BDS在某大坝外部变形监测系统中的运行状态研究

刘 恒， 柯 虎， 江 德 军， 郭 家 成， 熊 敏

(国能大渡河流域水电开发有限公司，四川 成都 610041)

0 引 言

在变形监测领域，过去主要利用大地测量的方法进行测量。大地测量方法精度和可靠性较高，使用范围较广，同时，也存在着效率低、受环境制约大、自动化率低等不足。随着空间测量技术不断发展，特别是全球卫星导航系统(GNSS)技术的出现，为变形监测相关领域开启了全新思路。北斗导航技术的研发，在工程测绘方面的应用，能够有效地节省测绘所需的时间以及各种成本，为测量效率的提升做出了巨大贡献[1]。

水电行业十分重视水库大坝的安全监测工作，目前，国内大坝外部变形自动化监测主要采用的是全球定位系统(GPS)的GNSS变形监测系统。由于GPS是由美国国防部研制和管理，利用GPS技术进行监测存在较大的安全隐患。北斗精密定位系统是我国自主研发的定位系统，在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等领域得到了广泛的应用[2]。北斗位移监测具有自动化程度高、布设灵活、受地形影响较小、可全天候稳定工作的优点[3]。根据在某电站大坝进行的基于北斗高精度水电站工程安全监测系统建设项目，探究利用BDS变形监测系统实现对GPS变形监测系统在现场适用性方面进行替代的可能性。

1 BDS监测系统

1.1 BDS简况

BDS是北斗卫星导航系统的简称，是我国自主建设运行的全球卫星导航系统(GNSS)，BDS提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。随着北斗系统的逐步完善，为突破高精度核心技术，我国大批企业进军北斗、GPS、GLONASS等多系统集成的高精度芯片、板卡研发制造领域，迎来了北斗用户终端设备的快速发展[4]。

1.2 研究目标

本项目选择某水电站大坝为研究应用场景，采用北斗高精度定位监测技术，研发全国产的北斗安全监测平台并进行布置，与原有徕卡GNSS变形监测系统进行同点监测，可对徕卡GPS设备与国产北斗设备进行数据对比分析，进一步验证基于北斗卫星开展工程安全监测的可行性以及在流域性电站进行全方位推广的可能性。

1.3 研究内容

基于大坝安全监测的监测终端、扼流圈天线、高精度监测模块进行的北监控数据实时采集对比分析BDS和GPS数据成果，论证BDS变形监测系统数据可靠性及设备稳定性，并简要分析，测量精度应优于相关规范精度指标要求。

2 系统设计及设备选型

2.1 系统设计原则

2.1.1 信息安全原则

采用北斗卫星导航系统，采用国产化模块、组件、系统，增强系统的可靠性，保障关键坐标信息、数据通讯安全。

2.1.2 高性价比原则

作为水库大坝安全监测基础设施，服务企业需要安全监测的同时，也应兼顾社会责任的履行，尤其是在流域大规模应用中，需要进行成本考量，同时也应满足测量精度要求。

2.1.3 兼容并包原则

本系统应用企业现有软硬件平台实现相互兼容、数据互通，互为支撑。

2.2 系统设备选型

2.2.1 接收天线

接收天线主要实现的是将空间电磁波传输的信号转换为电信号，必须满足具有较宽的波束，能够实现卫星跟踪，具有较强的增益，噪声系数小，并能在一定程度上与原有GNSS监测系统实现设备共用等要求。为抑制多路径效应，全部采用扼流圈天线。所谓多路径效应，是指在GNSS测量中，卫星接收机不仅直接收到GNSS卫星信号，还会接收到被周围环境中反射物反射的卫星信号，反射信号与直达接收机天线的直达信号产生干涉使真值发生偏移，多路径效应会带来较大的测量误差[5]。

2.2.2 接收机

BDS接收机是实现北斗卫星定位导航的硬件载体，其主要包括天线输出信号的变频、ADC采样、信号处理与信息处理等功能。本项目选用能够获取连续、稳定、低噪声的高质量观测量的能够避免电路噪声过大的BDS高精度接收机。

2.2.3 电源

为实现不同工作环境下设备的布设，设备电源采用市电与太阳能板+蓄电池两种模式进行供电。本项目根据现场情况，对于现场已经牵引有城市电源的测点使用城市电源对设备进行供电，对于部分位于野外且供电不方便的测点采用太阳能板+蓄电池的供电模式。

