刘 勇, 邹 浩.2, 傅清心, 张 攀
(1.湖北省地质局 第三地质大队,湖北 黄冈 438000; 2.资源与生态环境地质湖北省重点实验室,湖北 武汉 430034)
随着中国北斗卫星导航系统(BeiDou navigation satellite system,BDS)功能的不断完善和发展,北斗卫星导航定位技术以及相关产品被广泛应用于灾害监测、交通运输、特殊车辆管理、精准化农业和森林工作、军事战备以及电力系统等国家重要领域,逐渐与人们的生活息息相关,不仅为全球的发展提供了新活力,还丰富了全球导航的发展模式[1-2]。定位、导航和授时体系是国家信息基础设施的重要组成部分,也是国家战略资源及大国较量的制高点。大力实施北斗产业重大工程、推动北斗产业高质量发展与当下国家重大战略、科技领域发展要求深度契合,有着重要的研究意义。
目前,针对国家重大工程的GNSS形变监测技术已经相对成熟[3-5]。姜卫平等[6-7]在西龙池水库成功部署和运行了GPS自动化形变监测系统(DDMS),系统2 h数据解算精度在北(N)、东(E)、天顶(U)方向分别为1.2、0.9、2.2 mm。黄声享等[8]对厦门大厦进行了GPS动态形变监测,并利用小波分析提取建筑物的振动信号。戴吾蛟[9]根据GPS动态形变监测数据处理理论和方法,开发了能在台风作用下分析高层建筑振动的精密动态GPS数据处理软件,可应用于大型工程的动态形变监测。过静珺等[10]为广州高速公路虎门大桥建立了GPS-RTK实时位移监测系统,这是国内首次应用GPS技术对悬索桥等特大型桥梁实施的实时监测。2003年,三峡库区基本建立完成GNSS基准网和形变监测网,同时也建立了三峡库区地质灾害监测、预警及辅助决策支持系统[11]。袁媛[12]在山西省建立了GNSS地面沉降监测系统,该系统可在覆盖区域内实现厘米级实时沉降监测,重点区域可实现毫米级准实时沉降监测,目前该系统在矿区开采沉降监测等方面得到广泛应用[13]。鉴于矿山安全、滑坡防治、建(构)筑物结构安全中形变监测的重要性,本文以国内某工程为例,结合工程北斗实测数据和精度指标,对北斗在该类工程中的应用进行探讨,同时对北斗的数据质量以及监测站的三维形变进行综合分析评价,该研究可为相关单位在防灾减灾决策方面提供一定的参考。
1.1 数据完整率
数据完整率是指监测接收机观测到的卫星某频点上的实际观测历元数与理论观测历元数的比值[14]。在实际观测环境下,由于接收机内部问题、通信崩溃或者观测环境遮挡等因素,导致信号失锁,使得数据完整率低于100%。当数据完整率低于80%时,要特别注意接收机的观测环境是否存在遮挡、接收机内部硬件质量是否存在问题。
监测接收机捕获的某颗卫星单频点的数据完整率和单系统的数据完整率可以表达为[15]:
(1)
(2)
式中:DIf表示单频点的数据完整率;DIs表示单系统的数据完整率;n表示在观测时段内观测的卫星总数;Aj表示在观测时段内第j颗卫星在某频点的实际观测历元总数;Bj表示在观测时段内第j颗卫星在某频点的理论观测历元总数;Ci表示在观测时段内第i颗卫星在所有频点的有效观测历元总数;Di表示在观测时段内第i颗卫星的理论观测历元总数。
1.2 多路径误差
多路径误差是指卫星信号在传输过程中经反射折射,使得接收机接收的信号来源不唯一[16]。多路径是GNSS观测站数据质量的一个重要问题,也是数据质量评估的重要指标项之一,通常采用精心选址的方式来削弱误差[15]。当多路径误差>0.5 m时,要特别注意接收机的观测环境是否对卫星信号存在干扰,多路径计算公式如下:
(3)
(4)
1.3 信噪比
信噪比是反映信号强度的指标,通过载波信号强度与噪声强度之比表示。它是整个发射和接收链上的信号增益和损耗的结果,受天线增益参数、接收机中相关器状态、多路径效应的影响,是进行GNSS数据质量评估的重要指标之一,可以直接从观测文件中获取[1,17]。观测文件中每个历元、每颗卫星、每个频点都有一个信噪比,质量分析是直接获取其所有信噪比的平均值。对原始信号进行信号强度的等级划分,其结果如表1所示。原始信号强度一般在30～50 dB之间,信噪比等级在5～8之间。
表1 信噪比等级划分对应表[17]Table 1 Corresponding table of signal-to-noise ratio classifications
G=min(max(Ori_SNR/6,1),9)
(5)
式中:G表示划分后的信噪比等级;Ori_SNR表示原始信号强度。
目前常用的GNSS数据预处理软件有BNC(BKG Ntrip Client)、TEQC(Translation Editing and Quality Checking)和ANUBIS。BNC软件是基于QT框架开发的开源软件,但是不支持北斗卫星导航系统的数据质量分析[14,18]。TEQC软件只能兼容RINEX 2.X格式的观测数据,随着RINEX 3.X格式的观测数据成为主流,TEQC软件难以用于北斗-3卫星导航系统的数据质量分析[14,19]。为了解决接收机数据质量分析的多频多系统覆盖,通过自研软件对北斗观测数据进行分析评价,该软件能够实现GPS/BDS/Galileo/GLONASS的全频点覆盖,同时支持RINEX 3.X格式数据,并具备多频多系统数据质量指标分析功能。
