北斗、GPS双星四频接收机在长河坝水电站施工区的效果测试

袁有仓

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

众所周知，GPS技术已在各行各业普遍应用。但是，单纯的GPS系统在处于高山峡谷中的水电站建设工地总有一些部位不能正常接收卫星或接收数量少于4颗，进而导致其无法完成定位。其主要原因是GPS卫星大部分高度角较低，受山体遮挡较严重，有时信号时断时续，卫星信号的连续性直接影响数据解算的精度、稳定性和可靠性。

北斗卫星导航系统是我国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，缩写为BDS。北斗卫星的高度角较高，加之北斗卫星系统具有地球同步卫星特性，可大大提高跟踪的连续性，降低PDOP，提高解算精度，特别是山区、高边坡、遮挡严重的地区。现北斗卫星已经覆盖亚太地区，使用北斗加GPS双星系统测量将大大提升测量数据的可靠性和稳定性。为了验证北斗加GPS双星系统在水电工程高山地区的使用效果，我们选用了上海司南卫星导航技术有限公司出品的M300C双星四频(北斗二代B1/B2加GPSL1/L2)监测型接收机在长河坝水电工程工地进行测试。该接收机可以同时跟踪GPS卫星和北斗卫星。

长河坝水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河流域水电梯级近期开发的大型水电工程之一。该水电站坝型为砾石土心墙堆石坝，最大坝高 240m，装机容量 2600MW［1］。电站地处高山峡谷之间，其工程边坡高差很大，大多数在100m以上，在谷底、高边坡区域等部位无法正常使用GPS定位。

2 实地测试

为了较为准确地了解长河坝水电站工区双星系统接收机卫星接收情况，我们选取了几处具有代表性的测点进行测试。测试点选于山脚或悬崖底部等卫星遮挡较为严重的地方。测试分2012年8月25日上午、下午以及26日上午三个时段进行，每时段测试保证同步连续观测时间达到2个h。测试点位分布及其条件见图1～4。

图1 1号测试点位置图

1号测试点位于悬崖底部隧道口。8月25日上午，北斗卫星始终保持4～5颗且连续跟踪，而GPS仅有2颗为连续跟踪;8月25日下午，北斗卫星有5颗，GPS有2颗是连续的;8月26日上午，北斗卫星有4颗连续跟踪，而GPS仅有2颗为连续跟踪。从以上卫星接收情况看，单纯的GPS数据是无法解算的，而北斗卫星和GPS双星连续观测卫星最少的数量为6颗，因此完全可以解算。

图2 2号测试点位置图

2号测试点位于半山坡，视野较为开阔。8月25日上午，北斗卫星连续跟踪5颗且总卫星数最少时为11颗;8月25日下午，北斗卫星最少时为4颗，总卫星数最少时为8颗;8月26日上午，北斗卫星连续跟踪为6颗，且总卫星数最少时为11颗。显然，卫星情况很好，该点在三个时段均可解算出有效观测值。

3号测试点位于悬崖底部上游围堰顶。8月25日上午，卫星最少时为8颗，其中北斗卫星连续跟踪为4颗;8月25日下午，卫星最少时为5颗，其中北斗卫星为3颗，GPS为2颗;8月26日上午，卫星最少时为8颗，其中有4颗北斗卫星处于连续跟踪状态。

图3 3号测试点位置图

图4 4号测试点位置图

4号测试点位于初期导流洞进口近乎直立边坡坡脚处，周围遮挡非常严重，单卫星系统接收机几乎无法使用。8月25日上午，有效时段的卫星为4～6颗，其中北斗卫星占一半;8月25日下午，卫星总数仅为3～4颗，有时会到6颗，但卫星信号断断续续，质量非常差;8月26日上午，在有效时段内卫星总数可以达到6颗，其中北斗、GPS卫星各3颗，双星系统可以定位。由此可见，在地形条件很差的点位处，若采用北斗、GPS双星系统接收机，仍可实现较为准确的定位。

如果修定1号测试点坐标并作为已知数据求解2号、3号、4号测试点在三个不同时段的坐标，取各测点三个时段坐标的平均值与相应点各时段的坐标进行比较，结果见表1。

从表1中的数据可以看出，4号点由于卫星遮挡严重，效果相对较差，其高程偏差达1.5cm。该点在单卫星系统条件下无法定位，而双星系统可以找到有效、可靠的观测时段，其平面点位精度很好。其他各测试点观测效果较好，各时段的坐标差值较小。

如果将2号、3号点平面和高程坐标(三等施工控制点)作为已知数据进行约束平差计算，其结果与1号点已知坐标(三等施工控制点)比较情况见表2(4号点在测试中因标墩问题无法精确对中，在此不参与对比)。

从表2可以看出，双星系统接收机所测数据与已知点坐标平面相差约0.7～7.9mm，高程相差1.5 ～8.5mm，观测精度较好。

表1 长河坝水电站北斗、GPS双星系统测试结果对比表

表2 约束平差成果与已知点比较表

可见，北斗卫星定位系统或GPS卫星定位系统在长河坝水电站工区部分条件很差的部位(如4号测试点位)是无法实现定位的，但当两种系统联合定位时，观测卫星数量几乎增加了一倍，故完全能够定位。

3 结语

从此次观测数据看，由于北斗卫星的高度角较高，北斗卫星的信号跟踪相对连续，而GPS卫星由于大部分高度角较低，受山体的遮挡较严重，信号跟踪不是很稳定。对于单GPS卫星系统来说，每天不同时段的卫星数量不同，正常为5～9颗左右(可通过星历预报查看)，有的时段本身GPS卫星为4～5颗，若有遮挡时将直接减少一半，仅剩1～3颗，将无法定位。而GPS加北斗卫星数量可以达到2+3或者3+2，从而能够实现高精度联合定位。实际效果证实:北斗加GPS双星四频(北斗B1B2两频、GPSL1L2两频)接收的效果明显要好于单GPS双频效果，对于测点环境要求也降低了很多，更适用于山谷、山底或遮挡比较严重的部位观测。

随着我国北斗卫星系统的不断组网，卫星数量的增多，北斗加GPS使用效果将大大提升，可靠性和稳定性将更强。因此，采用双星系统接收机，使得在高山地区使用定位系统完成测绘任务成为现实，如在RTK地形测绘、施工放样、控制网点建设、建立像控点以及边坡自动化安全监测等方面广泛应用，在水电工程高山地区具有广阔的应用前景。