北斗在安全監測中的應用與分析

劉 勇, 鄒 浩.2, 傅清心, 張 攀

(1.湖北省地質局 第三地質大隊,湖北 黃岡 438000; 2.資源與生態環境地質湖北省重點實驗室,湖北 武漢 430034)

隨著中國北斗衛星導航系統(BeiDou navigation satellite system,BDS)功能的不斷完善和發展,北斗衛星導航定位技術以及相關產品被廣泛應用于災害監測、交通運輸、特殊車輛管理、精準化農業和森林工作、軍事戰備以及電力系統等國家重要領域,逐漸與人們的生活息息相關,不僅為全球的發展提供了新活力,還豐富了全球導航的發展模式[1-2]。定位、導航和授時體系是國家信息基礎設施的重要組成部分,也是國家戰略資源及大國較量的制高點。大力實施北斗產業重大工程、推動北斗產業高質量發展與當下國家重大戰略、科技領域發展要求深度契合,有著重要的研究意義。

目前,針對國家重大工程的GNSS形變監測技術已經相對成熟[3-5]。姜衛平等[6-7]在西龍池水庫成功部署和運行了GPS自動化形變監測系統(DDMS),系統2 h數據解算精度在北(N)、東(E)、天頂(U)方向分別為1.2、0.9、2.2 mm。黃聲享等[8]對廈門大廈進行了GPS動態形變監測,并利用小波分析提取建筑物的振動信號。戴吾蛟[9]根據GPS動態形變監測數據處理理論和方法,開發了能在臺風作用下分析高層建筑振動的精密動態GPS數據處理軟件,可應用于大型工程的動態形變監測。過靜珺等[10]為廣州高速公路虎門大橋建立了GPS-RTK實時位移監測系統,這是國內首次應用GPS技術對懸索橋等特大型橋梁實施的實時監測。2003年,三峽庫區基本建立完成GNSS基準網和形變監測網,同時也建立了三峽庫區地質災害監測、預警及輔助決策支持系統[11]。袁媛[12]在山西省建立了GNSS地面沉降監測系統,該系統可在覆蓋區域內實現厘米級實時沉降監測,重點區域可實現毫米級準實時沉降監測,目前該系統在礦區開采沉降監測等方面得到廣泛應用[13]。鑒于礦山安全、滑坡防治、建(構)筑物結構安全中形變監測的重要性,本文以國內某工程為例,結合工程北斗實測數據和精度指標,對北斗在該類工程中的應用進行探討,同時對北斗的數據質量以及監測站的三維形變進行綜合分析評價,該研究可為相關單位在防災減災決策方面提供一定的參考。

1 數據質量分析指標

1.1 數據完整率

數據完整率是指監測接收機觀測到的衛星某頻點上的實際觀測歷元數與理論觀測歷元數的比值[14]。在實際觀測環境下,由于接收機內部問題、通信崩潰或者觀測環境遮擋等因素,導致信號失鎖,使得數據完整率低于100%。當數據完整率低于80%時,要特別注意接收機的觀測環境是否存在遮擋、接收機內部硬件質量是否存在問題。

監測接收機捕獲的某顆衛星單頻點的數據完整率和單系統的數據完整率可以表達為[15]:

(1)

(2)

式中:DIf表示單頻點的數據完整率;DIs表示單系統的數據完整率;n表示在觀測時段內觀測的衛星總數;Aj表示在觀測時段內第j顆衛星在某頻點的實際觀測歷元總數;Bj表示在觀測時段內第j顆衛星在某頻點的理論觀測歷元總數;Ci表示在觀測時段內第i顆衛星在所有頻點的有效觀測歷元總數;Di表示在觀測時段內第i顆衛星的理論觀測歷元總數。