2.2.4 软件

BDS实时结算软件应具备数据接收、数据处理和数据管理功能，系统基本架构见图1。

图1 系统基本架构

2.2.4.1 数据接收

主要负责接收外业的各个监测站点传回中心服务器的BDS数据和状态数据，并进行数据分析、初次加工并存档入库，为数据处理做准备。

2.2.4.2 数据解算

BDS实时解算软件的核心单元，主要完成数据解算和结果输出等功能。利用相对差分解算进行高精度的定位，并将结果进行输出。

2.2.4.3 数据管理

主要由结果数据保存、修改、删除、原始文件查询和结果文件查询等功能组成，包含数据报表输出、入库、数据压缩以及数据库管理。

2.3 设备野外保护

在安装天线及接收机时，为天线安装保护罩，为电源及接收机安装防水电源箱及测点箱，有效地将信号接收设备、数据采集设备、供电设备分区运行，同时也解决了防盗、防雷、防水等问题。

3 系统建设及运行

3.1 测点部署

通过现场实地踏勘，综合考虑大坝监测需要、接收卫星信号条件、供电情况等，确定了1个基准点(TN02)和5个观测点(TP13、TP21、TP32、T19、TB02)的安装位置(图2)。

图2 安装位置布置图

3.2 设备安装

现场测点部署，采用共用接收天线、同点加装固定支架、单独架设共计3种方式。

3.2.1 共用接收天线

TP13采用功分器共用原GPS接收天线的方式进行安装。

3.2.2 同点加装天线固定支架

TP21、TP32、TN02、T19采用在原测点上增设天线固定支架的方式进行安装。

3.2.3 单独架设

TB02无GPS监测设备，采用重新浇筑水泥基墩，安装北斗接收天线的方式进行安装。

3.3 解算成果对比分析

3.3.1 解算成果数据说明

BDS：自运行开始以来，现场设备卫星数据接收、发送连续正常，解算服务器实时解算，解算程序每小时输出一个数据成果，能在监测管理平台上正常展示。因数据量较大，不便于展示，本次对比分析采用每天0时后第一次成果。

GPS：徕卡GPS解算结果取T19、TP13、TP21、TP32四个监测点1 h和24 h成果数据。其中，24 h数据采用输出成果，1 h数据采用每天0时后第一次成果。

3.3.2 成果对比分析

图3～8中，正方形标记代表徕卡GPS24 h解算成果，圆形标记代表徕卡GPS1 h解算成果，三角形代表北斗1 h解算成果。

图3 T19东方向位移数据

图4 T19北方向位移数据

图5 T19垂直方向位移数据

图6 TP13东方向位移数据

图7 TP13北方向位移数据

图8 TP13垂直方向位移数据

通过监测成果的对比分析，T19监测点BDS解算成果和徕卡GPS解算成果的变形趋势和变形量基本一致，BDS解算成果的稳定性优于徕卡GPS解算成果，BDS解算成果整体优于GPS解算成果。

3.3.2.1 T19监测数据对比

3.3.2.2 TP13监测数据对比

通过监测成果的对比分析，TP13监测点BDS解算成果和徕卡GPS解算成果的变形趋势和变形量基本一致，BDS解算成果的稳定性优于徕卡GPS解算的1 h成果，徕卡GPS解算的1 h成果差异较大，BDS解算成果在水平和垂直方向上的稳定性和徕卡GPS解算24 h成果基本相同。

3.3.3 BDS/GPS搜星对比分析

由于坝体位于深山峡谷中，大坝监测点搜星条件较差。北斗卫星的搜星优势比较明显，监测点GPS卫星搜星数量长时间在5～6颗，北斗卫星的搜星数量可以稳定在10颗以上，同一时刻不同点位搜星情况对比见表1。

表1 同一时刻不同点位搜星情况对比

4 结 语

在变形监测领域，人工监测所受制约较多，数据采集及时性和连续性较差，GNSS的出现，提高了监测效率、降低了成本。目前，国内GNSS变形监测系统主要以GPS为基础，随着BDS的建成，给予国产变形监测系统的发展空间。大渡河库坝中心结合工程实际项目，建成了基于北斗高精度水电站工程安全监测系统，通过与GPS变形监测系统数据进行对比，BDS在某大坝外部变形监测系统中的运行主要实现了如下目标：

(1)基于BDS的高精度算法，现场实测测量精度优于徕卡GPS变形监测系统；

(2)实现了数据自动采集、数据自动解算、数据互通等目的；

(3)在高山峡谷地区，实现了更稳定的搜星质量及更多的搜星数量，更有利于在搜星条件较差地区的应用推广；

(4)整套BDS变形监测系统，实现了从软件到硬件的国产化且设备成本远低于国外进口设备，为大规模进行推广提供了基本条件。