GPS技术与数据处理在水利工程变形监测中的研究

董 雪 亮(山西省水利水电勘测设计研究院，太原 030024)

0 引 言

水利水电工程是国民经济发展中的重要的基础设施，随着我国经济的跨越式发展，以三峡工程为代表的我国水利水电建设项目取得了显著的成就，大型水利水电项目投资大，周期长，社会效益十分显著，确保水利水电工程的安全运营，不但是保障经济建设平稳发展的重要举措，也肩负着保证下游和两岸人民生命、财产安全重要职责。对水利水电工程进行及时、有效的监测，为施工、设计、运营部门提供科学、可靠的变形监测数据是提高水利水电工程建设、运营、管理水平的重要手段。堤坝、边坡是水利水电工程变形监测的重要内容，监测周期贯穿整个工程运营阶段，监测精度一般要求毫米、亚毫米，选用合理、高效的监测手段可以极大地提高工作效率，提高监测精度。

变形监测的3大工作内容包括：①监测精度指标的确定；②监测手段的确定与实施；③监测数据的处理和安全状况的分析、预警。其中的核心问题是监测数据真实值的获取和监测体允许变形值的确定，监测精度指标一般取允许变形值的1/10～1/20[1]。

GPS技术作为现代测绘技术的代表，依靠作业方便、受限情况少、自动化程度高等特点，在工程变形监测中得到了广泛的应用。水利水电工程以其监测周期长、精度要求高等特点，对GPS观测数据的处理也提出了特殊的要求。

1 GPS观测数据处理技术与分析现状

GPS观测获取的数据受各种误差的影响较为严重，在变形观测中无论采用动态监测、连续监测还是定期监测，都必须依靠科学合理的数据处理方法从监测数据中获取变形信息。在GPS数据处理中常用到的是载波相位差分技术，该技术的优点是利用差分技术削弱部分相关误差的影响，但对于整周模糊度的求解、周跳的探测与剔除、减小残余系统误差仍然不是十分理想。

在静态定位中，整周模糊度的求解依赖于卫星几何图形的合理度，故可以通过延长观测时间的方法解决，但该方法需要较长的观测时间，工作效率较低。经过国内外专家多年的研究，模糊度搜索法(LAMBDA)、周模糊度的在航求解(AROF或OTF)等方法在GPS精确定位中的到了广泛的应用。

周跳是提高载波相位观测定位精度的一个限制因素，也是其特有的问题，主要是受整周模糊度和接收机位置参数的影响。伪距与相位组合、高次差法、多项式拟合法等方法在现有的GPS数据处理软件中都得到了大量的应用[2]。由于周跳发生的随机性和偶然性，简单的利用一种方法处理往往不能很好地解决问题，通过多种方法的综合应用，才能较好地发现和处理周跳的影响。

2 GPS变形监测数据处理技术与分析现状

变形监测数据中除了含有有用的重复观测数据外，还含有大量的误差信息，“去伪存真”是变形监测的重要工作。针对变形监测的特点，通常监测数据处理分为2部分，即变形监测控制网数据处理与变形监测数据序列处理。控制网数据处理重点在于监测网网型的优化设计、观测数据平差计算以及变形分析；变形监测数据序列处理重点在于同一个监测点上的多期监测数据结合工程设计的要求对变形作出解释与预报。

2.1 变形监测控制网的处理

变形监测的目的是通过分期重复观测获取观测点的位移信息，分期观测的方法通常采用静态相对定位模型进行，获取基线向量，解算观测网的每期成果及精度指标，通过统计分析的方法确定点位变形量。由于观测数据的获取需要采用多期观测的方法，所以各期观测基准的一致性和稳定性十分重要。GPS监测网与常规检测网一样，通过选取与实际变形一致的基准和平差模型来完成检测网的解算，国内外专家对GPS变形监测网的研究基本没有给出统一的平差模型。

2.2 变形监测数据序列处理

变形监测数据序列处理通常用到的方法有统计分析法、确定函数法、时间序列分析、卡尔曼滤波、频谱分析等方法，研究表明，单一的利用一个固定的模型处理数据序列，不能有效分离不利影响带来的结果，根据影响的规律，建立相应的模型才能得到较好的分析结果。