1.2 多路徑誤差

多路徑誤差是指衛星信號在傳輸過程中經反射折射,使得接收機接收的信號來源不唯一[16]。多路徑是GNSS觀測站數據質量的一個重要問題,也是數據質量評估的重要指標項之一,通常采用精心選址的方式來削弱誤差[15]。當多路徑誤差>0.5 m時,要特別注意接收機的觀測環境是否對衛星信號存在干擾,多路徑計算公式如下:

(3)

(4)

1.3 信噪比

信噪比是反映信號強度的指標,通過載波信號強度與噪聲強度之比表示。它是整個發射和接收鏈上的信號增益和損耗的結果,受天線增益參數、接收機中相關器狀態、多路徑效應的影響,是進行GNSS數據質量評估的重要指標之一,可以直接從觀測文件中獲取[1,17]。觀測文件中每個歷元、每顆衛星、每個頻點都有一個信噪比,質量分析是直接獲取其所有信噪比的平均值。對原始信號進行信號強度的等級劃分,其結果如表1所示。原始信號強度一般在30～50 dB之間,信噪比等級在5～8之間。

表1 信噪比等級劃分對應表[17]Table 1 Corresponding table of signal-to-noise ratio classifications

G=min(max(Ori_SNR/6,1),9)

(5)

式中:G表示劃分后的信噪比等級;Ori_SNR表示原始信號強度。

2 數據分析軟件

目前常用的GNSS數據預處理軟件有BNC(BKG Ntrip Client)、TEQC(Translation Editing and Quality Checking)和ANUBIS。BNC軟件是基于QT框架開發的開源軟件,但是不支持北斗衛星導航系統的數據質量分析[14,18]。TEQC軟件只能兼容RINEX 2.X格式的觀測數據,隨著RINEX 3.X格式的觀測數據成為主流,TEQC軟件難以用于北斗-3衛星導航系統的數據質量分析[14,19]。為了解決接收機數據質量分析的多頻多系統覆蓋,通過自研軟件對北斗觀測數據進行分析評價,該軟件能夠實現GPS/BDS/Galileo/GLONASS的全頻點覆蓋,同時支持RINEX 3.X格式數據,并具備多頻多系統數據質量指標分析功能。

在精密測量領域,如橋梁及隧道長期監測、地殼運動監測等都需滿足較高精度的靜態定位結果,對精密定位成果的可靠性提出了更高的要求。然而絕大部分數據處理軟件僅能滿足一定精度的需求,難以滿足更高精度的基線解算工作。由美國麻省理工學院(MIT)和加州大學圣地亞哥分校的海洋研究所(SIO)共同研制的GAMIT-GLOBK軟件具有基線解算運行速度快、成果精度高等特點,當采用高精度的控制點為起算點并采用精密星歷進行解算時,其解算長基線相對精度可達10-9量級[20-21]。與此同時COSAGPS軟件系統功能全面、整體性好、解算容量大,相比于GLOBK軟件更適合工程方面的應用。因此本次的監測任務中,主要選取GAMIT軟件進行長基線解算,相關參數在表2中給出,選取COSAGPS軟件進行網平差處理,具體解算流程如圖1所示。

圖1 數據分析處理流程Fig.1 Data analysis and processing flow

圖2 12個監測站北斗、GPS觀測數據完整率Fig.2 Completeness of BDS and GPS observations at 12 monitoring stations

表2 基線解算策略Table 2 Baseline solution strategy

表3 GNSS接收機參數Table 3 GNSS receiver parameters

3 監測數據分析與處理

應國內某工程安全運行保障需求,利用北斗衛星導航系統對其進行全天候、高精度、實時動態三維監測。工程沿線布設有3個基準站和12個監測站,基準站選取在地質結構穩定的地區,并定期與當地CORS系統聯測進行空間基準的統一與維持,之后再通過3個基準站與12個監測站組網聯測。工程任務使用的兩種類型GNSS接收機均為國產接收機,天線型號均為GPS1000,具體參數如表 3所示。

