北斗导航定位技术在溪洛渡水电站库区边坡监测中的应用

张飞跃，汪　剑

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072；2.上海华测导航技术股份有限公司，上海，201702）



北斗导航定位技术在溪洛渡水电站库区边坡监测中的应用

张飞跃1，汪剑2

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072；2.上海华测导航技术股份有限公司，上海，201702）

为了实现对溪洛渡水电站库区周围滑坡体形变的连续性自动化监测，建立了基于北斗高精度定位技术的自动化监测系统，使用自动化形变监测解算软件HCMonitor对监测点数据进行解算处理。增加北斗后的三星组合可以大大增加卫星的可用性和定位的可靠性，特别是对于观测环境较为恶劣的观测点，其效果更为明显，保障了系统的稳定、数据的可靠，拓宽了北斗导航定位技术在水电站库区边坡监测中的应用，同时对类似高精度自动化形变监测系统的建设具有借鉴意义。

北斗卫星导航系统；自动化变形监测；北斗数据处理；HCMonitor

1　概述

北斗卫星导航系统（BDS）是中国正在实施的自主发展、独立运行的全球卫星导航系统，致力于向全球用户提供高质量的定位、导航、授时服务，并能向有更高要求的授权用户提供进一步服务，军用与民用目的兼具。中国在2003年完成了具有区域导航功能的北斗卫星导航试验系统，之后开始构建服务全球的北斗卫星导航系统，于2012年起向亚太大部分地区正式提供服务，并计划于2020年完成全球系统的构建。

随着北斗导航系统的逐渐完善和升级，其精度和稳定性已经不亚于GPS，将北斗导航定位技术应用于水电站库区边坡监测，结合GPS、GLONASS等星座，可以组成多系统、高可靠性的监测解决方案。

溪洛渡水电站位于四川省雷波县和云南省永善县接壤的金沙江峡谷段，是一座以发电为主、兼有拦沙、防洪和改善下游航运等综合效益的大型水电站，可将下游沿江城市防洪标准提高到重现期100年。溪洛渡水电站具有高地震区、高拱坝、高水头、大泄流量等特点，工程设计、施工、管理面临众多世界性难题。溪洛渡水电站水库正常蓄水位600 m，死水位540 m，库容126.7亿m3。水库沿金沙江干流全长199 km，蓄水至540 m时，溪洛渡水电站库区影响区共计115处，其中，滑坡、崩塌体影响区34处、塌岸影响区70处、崩塌变形体11处。除去近坝库段的甘海子滑坡群影响区范围较大外，其他较大范围的影响区多在库区中段或库尾等区域。目前，溪洛渡水库影响区失稳后危害性较大的共有23处，需分期分步骤开展安全监测工作，并应结合水库蓄水对滑坡塌岸等的实际影响情况进行安全监测的调整。本次实施方案主要针对第二期未完成的6处：牛滚凼滑坡、甘田坝滑坡、大枫湾滑坡、花坪子滑坡、橄榄坪滑坡和麻地湾滑坡进行监测设计。

2　北斗自动化形变监测系统

水电站库区边坡形变监测系统利用高度集成化的北斗接收机及监测软件平台，通过TCP/IP协议实现监测点接收机与计算机的互联互访、远程控制等，实现了水电站库区边坡形变监测系统无需人工值守、监测数据采集与处理分析可在监控室主机自动控制下完成的设计目的。该系统具有拓扑结构简单、易于维护、性能稳定等特点，其组成包括：数据采集子系统、数据通信子系统、数据处理与分析子系统、数据存储与展示子系统4个部分（如图1所示）。

图1　溪洛渡水电站库区边坡监测系统结构图Fig.1 Structure of the automatic monitoring system for Xiluodu hydropower reservoir

2.1数据采集

监测系统共包含6个滑坡体，每个滑坡体各测站上均配备华测N71北斗接收机和A220测量型天线，天线固定在带有强制对中基座的观测墩上。基准站布设于距滑坡体5 km内的稳定基岩上，监测点按设计要求每个监测断面3～4个点布设，所有滑坡体全天候24 h不间断观测。

2.2数据通信

数据传输网络采用分层星形拓扑结构，当某一监测点或某一滑坡体出现通信故障时，不会影响其他点或其他滑坡体的正常工作。各滑坡体分控中心通过无线网桥与各测站上的接收机进行实时数据交互，并转为RINEX文件存储。分控中心和监测总控中心通过3G路由器进行结果数据交互，总控中心收到分控中心的结果数据后进行储存、展示等。

2.3数据处理与分析

数据处理软件采用上海华测导航技术股份有限公司研制的HCMonitor软件，该软件主要由系统管理、设备管理、数据处理引擎、坐标系统管理、天线管理、星历管理等模块组成。北斗接收机采集记录的是北斗接收机天线至卫星的伪距、载波相位和卫星星历等数据。北斗数据处理从原始的观测值接收到最终的测量定位成果，数据处理过程大致分为北斗测量数据的预处理、基线向量解算及网平差等几个阶段。

2.4数据存储与展示

数据存储服务器位于监测总控中心，数据展示平台软件采用上海华测导航技术股份有限公司研制的HCMAS软件。该平台采用B/S架构、模块化设计，易于扩展和升级。数据展示形式多样化，包括数据列表、变化趋势图、速度/加速度图、断面曲线图、散点图等多种方式。同时平台支持移动端手机APP登陆，可以方便、快捷、实时了解监测系统状况。

