基于精密单点定位的变配电站地质微位移监测技术研究

李昊，于虹，饶桐，张强，沈锋，李昕达

(1.云南电网有限公司电力科学研究院，昆明 650217； 2.成都星河科技产业有限公司， 成都 610041；3.哈尔滨工业大学 仪器科学与工程学院， 哈尔滨 150000)

0 引 言

超高压输电线路中若有一处中断，则整条线路中断，受地质灾害影响显著。尽管变配电站布设在前期选址分析等研究过程中充分考虑了地质灾害的影响问题，但小规模零星灾害由于对其研究不完整、不充分，地质灾害是超高压输电灾害隐患的主要来源[1-3]。在我国持续开展滑坡、泥石流、崩塌等变形规律研究与分析后，对地质灾害中的地表结构与位移监测进行记录，进而方便后续进一步研究不同地质现象和地质灾害。无论是在实际的变配电生产环境中，或是对地质灾害的预测和响应的科学问题里，监测、评价和预警都是必要且迫切的科学任务[4-8]。

从90年代以来，以GPS系统为代表的卫星导航定位技术被广泛应用于滑坡、泥石流、地面沉降等非地震地质灾害监测，取得了较为可观的效果，帮助相关领域减少地质灾害造成的问题的成本。由于GPS差分技术可以利用单差，双差等多差技术消除或者抑制诸如卫星钟差、接收机钟差、对流层延时、电离层延时等大气延时及轨道误差等多种误差，并且定位模型简单，计算量相对较小且精度高而广泛应用于各类地质监测与变形监测工程。但由于GPS差分技术需要进行差分运算，需要在附近或者较短基线距离一已知点上安装GPS接收机作为基准，且二者之间必须有稳定的有线或者无线数据连接关系，当同时观测到的卫星数量较少或基准站与移动站距离过远(基线过长)时实现精密定位比较有困难且作业难度也相对较高[9-12]。

在数十年间的不断发展与改进中，精密单点定位技术(PPP)随着GPS服务与定位技术被提出，一般情况下，PPP利用国际GPS服务机构(International GPS Service，IGS)提供的精密星历及钟差等精密产品辅助非差分GPS伪距与相位观测数据,进行解算得到消除或者抑制误差的结果，同时使用模型对测站位置、电离层对流层延时进行长时间观测和估计，做到了在全球任意一个位置都能够实现定位且无需参考站[13-16]，其绝对定位精度可以达到dm级，长期观测下能够达到且维持cm级精度，达到与传统GPS差分技术相匹配的精度指标。同时PPP的操作方法简单，作业成本低，适合布设参考站在偏远环境，或者测区范围大、测量时间长的观测任务。基于此，目前许多学者和团队在GPS-PPP的基础上开发了多套PPP定位软件，这些经过充分优化的算法或软件 24 h连续观测精度已经可以达到mm级[17-19]。为了研究GPS-PPP在便配电站地质灾害中的应用，使用PPP软件对原始观测数据进行处理和计算，进一步分析定位结果。

1 GPS-PPP微位移监测硬件设计

如图1所示，微位移监测模块用于采集、存储及向数据台回传卫星观测数据,监测模块采用高精度微位移监测设备,由天线、接收机、通信设备、避雷针、市电避雷器组成，其中接收机、市电避雷器、通信设备布设于防雨机柜中，将原始数据向监测主站发送以便于后期分析。

图1 GPS-PPP微位移监测站

北斗微位移监测装置的设计有以下特点：

(1)由于计划布设区域周边环境复杂，多路径和低高度角卫星可能会对测量误差及收敛速度有较大影响，故在选用接收机天线时，选用全频段扼流圈天线，多馈点设计以加强其抗多路径效应影响，同时在后期数据处理过程中，降低15°以下高度角卫星的可信度，滤除10°以下高度角卫星的数据；

(2)连接天线与接收机的馈线采用专用线缆，并同时外挂防雷器；

(3)由于监测点位距离市电接入点较近，故布设一条地下线缆直接接入市电，同时微位移监测模块中仍保有蓄电池，以保证市电失效时能够维持一段时间的正常工作来保证数据能够正常计算与存储。