在精密测量领域,如桥梁及隧道长期监测、地壳运动监测等都需满足较高精度的静态定位结果,对精密定位成果的可靠性提出了更高的要求。然而绝大部分数据处理软件仅能满足一定精度的需求,难以满足更高精度的基线解算工作。由美国麻省理工学院(MIT)和加州大学圣地亚哥分校的海洋研究所(SIO)共同研制的GAMIT-GLOBK软件具有基线解算运行速度快、成果精度高等特点,当采用高精度的控制点为起算点并采用精密星历进行解算时,其解算长基线相对精度可达10-9量级[20-21]。与此同时COSAGPS软件系统功能全面、整体性好、解算容量大,相比于GLOBK软件更适合工程方面的应用。因此本次的监测任务中,主要选取GAMIT软件进行长基线解算,相关参数在表2中给出,选取COSAGPS软件进行网平差处理,具体解算流程如图1所示。
图1 数据分析处理流程Fig.1 Data analysis and processing flow
图2 12个监测站北斗、GPS观测数据完整率Fig.2 Completeness of BDS and GPS observations at 12 monitoring stations
表2 基线解算策略Table 2 Baseline solution strategy
表3 GNSS接收机参数Table 3 GNSS receiver parameters
应国内某工程安全运行保障需求,利用北斗卫星导航系统对其进行全天候、高精度、实时动态三维监测。工程沿线布设有3个基准站和12个监测站,基准站选取在地质结构稳定的地区,并定期与当地CORS系统联测进行空间基准的统一与维持,之后再通过3个基准站与12个监测站组网联测。工程任务使用的两种类型GNSS接收机均为国产接收机,天线型号均为GPS1000,具体参数如表 3所示。
本研究选取监测工程的12个监测站为分析对象,将12个监测站根据分布范围和接收机型号分为D和M两组,采样间隔为15 s,观测周期为24 h,截止高度角为15°。
3.1 数据质量分析
通过自研软件,对12个监测站连续31天观测的数据完整率、多路径误差及信噪比等指标进行质量分析,评价BDS和GPS的观测数据质量差异,并比较不同的国产接收机接收BDS和GPS卫星观测数据质量差异,每个监测站31天的质量分析结果取其平均值。
3.1.1 数据完整率
由表4和图 2可以看出,所有监测站的BDS与GPS的数据完整率均在94%以上,最高达99.9%,均表现正常。从卫星导航系统方面来看,12个监测站BDS与GPS的数据完整率相差不大,GPS的数据完整率略高于BDS 1%左右。从接收机方面来看,两组接收机的数据完整率基本相当,D组表现相对更加稳定。
表4 12个监测站观测数据完整率(单位:%)Table 4 Completeness of observations at 12 monitoring stations
3.1.2 多路径误差
从表5可以看出,12个监测站的BDS各个频率的多路径误差基本处于正常范围,第一频率的多路径误差为0.30～0.51 m,第二频率为0.14～0.40 m,第三频率为0.18～0.27 m,绝大部分<0.5 m。GPS第一频率的多路径误差为0.24～0.47 m,第二频率为0.41～0.69 m,第三频率为0.18～0.50 m,GPS第二频率的多路径误差整体表现较大,说明在监测区域BDS相比于GPS有着更好的表现效果。
表5 12个监测站观测数据多路径误差(单位:m)Table 5 Multi-path errors in observations at 12 monitoring stations
根据图3-图 5显示,从卫星导航系统层面来看,第一频率D组的GPS多路径误差整体大于BDS,而M组则相反,BDS多路径误差整体大于GPS,第二频率和第三频率均为GPS多路径误差整体大于BDS;从接收机层面来看,M组第一频率和第三频率的GPS多路径误差均小于D组,M组第二频率和第三频率的BDS多路径误差均小于D组。不同的接收机对不同的卫星导航系统有着不同的表现效果,但整体来看M组接收机在性能和稳定性方面略优于D组,BDS多路径误差要小于GPS,并且BDS也表现相对更加稳定。
图3 12个监测站BDS、GPS观测数据MP1Fig.3 BDS and GPS observations MP1 at 12 monitoring stations
图4 12个监测站BDS、GPS观测数据MP2Fig.4 BDS and GPS observations MP2 at 12 monitoring stations