本研究選取監測工程的12個監測站為分析對象,將12個監測站根據分布范圍和接收機型號分為D和M兩組,采樣間隔為15 s,觀測周期為24 h,截止高度角為15°。

3.1 數據質量分析

通過自研軟件,對12個監測站連續31天觀測的數據完整率、多路徑誤差及信噪比等指標進行質量分析,評價BDS和GPS的觀測數據質量差異,并比較不同的國產接收機接收BDS和GPS衛星觀測數據質量差異,每個監測站31天的質量分析結果取其平均值。

3.1.1 數據完整率

由表4和圖 2可以看出,所有監測站的BDS與GPS的數據完整率均在94%以上,最高達99.9%,均表現正常。從衛星導航系統方面來看,12個監測站BDS與GPS的數據完整率相差不大,GPS的數據完整率略高于BDS 1%左右。從接收機方面來看,兩組接收機的數據完整率基本相當,D組表現相對更加穩定。

表4 12個監測站觀測數據完整率(單位:%)Table 4 Completeness of observations at 12 monitoring stations

3.1.2 多路徑誤差

從表5可以看出,12個監測站的BDS各個頻率的多路徑誤差基本處于正常范圍,第一頻率的多路徑誤差為0.30～0.51 m,第二頻率為0.14～0.40 m,第三頻率為0.18～0.27 m,絕大部分<0.5 m。GPS第一頻率的多路徑誤差為0.24～0.47 m,第二頻率為0.41～0.69 m,第三頻率為0.18～0.50 m,GPS第二頻率的多路徑誤差整體表現較大,說明在監測區域BDS相比于GPS有著更好的表現效果。

表5 12個監測站觀測數據多路徑誤差(單位:m)Table 5 Multi-path errors in observations at 12 monitoring stations

根據圖3-圖 5顯示,從衛星導航系統層面來看,第一頻率D組的GPS多路徑誤差整體大于BDS,而M組則相反,BDS多路徑誤差整體大于GPS,第二頻率和第三頻率均為GPS多路徑誤差整體大于BDS;從接收機層面來看,M組第一頻率和第三頻率的GPS多路徑誤差均小于D組,M組第二頻率和第三頻率的BDS多路徑誤差均小于D組。不同的接收機對不同的衛星導航系統有著不同的表現效果,但整體來看M組接收機在性能和穩定性方面略優于D組,BDS多路徑誤差要小于GPS,并且BDS也表現相對更加穩定。

圖3 12個監測站BDS、GPS觀測數據MP1Fig.3 BDS and GPS observations MP1 at 12 monitoring stations

圖4 12個監測站BDS、GPS觀測數據MP2Fig.4 BDS and GPS observations MP2 at 12 monitoring stations

圖5 12個監測站BDS、GPS觀測數據MP3Fig.5 BDS and GPS observations MP3 at 12 monitoring stations

3.1.3 信噪比

從表6可以看出,12個監測站BDS和GPS各個頻率的信噪比基本維持在同一水平。BDS第一頻率的信噪比為43.51～44.15 dB,第二頻率為45.00～45.75 dB,第三頻率為45.81～46.63 dB,BDS 3個頻率的信噪比整體呈依次增大的狀態。GPS第一頻率的信噪比為42.29～44.43 dB,第二頻率為39.35～41.39 dB,第三頻率為48.02～48.65 dB,GPS 3個頻率觀測數據信噪比相差較大,整體大小次序為第三頻率、第一頻率、第二頻率。

表6 12個監測站觀測數據信噪比(單位:dB)Table 6 Signal-to-noise ratio of observation data at 12 monitoring stations

根據圖6-圖 8顯示,從衛星導航系統層面來看,第一頻率D組BDS的信噪比略高于GPS,而M組則相反,GPS的信噪比略高于BDS;第二頻率BDS的信噪比高于GPS,第三頻率GPS的信噪比高于BDS。從接收機層面來看,兩組接收機在3個頻率上表現基本相當,且均較為穩定。

圖6 12個監測站BDS、GPS觀測數據SN1Fig.6 BDS and GPS observations SN1 at 12 monitoring stations