硬件设备中，接收机与STM32微处理器、4G通讯模块部署于同一印刷电路板，以为这些弱电计算元件提供均一可靠的防水防尘保护性能，其硬件连接关系如图2所示。

图2 微位移监测站控制部分连接

为了降低所需存储的数据量及降低功耗，设备每8 h开启2 h，每一次观测，设备需要约30 min～40 min收敛至精密单点定位固定解，另外，历史观测结果可以辅助其后面的定位以提高收敛速度。在完成观测收敛后，设备开始记录定位结果，直到单次观测时间到达2 h，设备将处理所有临时数据，通过4G回传观测数据与定位结果，进入休眠状态。

STM32微处理器在每一个历元获取到接收机回传的原始数据流，使用精密单点定位算法利用STM32外接附属存储中的历史数据，解算当前历元的定位结果，对异常值进行滤除和重新解析。

同时，为了验证精密单点定位方法的有效性，使用STM32经由4G模块向差分服务器或自建差分基准站获取载波相位差分数据流，在使用精密单点定位解算自身位置同时，使用载波相位差分技术同步计算得出定位坐标，但两者仅使用共同的原始观测数据，在解算过程中没有数据交换。

经算法计算得到的定位结果，被存储于STM32的附属存储，在单次观测后经由4G模块发送至监控服务器。

2 GPS-PPP微位移算法设计与软件实现

PPP技术利用单个GPS接收机采集的相位和伪距观测值长期观测后，通过实验模型或数值拟合确定误差，即数据处理采用数据拟合与模型计算的方法而非差分法。PPP定位数学模型分为观测模型和随机模型，在实际使用中一般采用消电离层组合伪距PIF和消电离层组合相位LIF,其表达式为:

(1)

(2)

式中Li、Pi(i=1,2)分别为通过码相位测距与载波相位测距得到的以距离表示的载波相位和伪距观测值(单位:m);f1为L1/L2观测值的频率(单位:Hz)；ρ为卫星至接收机的实际几何距离(单位: m)；c为真空中的光速(单位: m/s)；Trop为对流层延迟和电离层延迟合并的1大气延时(单位: m)；dT、dt为以秒为单位的接收机钟差和卫星钟差；Ni为Li(i=1,2)多频观测值的整周模糊度(单位:Cycle,一般不具有整数特性，仅在整周模糊度固定时为整数)；εi、ei为LIF相位观测值噪声；PIF伪距观测值噪声。

PPP定位的随机模型即为观测值的方差阵。基于卫星观测高度角度加权方法现在是简单有效的计算加权方法。简单介绍下该种方法：消电离层伪距观测值和相位的误差分别为δ0,P和δ0,L。(一般取δ0,P=±1 m，δ0,L=±1 cm),则卫星i的伪距和相位观测值方差由式(3)给出:

(3)

从PPP的定位原理和数学模型来看，PPP采用非差分观测模型，经过模型拟合和滤波可以直接获得观测站的坐标。

PPP对修正模型的要求较高，同时其整周模糊度不一定为整数。因为其比差分观测模型有更多的可用观测值，保留了所有观测信息，实现GPS精密单点定位的关键技术主要存在于以下几个方面，同时给出了解决方法。

(1)对卫星轨道与卫星位置的精度要求较高，一般需要cm级。从国际GNSS组织及其他组织提供的精密轨道产品满足需求,可供精密单点定位使用；

(2)对卫星钟差的精度要求较高，通常需要到达亚纳秒级，一般使用IGS提供的精密钟差产品，其间隔一般为15 min，在其基础上通过插值方法得到每一关注时刻的钟差，但精密星历部分卫星钟差精度比标称精度低，同时精密钟差发布间隔较长，内插有时会引入误差；

(3)在精密单点定位解算过程中，需考虑天线相位中心偏精确改正模型，经学界验证，这些方法已经被确定有效，且被广泛使用在固体潮和海潮的拟合和解算中；

(4)需要考虑如何进行自适应的参数滤波以解决卡尔曼滤波在解算过程中的参数异常。

针对以上定位原理与实际问题，PPP解算软件与算法实现的基本流程如图3所示。

为了统一卫星轨道和卫星钟差信息的选取对GPS数据解算精度结果的影响,在1 Hz采样率动态单历元单点定位解算过程中使用的是国际GNSS服务(IGS)发布的最终精密轨道和欧洲定轨中心(CODE)发布的5 s采样率的最终精密钟差。

