標(biāo)變換后得到的對應(yīng)值，即站心坐標(biāo)系下對應(yīng)于觀測站本身水平和高程方向的定位誤差（代桃高，2017；王何鵬等，2019），轉(zhuǎn)換公式為：

式中， λ 、 φ 分別為該點(diǎn)所在的經(jīng)、緯度。

大理彌渡和保山龍陵觀測站GNSS 觀測精度如圖15、圖16 所示。由圖15 可知，采樣時間前段數(shù)據(jù)值波動較大，這是因?yàn)榕_站安置初期會出現(xiàn)基座沉降導(dǎo)致的安置點(diǎn)位變化及PPP 初期帶來的較大觀測誤差，PPP 觀測須經(jīng)過長時間收斂才會趨于穩(wěn)定值，如圖15、圖16 所示，布設(shè)觀測站觀測結(jié)果的均方根誤差基本在第400 個歷元后開始收斂并趨于穩(wěn)定，取第400 個歷元后的誤差均值為誤差收斂值。

圖15 定西嶺觀測站基線誤差解算結(jié)果Fig. 15 Baseline error calculation results of Dingxiling observation station

圖16 龍陵觀測站基線誤差解算結(jié)果Fig. 16 Baseline error calculation results of Longling observation station

處理后PPP 定位誤差的收斂值如表5 所示。由表5 可知，N、E向誤差收斂值均處于毫米級水平，U向誤差收斂值由于GNSS 本身的局限性而處于厘米級水平，將基線誤差收斂值與管道容許拉伸量和容許壓縮量進(jìn)行對比，可知基線誤差收斂值均小于3 種管道容許拉伸量和容許壓縮量，說明GNSS 觀測精度能夠滿足油氣管道檢測需求。

表5 PPP 基線誤差收斂值Table 5 Convergence value of PPP baseline error

3.3 GNSS 管道觀測閾值

在系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，由于偶然因素多，加上管道自身存在微小變形，會導(dǎo)致起始坐標(biāo)、起始間距發(fā)生變化，綜合各種因素，對于GNSS 管道觀測的閾值，不能單純用極限變形量與極限誤差收斂值評估，應(yīng)結(jié)合數(shù)據(jù)的搖擺及觀測誤差進(jìn)行考慮，可按下式計算：

式中， σt為 GNSS 管道拉伸觀測閾值， σc為 GNSS 管道壓縮觀測閾值， σh為 GNSS 管道偏差闕值， σg為第g條基線的誤差收斂值， σi為第i個觀測點(diǎn)一時間序列上實(shí)測水平距或高程差與真實(shí)水平距和高程差間差值的標(biāo)準(zhǔn)差。

不同觀測站觀測值與真實(shí)值差值的標(biāo)準(zhǔn)差如表6 所示。觀測時長內(nèi)每條基線間的警報閾值計算結(jié)果如表7～表9 所示。

表6 不同觀測站觀測值與真實(shí)值差值的標(biāo)準(zhǔn)差Table 6 Difference standard deviation between observedvalues and true values at different stations

表7 N 向GNSS 管道觀測閾值Table 7 Observation threshold of GNSS pipeline in horizontal N direction

表8 E 向GNSS 管道觀測閾值Table 8 Observation threshold of GNSS pipeline in horizontal E direction

表9 U 向GNSS 管道觀測閾值Table 9 Observation threshold of GNSS pipeline in vertical U direction

4 結(jié)語

本文針對中緬油氣管道工程范圍內(nèi)的2 條斷裂帶，利用2019 年沿斷裂布設(shè)的GNSS 固定臺站觀測數(shù)據(jù)，確保觀測數(shù)據(jù)在誤差允許范圍內(nèi)對斷裂帶變形趨勢進(jìn)行長期觀測與分析，以降低中緬油氣管道受地震的影響。當(dāng)精度達(dá)到容許拉伸應(yīng)變誤差允許范圍內(nèi)時，布設(shè)GNSS 觀測站對斷裂帶進(jìn)行有針對性的觀測切實(shí)可行，相較于從IGS 特征站觀測數(shù)據(jù)內(nèi)插得到斷裂帶數(shù)據(jù)更直接快捷，能夠直觀反映斷裂帶變形趨勢，且規(guī)避了參考站受地震波影響導(dǎo)致觀測結(jié)果產(chǎn)生的誤差，從而保證準(zhǔn)確獲得地震位移波形。

本研究還存在部分問題，PPP 觀測精度雖隨觀測時長而收斂，且觀測時長滿足其收斂要求，但由于觀測精度與拉伸應(yīng)變誤差較接近，不能完全保證突發(fā)的偶然誤差能夠得到處理。有研究表明采用BDS 與GPS 雙系統(tǒng)乃至引入3 個以上系統(tǒng)能夠顯著提高PPP 觀測精度，而本項(xiàng)目使用了GPS 單系統(tǒng)，仍有改進(jìn)空間；進(jìn)行精度論證時，僅評價了N、E、U向上的精度差，由于N、E、U向均為一維方向，并未進(jìn)行三維精度論證，結(jié)果不夠嚴(yán)謹(jǐn)，需改進(jìn)。