3 GPS变形监测网优化设计

基准的设计与统一是控制网优化设计的首要任务，在控制网数据处理上，基准问题表现为建立合适的平差模型(基准方程)。利用相邻两组观测数据在“相同的基准”下平差，2次平差结果的差即可作为变形分析的变形量，这里的“相同基准”通常情况下为“相似基准”。利用稳健估计方法，实现变形监测网的基准选择，采用布沙尔七参数模型作为相互转换模型，从而分析判断基准的稳定性，是选择统一基准的有效手段。

平均间隙法是监测网中基准点的选择方法，当认为监测网中各点稳定程度相同的情况下，利用自由网平差的方法解算。由于监测网中各点的形变速率各不相同，根据经验及设计信息，可以采用拟稳平差的方法计算。若2期数据基准点稳定，则认为基准点之间剔除系统误差和粗差后仅有偶然误差，两者之间通过平移、旋转、尺度3类因子，可以建立相互转换关系，基于稳健坐标转换的基准选择方法就是在此基础上提出的。首先对每次观测的数据依据自由网平差的方法计算各期坐标值，然后对每2期数据利用带稳健估计的七参数模型转换，通过选权迭代确定稳定的基准点组。该方法可以归结为坐标变换参数的最小二乘估计，但该方法是建立在观测误差均值为正态分布的基础上，当观测误差不能正态分布时最小二乘法的最优性会受到严重的影响，而利用具有抗粗差能力的最小二乘稳健估计法能够较好地克服这一缺陷。

4 利用小波变换探测GPS周跳

GPS测量容易受对流层、多路径效应、电离层折射、钟差等因素的影响，从而使观测值含有各类误差，严重影响基线解算的精度。通过平差过程中参数的合理调整以及差分处理，可以极大地消除系统误差的影响；通过随机模型的优化，可以消除和减弱偶然误差的影响。GPS周跳是GPS观测中主要的粗差来源，也是提高定位精度的一个限制因素，未被检测到的周跳主要影响整周模糊度及接收机位置参数的改正数，因此周跳的探测是监测网解算的重要条件。

周跳的继承性是周跳的主要特征之一。载波相位观测值随时间的变化，表现为一连续光滑的曲线，但由于周跳的影响，会破坏曲线的光滑度，从发生周跳开始，以后所有的观测值多会表现出相同的周跳。卫星信号的暂时失锁是GPS周跳产生的主要原因，大的周跳可以通过高次差等方法处理，但是小的周跳会被噪声掩盖，小波变化方法是一种高效的滤波和去噪方法，该方法可以有效地从观测数据中分离和修复周跳数据。

由于偶然误差和系统误差的影响，利用小波变化技术直接处理GPS原始观测数据往往效果不佳。通过实验证明，在原始观测序列中加入1γ、2γ、3γ(γ=0.1周)的周跳值时，利用原始序列无法达到周跳探测的目的。主要原因是收到电离层、对流层、钟差、多路径效应等误差的影响。利用差分技术有效消除以上误差后，再利用小波变换技术处理观测序列，效果十分明显。

5 结 语

在GPS变形监测中，受多种误差的综合影响，导致定位精度降低，分析和研究误差的来源及影响规律是提高GPS变形监测网的重要手段和方法。要求2期数据必须有统一的基准是变形监测网与控制网数据解算上的鲜明特征，同时GPS周跳是影响观测精度的重要因素。本文通过分析变形监测网的不同观测元素及质量指标，得出了变形监测网平差的独特模型，避免了系统误差引入变形量中，提高了变形分析的可靠性；通过稳健估计法，实现了2期基准的统一，提高了不稳定点的发现效率；通过GPS周跳的探测和剔除，极大地提高了监测网的观测精度。

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[1] 岳东杰. 水利水电工程变形监测中GPS技术与数据处理研究[D]. 南京:河海大学,2006.

[2] 李淑慧,刘经南. 整周模糊度搜索方法的效率比较和分析[J]. 测绘通报, 2003,(10):1-3.