图3 PPP解算软件与算法实现

除此之外,天线相位中心改正方法采用绝对相位中心改正模型。测站坐标以及接收机钟差采用逐历元估计方式。卫星截至高度角设为15°和10°。同时为了提高运算速度和解算能力,对坐标参数和模糊度参数进行参数预消除。

在实际工作中由于多路径效应，卫星信号质量差等的影响，部分卫星观测数据可能存在异常或失锁，造成计算出的定位出现偏差；另外，根据算法固定出的模糊度并不能保证所有卫星的模糊度在各个历元下都是正确的。因此，在单历元定位及使用到历史历元的定位过程中用抗差模型降低异常观测值的权是有必要的，这能够有效抑制粗差等异常观测值对定位结果的影响。

同时，由于监测站在固定时间内位移量十分有限，因此可以在连续观测中把上一次观测的定位结果作为本次定位结果的初始值，在这个基础上进行模糊度固定与估计。通过历史观测数据为模糊度估计附加先验条件，进一步缩小模糊度固定空间，进而提高模糊度搜索速度以及提高精度。

3 试验数据与性能分析

实验装置于2021年2月安装于南方电网云南某变电站，如图4所示，经前期调研得知该变电站在过去若干年中有持续稳定的位移及沉降，实验装置中所用接收机为一套BT-200D，天线为BROTEX M110SLD GNSS天线。截至2021年12月共连续观测11个月。

图4 云南电网某变电站

在选择设备安装地点时应注意：所选位置应避开高大树木、建筑物等会影响卫星信号接收的障碍物，将监测区外多个控制点纳入参考以反应检测装置的长期稳定性。

将初始安装位置置于点(0,0,0)，以1 Hz的频率采集原始数据。如表1、表2所示，在实验结束后收集数据同步进行RTK及PPP计算，分析该变电站位移及沉降结果得知在雨季容易产生变形，相比之下，非雨季变形缓慢。

表1 监测实验位移月度数据

表2 监测实验位移累计数据

表1与表2展示了2021年2月～2021年12月间持续观测与PPP解算得出的东北方向上的位移及沉降距离，可见6月～9月沉降量增加程度较为显著，经与气象局降水量数据(表1，图5～图7)对比，6月～9月为该地区雨季。相关研究表明，滑坡的稳定性与降水量关系密切，尤其与累计降水量关系密切，降水可直接诱发滑坡等地质灾害，降水对地面产生冲刷和侵蚀，降低了岩土体的抗滑能力。6月中下旬逐渐增加的降水量导致监测点所在的滑坡处沉降量加剧，但总体上仍能保持稳定。

图5 监测期间降水量

图6 实验过程中累计位移及沉降

图7 实验过程中单月位移及沉降

实验期间，4月、7月、9月、11月分别使用RTK测绘级设备与全站仪对GPS-PPP微位移监测站进行了测绘，在此基础之上与所述PPP方法进行了比对，比对结果如图8所示。从比对结果看，长期测量下PPP测量结果精度能够基本与RTK测量方法持平，具有使用价值。

图8 实验数据与测绘结果比对

4 结束语

在变电站内处布设GPS-PPP微位移监测站点，获取该变电站近一年的实时三维累计位移及沉降数据，监测精度为毫米级，通过观察该变电站位移曲线及变化情况。基于GPS-PPP微位移监测技术，能够有效推断该变电站所处的状态以及预测变化趋势，保障了变配电基础设施及高压输电系统的安全，也可为其他区域提供参考与示范。

通过将GPS-PPP监测得到的微位移数据与降水量数据进行合并对比分析，可以了解到,当出现暴雨或其他降水增多的情况，地质体的位移也会对应的加剧变化。因此，文中工作引导了基于降水量及降水预测对变电站微位移预测相关工作的开展。

GPS-PPP微位移监测工作很好地展现了监测点微位移过程，建议在汛期或雨季加强对变配电站的监控与维护工作，提前采取防治措施，进一步提高高压输电系统的安全性。