GNSS精密单点定位技术在大坝变形监测中的应用

吴 皓， 陈必焰

(1.中国电建集团 中南勘测设计研究院有限公司，湖南 长沙 410014； 2.中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙 410006)

1 引言

大坝是水利枢纽的重要组成部分，起着防洪、调节水位的作用，因此大坝的安全运营十分重要。对坝体进行监测可及时掌握其变形程度，是预测变形趋势、制定修复方案和评估灾害损失的基础技术依据，及时提供合理、有效的大坝变形灾害治理措施，可大大降低大坝变形沉降造成的经济财产损失和安全威胁。因此大坝变形监测可保证大坝的安全运行，是大坝实现可持续发展的重要组成部分。目前，GNSS(Global Navigation Satellite System全球导航卫星系统)以其全天候、高精度等优势成为大坝变形监测的重要手段，采用相对定位技术可以获得毫米级的定位精度。然而，GNSS相对定位技术需在距离大坝几公里之外的地方布设参考站。近十几年发展起来的精密单点定位(Precise Point Positioning， PPP)技术无需依赖参考站，而且每个测站的观测模型和参数化等处理可以单独进行。因此，PPP技术以其低成本、方便高效的优点，可有效监测偏远大坝的变形。

2 PPP定位的基本原理

GPS是一种全天候、高精度的无线电导航定位系统，能提供全球范围内各处的三维位置信息。载波相位相对定位采用两台及以上的GPS接收机进行同步观测，静态相对定位的精度通常可以达到厘米级甚至毫米级。因此，载波相位相对定位技术以其高精度定位优势得到了广泛的关注和应用。虽然载波相位相对定位的精度很高，但会受到测站间距离的限制。美国喷气推进实验室(JPL,Jet Pulsion Laboratory)的Zumberge等人于1997年首次提出了精密单点定位(Precise Point Positioning,PPP)这一技术，并通过在他们开发的数据处理软件GIPSY上实现了这一设想。PPP技术利用卫星精密星历和精密卫星钟差产品，对单台GPS接收机采集的双频码和载波相位观测值进行非差分定位处理。PPP技术只需单台GNSS接收机就可以工作，具有数据获取方便、效率高、费用低等诸多优点。

在GPS卫星定位中，常用的观测值有测码伪距和载波相位观测值。对于一个双频的接收机，L1和L2频段上的观测值可以通过如下的等式来表示。

(1)

(2)

在PPP技术中，卫星轨道和卫星钟差可由IGS(International GNSS Service)及其分析中心发布的高精度GPS卫星轨道和钟差产品进行精确改正。此外，可通过设置一定的信号高度截止角(如10°)来减轻多路径误差的影响。因此，其他剩余需要解算的未知数包括有三维位置坐标、接收机钟差、对流层延迟和观测到的每颗观测卫星上对应的消电离层组合的模糊度参数。对于其中对流层误差延迟，通常是利用改正模型对对流层干分量进行模型改正延迟模型提供先验值，然后将剩余湿对流层湿分量延迟部分当作未知参数与其他未知参数一起进行解算，获取高精度的GPS定位结果。PPP技术可以得到全球一致的厘米级的定位精度。

3 大坝变形监测试验结果与分析

本试验采取的是广东某大坝监测站GD12的变形监测数据。本文中分析处理了从2016年10月20日至2016年10月31日为期12 d的GPS监测数据。所采用的是由瑞士伯尔尼大学人文研究所研究开发的高精度GNSS数据处理软件Bernese 5.2，它是目前世界上四个广泛用于科研的高精度GPS数据处理软件之一。由于该软件一直保持有人开发和维护，整体来说，它的数学处理模型以及处理方法在同行中处于领先地位。该软件主要针对大学、研究机构和高精度的国家测绘机构等用户，界面友好，模块条理清晰，并且内嵌有图形软件，功能强大，具有很大的潜在应用研究价值。除采用非差方法进行精密单点定位外，它也可以采用双差模型处理GNSS数据。

利用Bernese 5.2软件，我们得到了基于5 min、1 h、2 h和24 h观测数据计算出的四组三维坐标数据。然后，将由PPP技术计算的三维位置坐标与已知坐标进行求差，并转换成了N、E、U分量。图1表示的是基于5 min观测数据的PPP定位结果在E、N、U三个分量上的误差变化。在水平E和N方向上，PPP定位结果误差在正负0.1 m之间变化，而在垂直U方向上，误差变化范围明显增大，基本上在-0.2～0.1 m范围内浮动。图2中展示的是基于1 h观测数据的PPP定位精度。在水平方向上，PPP定位精度变化在正负0.05 m范围之内，但是在垂直方向上，定位误差依旧在正负0.2 m范围内变化。图3中给出了基于2 h观测数据的PPP定位精度。相比图1和图2结果，可以明显看出图3中PPP定位精度有了很大的提高。其中，垂直U方向上，误差变化范围在-0.05～0.1 m之间。图4展示了基于24 h GPS数据得到的PPP定位精度。可以看出，利用全天数据得到的定位结果达到了毫米级水平。整体来说，在三个方向上，PPP全天定位误差在0.01 m之内浮动。

图1 基于5 min观测数据的PPP定位精度

图2 基于1 h观测数据的PPP定位精度

图3 基于2 h观测数据的PPP定位精度

图4 基于24 h观测数据的PPP定位精度

表1给出了基于5 min、1 h、2 h和24 h观测数据处理得到的PPP定位精度。基于5 min数据的定位结果精度在E，N和U方向上分别为0.121 m，0.246 m和0.368 m。利用1h的数据，PPP计算得到的坐标位置精度在分米级水平。利用2 h的GPS数据进行PPP定位，从表1可以发现在E方向达到了0.009 m的毫米级水平，而在N和U方向上分别为0.013 m和0.026 m。随着数据量的增加，当我们利用24 h全天的GPS数据解算时，其定位精度在三个方向上都达到了毫米级水平，具体来说，在E，N和U方向上精度分别为0.008 m，0.006 m和0.009 m。

表1 基于5 min、1 h、2 h和24 h观测数据的PPP定位精度

4 结论

当前，全球导航卫星系统以其全天候、高精度等优势成为大坝变形监测的重要手段。本文通过对广东某大坝实地采集的高频GPS观测数据进行分析，得到了坝区复杂环境下静态PPP的定位精度。监测研究结果表明，基于静态PPP定位技术，观测2 h以上可以获得水平毫米级和垂直厘米级的定位精度。基于全天的观测数据，静态PPP技术可以获得毫米级的定位精度。与差分GPS相比，处于同等观测环境条件下的PPP技术可用于大坝、滑坡等的高精度监测和预报。随着PPP定位误差模型的不断精化、组合多种全球导航卫星系统GNSS的深入发展以及对PPP技术研究的日益深入和精密定位服务产品的不断发展和完善，相信PPP技术在水利设施、地质灾害等监测领域的用途会越来越广泛。