圖7 12個監測站BDS、GPS觀測數據SN2Fig.7 BDS and GPS observations SN2 at 12 monitoring stations

圖8 12個監測站BDS、GPS觀測數據SN3Fig.8 BDS and GPS observations SN3 at 12 monitoring stations

結合多路徑誤差與信噪比分析結果,在第一頻率和第二頻率上均表現為多路徑誤差越小、信噪比越大的趨勢,而第三頻率則恰恰相反。從當前工程12個監測站的3個質量分析指標結果來看,BDS觀測數據質量相比于GPS表現更為穩定。數據完整率和信噪比方面BDS和GPS相當,多路徑誤差方面BDS優于GPS。兩組接收機在數據完整率、多路徑誤差和信噪比方面性能表現相當。

BDS觀測數據質量的好壞會直接影響高精度三維監測的結果,但是隨著接收機技術和高精度定位算法的發展,信噪比對高精度定位的影響基本可以消除[22]。經長期大量實踐表明,在監測工程中數據完整率存在指標計算不夠完善問題,某些時候會出現指標失靈現象。在對建(構)筑物進行日常監測過程中,常常會遇到監測點位置較為偏僻、網絡傳輸不流暢、通過4G網絡傳輸到云服務器上的BDS觀測數據不到24 h的情況,同時存在周圍環境復雜等因素,造成多路徑誤差增大,這些問題都會對監測結果造成一定的影響。

3.2 三維形變分析

鑒于以上對BDS和GPS的數據質量進行分析對比的結果,利用GAMIT軟件對12個監測站連續31天的BDS監測數據進行基線解算,并以第1天監測站的坐標為站心原點,計算之后30天12個監測站相對于站心原點的位移,得到各個監測站在N、E、U 3個方向的位移時間序列圖。

為了能夠獲得更優的解算成果,根據各個監測站距離基準站距離的遠近,來分區域進行數據解算。采用“2個基準站+6個監測站”的解算模式,將3個基準站和12個監測站分為2個區域,對區域數據解算剔除粗差之后得到的結果如圖9-圖10所示。

圖9 區域一6個監測站三維形變量圖Fig.9 Three-dimensional deformation at 6 monitoring stations in region Ⅰ

圖10 區域二6個監測站三維形變量圖Fig.10 Three-dimensional deformation at 6 monitoring stations in region Ⅱ

從圖9中可以看出,在N方向上,監測站D1的形變量最大,D4的形變量最小,整體表現較為平穩;在E方向上,監測站D2的形變量最大,D5的形變量最小,整體表現較為平穩;在U方向上,監測站D5的形變量最大,D6的形變量最小,在2021年3月20日之前整體表現較為平穩,之后則出現明顯波動。

從圖10中可以看出,在N方向上,整體表現非常平穩,且各個監測站之間形變量相差不大,監測站M4形變量略高;在E方向上,監測站M1的形變量最大,M4的形變量最小,整體表現較為平穩;在U方向上,監測站M1的形變量最大,M6的形變量最小,在2021年3月20日之前整體表現較為平穩,之后則出現明顯波動。

綜合圖9和圖10可得,監測站的形變具有一定的相關性。從各個監測站的位置分布以及工程現場的實際情況分析來看,監測站D1-M6呈線狀分布排列,D6和M1距離最近,位置相鄰,而整個監測區又處于沉降漏斗區,故形變大小會隨站點號呈二次曲線變化形式,形變最大點或最小點會出現在兩端或中間的監測站中。

由于基線解算存在電離層、對流層、多路徑效應等誤差項,并且監測站的三維形變量是隨著時間序列變化的量,為了能夠對BDS監測結果進行精度評定,需要對各個監測站可能發生的位移趨勢通過高階多項式擬合,其具體公式如下:

(6)

將實際監測位移序列減去擬合值序列得到各個監測站的數據殘差序列。

(7)

