GNSS系统在黄金峡坝肩边坡变形监测中的应用

摘 要：对黄金峡水利枢纽坝肩边坡GNSS自动化变形监测系统的设备选型、参考站选址、通信方式等进行了分析总结。在吸收借鉴国内同类工程运用GNSS系统的经验和相关研究成果的基础上，该系统采用GPS/BDS/Glonass多星数据混合解算、双基线平差等方法，使边坡监测站在观星截止高度角较大的情况下观测精度满足规范对一级边坡变形监测的精度要求。通过实施GNSS自动化变形监测系统，可以及时掌握边坡的变形规律，预测边坡及滑坡可能变化的范围及变化趋势，并能够及时采取相应的处理措施，为黄金峡水利枢纽施工期安全生产提供技术保障和依据。

关键词：GNSS;变形监测;自动化监测;黄金峡水利枢纽

中图分类号：TV221文献标志码：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2021.01.024

引用格式：李治洪.GNSS系统在黄金峡坝肩边坡变形监测中的应用[J].人民黄河，2021，43（1）：125-128.

Application of the Automatic GNSS Deformation Monitoring System in Huangjinxia Hydro Junction Project

LI Zhihong

（Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Co.， Ltd.， Xian 710100， China）

Abstract：This paper analyzed and summarized the equipment selection， reference station location and communication scheme of GNSS deformation monitoring automation system of Huangjinxia Hydro Junction project. It pointed out that on the basis of absorbing the experience and relevant research of GNSS system of similar projects in China， the system adopted GPS/BDS /GLONASS multi satellite data hybrid solution and double baseline adjustment to make the slope monitoring station watch the stars when the cut-off angle is large， the observation accuracy can meet the accuracy requirements of the specification for the first grade slope. Through the implementation of GNSS deformation monitoring automation system， we can timely grasp the deformation law of slope， predict the possible change range and trend of slope and landslide and take corresponding treatment measures in time， so as to provide technical guarantee and basis for the safety production of Huangjinxia Hydro Junction Project during the construction period.

Key words： GNSS; deformation monitoring; automated monitoring; Huangjinxia Hydro Junction Project

1 引 言

全球導航卫星系统（Global Navigation Satellite System，简称GNSS）泛指所有的卫星导航系统，目前主要包括美国的GPS、俄罗斯的Glonass、中国的北斗系统、欧洲的Galileo等。自1978年美国发射了GPS系统第一颗试验卫星至今的几十年时间里，GNSS系统已经在大地测量、地球物理勘探、地球动力学、工程测量等领域得到了广泛的应用[1]。

经过几十年的应用和发展，目前GNSS测量基线的精度已经由过去的10-6～10-7提高到10-8～10-9，静态相对定位精度提高到了毫米级甚至亚毫米级，尤其是高程精度也达到了毫米级。精度的提高，使得GNSS足以胜任工程变形监测的要求[2]。与常规测量方法相比，利用GNSS进行工程变形监测具有以下主要优点：①不受气象条件限制，无惧风、雨、雾的影响，可真正实现全天候工作;②监测点、基准点等无须通视;③能直接测量监测点的三维坐标值;④各监测点同步测量;⑤易于实现自动化测量。GNSS的优越性克服了传统变形监测方法的众多缺陷，随着北斗系统的投入使用，在我国任一地区可搜索到的全球定位卫星数量大幅增加，其测量精度大大提高，因此在工程变形监测领域得到了越来越多的应用。

国内外对GNSS系统在水利水电工程变形监测方面的应用进行了大量尝试。如：美国陆军工程师协会和Condor公司于2002年2月在蒙大拿州西北的Libby水电站大坝上安装了一套3D trackter实时GPS监测系统[3]，该监测系统包括布置在大坝坝顶的6个测点和2个GPS基准点，GPS实时观测得到的数据在水平方向和垂直方向的精度为2～4 mm，24 h观测精度为1～2 mm。在我国比较有代表性的是清江隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统，该系统由2个参考站和5个监测点组成，1998年开始运行，其6 h解算数据水平方向精度为0.5 mm，高程方向精度为1.0 mm，精度可以满足大坝监测需要[4]。

基于以上认识，在两岸边坡各设置了一个参考站，距离监测点最远距离不超过1.1 km，最近距离约300 m。两个参考站均设置在接近山顶位置，四周高度角在15°以下，观测墩高4 m，周边环境无树木、大型建筑物等遮挡，并远离高压线等强电磁干扰。参考站HJX01卫星星空示意见图1（其中：GLO为俄罗斯的格洛纳斯系统，BDS为我国的北斗系统，GAL为欧洲的伽利略系统）HJX01可接收到24颗卫星的数据。