图5 12个监测站BDS、GPS观测数据MP3Fig.5 BDS and GPS observations MP3 at 12 monitoring stations
3.1.3 信噪比
从表6可以看出,12个监测站BDS和GPS各个频率的信噪比基本维持在同一水平。BDS第一频率的信噪比为43.51～44.15 dB,第二频率为45.00～45.75 dB,第三频率为45.81～46.63 dB,BDS 3个频率的信噪比整体呈依次增大的状态。GPS第一频率的信噪比为42.29～44.43 dB,第二频率为39.35～41.39 dB,第三频率为48.02～48.65 dB,GPS 3个频率观测数据信噪比相差较大,整体大小次序为第三频率、第一频率、第二频率。
表6 12个监测站观测数据信噪比(单位:dB)Table 6 Signal-to-noise ratio of observation data at 12 monitoring stations
根据图6-图 8显示,从卫星导航系统层面来看,第一频率D组BDS的信噪比略高于GPS,而M组则相反,GPS的信噪比略高于BDS;第二频率BDS的信噪比高于GPS,第三频率GPS的信噪比高于BDS。从接收机层面来看,两组接收机在3个频率上表现基本相当,且均较为稳定。
图6 12个监测站BDS、GPS观测数据SN1Fig.6 BDS and GPS observations SN1 at 12 monitoring stations
图7 12个监测站BDS、GPS观测数据SN2Fig.7 BDS and GPS observations SN2 at 12 monitoring stations
图8 12个监测站BDS、GPS观测数据SN3Fig.8 BDS and GPS observations SN3 at 12 monitoring stations
结合多路径误差与信噪比分析结果,在第一频率和第二频率上均表现为多路径误差越小、信噪比越大的趋势,而第三频率则恰恰相反。从当前工程12个监测站的3个质量分析指标结果来看,BDS观测数据质量相比于GPS表现更为稳定。数据完整率和信噪比方面BDS和GPS相当,多路径误差方面BDS优于GPS。两组接收机在数据完整率、多路径误差和信噪比方面性能表现相当。
BDS观测数据质量的好坏会直接影响高精度三维监测的结果,但是随着接收机技术和高精度定位算法的发展,信噪比对高精度定位的影响基本可以消除[22]。经长期大量实践表明,在监测工程中数据完整率存在指标计算不够完善问题,某些时候会出现指标失灵现象。在对建(构)筑物进行日常监测过程中,常常会遇到监测点位置较为偏僻、网络传输不流畅、通过4G网络传输到云服务器上的BDS观测数据不到24 h的情况,同时存在周围环境复杂等因素,造成多路径误差增大,这些问题都会对监测结果造成一定的影响。
3.2 三维形变分析
鉴于以上对BDS和GPS的数据质量进行分析对比的结果,利用GAMIT软件对12个监测站连续31天的BDS监测数据进行基线解算,并以第1天监测站的坐标为站心原点,计算之后30天12个监测站相对于站心原点的位移,得到各个监测站在N、E、U 3个方向的位移时间序列图。
为了能够获得更优的解算成果,根据各个监测站距离基准站距离的远近,来分区域进行数据解算。采用“2个基准站+6个监测站”的解算模式,将3个基准站和12个监测站分为2个区域,对区域数据解算剔除粗差之后得到的结果如图9-图10所示。
图9 区域一6个监测站三维形变量图Fig.9 Three-dimensional deformation at 6 monitoring stations in region Ⅰ
图10 区域二6个监测站三维形变量图Fig.10 Three-dimensional deformation at 6 monitoring stations in region Ⅱ
从图9中可以看出,在N方向上,监测站D1的形变量最大,D4的形变量最小,整体表现较为平稳;在E方向上,监测站D2的形变量最大,D5的形变量最小,整体表现较为平稳;在U方向上,监测站D5的形变量最大,D6的形变量最小,在2021年3月20日之前整体表现较为平稳,之后则出现明显波动。
从图10中可以看出,在N方向上,整体表现非常平稳,且各个监测站之间形变量相差不大,监测站M4形变量略高;在E方向上,监测站M1的形变量最大,M4的形变量最小,整体表现较为平稳;在U方向上,监测站M1的形变量最大,M6的形变量最小,在2021年3月20日之前整体表现较为平稳,之后则出现明显波动。
综合图9和图10可得,监测站的形变具有一定的相关性。从各个监测站的位置分布以及工程现场的实际情况分析来看,监测站D1-M6呈线状分布排列,D6和M1距离最近,位置相邻,而整个监测区又处于沉降漏斗区,故形变大小会随站点号呈二次曲线变化形式,形变最大点或最小点会出现在两端或中间的监测站中。