式中:Δy表示監測數據的殘差序列;y表示實際監測的位移序列。

對殘差序列取標準差,獲得監測站的內符合精度:

(8)

式中:σ為殘差序列標準差;n為各個監測站監測數據樣本總數。

對區域一的監測站D6和區域二的監測站M1進行三維形變趨勢擬合和誤差分析,結果如圖11-圖16所示。

圖11 監測站D6 N方向形變量與擬合殘差圖Fig.11 Northward deformation and fitting residuals at monitoring station D6

圖12 監測站D6 E方向形變量與擬合殘差圖Fig.12 Eastward deformation and fitting residuals at monitoring station D6

圖13 監測站D6 U方向形變量與擬合殘差圖Fig.13 Zenith orientation deformation and fitting residuals at monitoring station D6

圖14 監測站M1 N方向形變量與擬合殘差圖Fig.14 Northward deformation and fitting residuals at monitoring station M1

圖15 監測站M1 E方向形變量與擬合殘差圖Fig.15 Eastward deformation and fitting residuals at monitoring station M1

圖16 監測站M1 U方向形變量與擬合殘差圖Fig.16 Zenith orientation deformation and fitting residuals at monitoring station M1

圖17 12個BDS監測站內符合精度圖Fig.17 Internal accord accuracy at 12 BDS monitoring stations

從圖11-圖 13中可以看出,監測站D6在N方向上的BDS監測時間序列波動較小,擬合曲線比較平穩,在2021年3月1—31日時間段內幾乎未發生形變,去除趨勢項后,BDS監測的內符合精度為0.9 mm;在E方向上有向反方向位移的趨勢,整體擬合曲線較平穩,去除趨勢項后,內符合精度為1.1 mm;在U方向上,2021年3月25日之后發生較為明顯沉降,相對于2020年12月1日沉降范圍在10 mm以內,去除趨勢項后,BDS監測的內符合精度為1.5 mm。

由圖14-圖 16得出,監測站M1在N方向上BDS監測時間序列幾乎無波動,擬合曲線非常平穩,去除趨勢項后,BDS監測的內符合精度為0.6 mm;在E方向上有向正方向位移的趨勢,整體擬合曲線略有波動,去除趨勢項后,BDS監測的內符合精度為1.1 mm;在U方向上,在2021年3月1—31日區間內,相對于2020年12月1日發生了一定范圍的沉降,擬合曲線較為平穩,去除趨勢項后,BDS監測的內符合精度為0.7 mm。

從表7中可以看出,12個監測站在N方向上監測的內符合精度范圍為0.35～0.97 mm,E方向上監測的內符合精度范圍為0.45～1.11 mm,U方向上監測的內符合精度范圍為0.58～1.80 mm,均能夠滿足3 mm的監測精度需求。根據圖 17來看,N方向上的內符合精度最高,E方向次之,U方向最低;區域一和區域二的內符合精度基本相當,區域二相對更加平穩。結合工程現場的實際情況來看,區域二相比于區域一,其地下巖層更加堅硬稠密、土壤更加均勻穩定,具有更好的承載力和水文條件,因此區域二相比于區域一的穩定性更高,與定量的監測結果相符。

表7 12個BDS監測站內符合精度Table 7 Internal accord accuracy at 12 BDS monitoring stations

4 結論

近年來中國地質災害頻發,滑坡、泥石流、地震等不斷威脅人類生命和財產安全,因此對相關地質結構和重點保護區域進行合理的形變監測至關重要。本研究以某工程為例,結合工程連續31天的實測數據,對BDS觀測數據質量以及監測站的三維形變進行綜合分析評價,結論如下:

(1) BDS觀測值的數據質量相比于GPS表現更為穩定,兩種類型國產接收機性能表現基本相當。

(2) 2個區域12個監測站BDS監測的內符合精度平面優于高程,且均能夠滿足3 mm的監測精度需求。

(3) 相關研究成果可在滑坡、泥石流、地裂縫、地下水位、地面沉降監測等領域有良好的實用價值。