采用双参考站方案的优点在于：一是双参考站可以采用双基线约束平差，能更有效地剔除含有粗差的数据，相比单参考站提高了数据精度;二是系统具有冗余性，若一个参考站无法工作，另一个参考站可以继续提供解算基准，两参考站互为备份;三是参考站之间可以互校，可及时校核参考站的稳定性，发现参考站引起的误差。

2.4 通信方式选择

采用光缆+无线网桥组合通信方式，边坡上各个测点通过光缆接入网络交换机，由无线网桥将数据发送到数控中心。

因左岸边坡监测点较多，故在左岸边坡615 m高程和519 m高程各设置了一个网络交换机，各测点就近接入交换机中。两交换机级联，最终从519 m高程的交换机出线接入数控中心或通过无线网桥将数据发送到数控中心。

采用光缆通信所需要的设备较多，其连接关系为：卫星接收机→RS232转网模块→光纤收发器→光纤终端盒→光缆→光纤收发器→交换机。尽管敷设光缆的成本较高、难度较大，但光缆通信的优点是不受电磁干扰，一旦敷设完成，通信质量和可靠性较高。

除采用光缆通信方式外，还可以采用屏蔽双绞线或网线通信、无线4G网络通信等方式。采用双绞线通信最大传输距离约为1 200 m，优点是所需设备少、成本低、敷设容易，缺点是抗干扰能力差;4G网络通信的优点是部署简单、无须布线、只在接收机中插入SIM卡而无须各种中间通信设备，缺点是可能出现4G网络不通、每个测点都需要安装物联网SIM卡、每年向移动服务商缴费、服务器端要拉专线设置静态IP地址等。

从GNSS静态相对定位解算的精度要求来看，任何通信中断、因干扰而造成的数据质量下降都会严重影响相应时段的解算精度，因此在有条件的情况下，应尽可能选择光缆通信。

3 数据解算成果

目前系统设置了12 h数据每小时滚动解算、12 h数据解算、6 h数据解算等方式。已有观测成果分析，6 h数据解算结果的水平方向中误差在1 mm以下，垂直方向中误差在1～3 mm之间，观测截止高度角越小的测站垂直方向中误差越小。部分观测成果见图2、图3（dX、dY为水平方向位移增量，X为正北方向、Y为正东方向;dH为垂直方向位移增量）。

4 结 语

陕西省引汉济渭工程黄金峡水利枢纽于2019年在两岸坝肩边坡布设了GNSS自动化变形监测系统，对设备选型、参考站选址、通信方案等进行分析表明，采用GNSS自动化变形监测系统，可以及时掌握边坡的变形规律，预测边坡及滑坡可能变化的范围及变化趋势，并能够及时采取相应的处理措施，为黄金峡水利枢纽施工期安全生产提供技术保障和依据。

参考文献：

[1] 李征航.GPS定位技术在变形监测中的应用[J].全球定位系统，2001，26（2）：18-25.

[2] 徐绍铨，张华海，杨志强，等.GNSS测量原理及应用[M].武汉：武汉大学出版社，2008：187.

[3] RUTLEDGEL D R， MEYERHOLTZ S Z. Performance Monitoring of Libby Dam with a Differential Global Positioning System， United States， Society of Dams[EB/OL].[2020-10-08]. http：//www.3dtracker.com/file/rutledge.meyerholtz_ussd_papper.pdf.

[4] 徐绍铨.隔河岩大坝GPS自动化监测系统[J].铁路航测，2001（4）：42-44.

[5] 张伟，李陶，龚春龙，等.土石坝外观GNSS高精度变形监测技术研究[C]//中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心.第七届中国卫星导航学术年会论文集.北京：中国卫星导航系统管理办公室学术交流中心，2016：5.

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[7] 严超，方新建，刘扬，等.信号易遮挡地区GPS/BDS双频单历元短基线解算精度分析[J].大地测量与地球动力学，2018，38（7）：682-686.

[8] 高玉平，刘子懿，徐劲松，等.单频GPS接收机天线扼流圈的研制与测试[J].时间频率学报，2006，29（1）：51-57.

[9] 阳仁贵，柳培钊，刘根友.双参考站单频相位实时精密监测技術[J].导航定位学报，2015，3（3）：63-68.

【责任编辑 张华岩】