由于基线解算存在电离层、对流层、多路径效应等误差项,并且监测站的三维形变量是随着时间序列变化的量,为了能够对BDS监测结果进行精度评定,需要对各个监测站可能发生的位移趋势通过高阶多项式拟合,其具体公式如下:
(6)
将实际监测位移序列减去拟合值序列得到各个监测站的数据残差序列。
(7)
式中:Δy表示监测数据的残差序列;y表示实际监测的位移序列。
对残差序列取标准差,获得监测站的内符合精度:
(8)
式中:σ为残差序列标准差;n为各个监测站监测数据样本总数。
对区域一的监测站D6和区域二的监测站M1进行三维形变趋势拟合和误差分析,结果如图11-图16所示。
图11 监测站D6 N方向形变量与拟合残差图Fig.11 Northward deformation and fitting residuals at monitoring station D6
图12 监测站D6 E方向形变量与拟合残差图Fig.12 Eastward deformation and fitting residuals at monitoring station D6
图13 监测站D6 U方向形变量与拟合残差图Fig.13 Zenith orientation deformation and fitting residuals at monitoring station D6
图14 监测站M1 N方向形变量与拟合残差图Fig.14 Northward deformation and fitting residuals at monitoring station M1
图15 监测站M1 E方向形变量与拟合残差图Fig.15 Eastward deformation and fitting residuals at monitoring station M1
图16 监测站M1 U方向形变量与拟合残差图Fig.16 Zenith orientation deformation and fitting residuals at monitoring station M1
图17 12个BDS监测站内符合精度图Fig.17 Internal accord accuracy at 12 BDS monitoring stations
从图11-图 13中可以看出,监测站D6在N方向上的BDS监测时间序列波动较小,拟合曲线比较平稳,在2021年3月1—31日时间段内几乎未发生形变,去除趋势项后,BDS监测的内符合精度为0.9 mm;在E方向上有向反方向位移的趋势,整体拟合曲线较平稳,去除趋势项后,内符合精度为1.1 mm;在U方向上,2021年3月25日之后发生较为明显沉降,相对于2020年12月1日沉降范围在10 mm以内,去除趋势项后,BDS监测的内符合精度为1.5 mm。
由图14-图 16得出,监测站M1在N方向上BDS监测时间序列几乎无波动,拟合曲线非常平稳,去除趋势项后,BDS监测的内符合精度为0.6 mm;在E方向上有向正方向位移的趋势,整体拟合曲线略有波动,去除趋势项后,BDS监测的内符合精度为1.1 mm;在U方向上,在2021年3月1—31日区间内,相对于2020年12月1日发生了一定范围的沉降,拟合曲线较为平稳,去除趋势项后,BDS监测的内符合精度为0.7 mm。
从表7中可以看出,12个监测站在N方向上监测的内符合精度范围为0.35～0.97 mm,E方向上监测的内符合精度范围为0.45～1.11 mm,U方向上监测的内符合精度范围为0.58～1.80 mm,均能够满足3 mm的监测精度需求。根据图 17来看,N方向上的内符合精度最高,E方向次之,U方向最低;区域一和区域二的内符合精度基本相当,区域二相对更加平稳。结合工程现场的实际情况来看,区域二相比于区域一,其地下岩层更加坚硬稠密、土壤更加均匀稳定,具有更好的承载力和水文条件,因此区域二相比于区域一的稳定性更高,与定量的监测结果相符。
表7 12个BDS监测站内符合精度Table 7 Internal accord accuracy at 12 BDS monitoring stations
近年来中国地质灾害频发,滑坡、泥石流、地震等不断威胁人类生命和财产安全,因此对相关地质结构和重点保护区域进行合理的形变监测至关重要。本研究以某工程为例,结合工程连续31天的实测数据,对BDS观测数据质量以及监测站的三维形变进行综合分析评价,结论如下:
(1) BDS观测值的数据质量相比于GPS表现更为稳定,两种类型国产接收机性能表现基本相当。
(2) 2个区域12个监测站BDS监测的内符合精度平面优于高程,且均能够满足3 mm的监测精度需求。
(3) 相关研究成果可在滑坡、泥石流、地裂缝、地下水位、地面沉降监测等领域有良好的实用价值。
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