3　北斗导航定位技术应用对监测精度的影响

选取牛滚凼滑坡体监测数据分析引入北斗导航定位技术后对本监测系统的精度影响。该滑坡目前整体不稳定，存在较大变形，受降雨影响及库水位影响较大，影响对象主要为滑坡体上的复建公路及滑坡体前缘的临时码头，蓄水至540 m水位后影响程度大。

3.1北斗导航定位系统应用在水电监测业务的原理性分析

北斗星座分为地球静止轨道卫星（GEO）、倾斜地球同步轨道卫星（IGSO）和地球中圆轨道卫星（MEO），3类北斗星座概况如表1所示。

表1　北斗星座概况Table 1 General information of BeiDou system

在目前北斗服务的亚太区域（南纬50°～北纬50°，东经55°～180°），因亚太区域上空有呈大“8”字形轨道运行的倾斜地球同步轨道卫星和在赤道上空的地球静止轨道卫星（如图2所示），服务区域内所有地方可见卫星数至少为7颗，且卫星分布较好，PDOP值一般在3～4之间。而我国水电工程多处于偏远的西南地区，处于低纬度地区，在GPS和GLONASS星座可见卫星数很少的情况下大大弥补了整个监测系统的可见卫星数。

图2　北斗导航定位系统星座示意图Fig.2 Constellation diagram of BeiDou navigation and positioning system

3.2监测点环境分析

TP01-NGD、TP02-NGD、TP03-NGD和TP04-NGD监测点的搜星情况见图3所示。

TP01-NGD三系统搜星颗数16～27，TP02-NGD三系统搜星颗数16～25，TP03-NGD三系统搜星颗数14～19，TP04-NGD三系统搜星颗数14～22。从搜星颗数上可知，TP03-NGD和TP04-NGD点搜星颗数相对较少，存在环境遮挡情况，单系统GPS星座最少只有3～4颗卫星，不能满足监测系统的数据解算。增加北斗卫星导航定位系统后，大大增加了搜星数量，可用卫星增加，多系统联合解算系统更加稳定可靠。

3.3监测点平面位移数据

TP03-NGD和TP04-NGD这两个监测点存在遮挡情况，GPS搜星颗数相对其他测站较少，以这两个监测点分析利用北斗多星座解算的精度。

表2　GPS单星座解算数据Table 2 Data derived（with single GPS）

表3　GPS、GLONASS双星解算数据Table 3 Data derived（with GPS and GLONASS）

表4　GPS、GLONASS、BDS三星联合解算数据Table 4 Data derived（with GPS，GLONASS and BDS）

3.4监测点高程位移数据

表5　GPS单星座解算数据Table 5 Data derived（with single GPS）

表6　GPS、GLONASS双星解算数据Table 6 Data derived（with GPS and GLONASS）

表7　GPS、GLONASS、BDS三星联合解算数据Table 7 Data derived（with GPS，GLONASS and BDS）

3.5监测点数据精度分析

分析TP03-NGD和TP04-NGD监测点在不同星座解算条件下的内符合精度均方根误差，结果见表8。

4　结语

（1）增加北斗后的三星组合可以大大增加卫星的可用性和定位的可靠性，特别是对于观测环境较恶劣的观测点，其效果更为明显。从实验数据可以看出，通过使用三星解算，无论是观测环境较差的点还是观测环境较优的点，其精度都可以稳定在毫米级，而对于观测环境较差的点，其GPS单星座解算的精度难以保证；

表8　监测点TP03-NGD和TP04-NGD的数据精度Table 8 Accuracy of the data of monitoring point TP03-NGD and TP04-NGD

（2）使用单GPS解算时，其可用卫星数目在一天中严重不稳定，这对于滑坡移动速度较大的区域而言，其使用效果会更不好；

（3）根据溪洛渡水电站库区滑坡体自动化变形监测项目需求，构建了基于北斗高精度定位技术的自动化变形监测系统，并对牛滚凼滑坡体的数据进行了分析，论证了北斗导航定位技术的引入可大大提高系统可用性和可靠性。

随着北斗系统的不断发展、完善，北斗应用及其产业化步伐也在加快推进，北斗卫星导航系统已经广泛应用到交通运输、基础测绘、工程勘测、资源调查、地震监测、公共安全与应急管理等国民经济众多领域中。在水电监测业务中，随着北斗应用的逐步推广和在实际监测业务中带来的技术成效，北斗导航定位系统的广泛使用和GNSS接收机的国产化是一个趋势。

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To realize the continuous automatic monitoring of the landslide bodies of Xiluodu hydropower station，the automatic monitoring system based on BeiDou navigation and positioning system is established and the data calculation software HCMonitor is adopted.The combination of GPS，GLONASS and BeiDou system can greatly increase the reliability and accuracy of positioning，especially for the observation points in adverse environment.By use of BeiDou navigation and positioning system，the system stability and data accuracy are guaranteed and its application in slope monitoring in reservoir area is exploited，which provides reference for similar high-precision automatic deformation monitoring systems.

BeiDou navigation and positioning system；automatic deformation monitoring；BeiDou system data processing；HCMonitor

TV698.1

B

1671-1092（2016）02-0001-05

2015-12-29；

2016-02-19

张飞跃（1978-），男，辽宁凌源人，工程师，从事水电站库区滑坡监测工程施工项目管理工作。

作者邮箱：4620521@qq.com

Title：Application of Beidou navigation and positioning technology in slope monitoring of Xiluodu hydropower station//by ZHANG Fei-yue and WANG Jian//PowerChina Chengdu Engineering Co.，Ltd.