孙加东++刘振宇++肖楠

[摘 要]组建一套高精度的GNSS实时在线监测系统为基础，监测网的设计为支撑，传统的监测方法为补充，监测数据的多因素分析成果为目标，从而解决GNSS实时在线监测系统在大型水工建筑监测应用中的实际问题。

[关键词]GNSS 实时 监测 水工建筑 位移监测

中图分类号：P228 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）17-0041-01

一、国内外研究概况、水平、专利情况及发展趋势

（一）国内外研究概况

GNSS（Global Navigation Satellite System）定位技术以合理的卫星星座框架，强大的服务功能，特别是具有可以实现任何地方、任何时间的全天候定位功能、作业灵活简便、定位精度高等优点，尤其是进入90年代后，GNSS卫星定位和导航技术与现代通信技术相结合，在空间定位技术方面引起了革命性的变化。从静态扩展到动态，从单点定位扩展到局部与广域差分，从事后处理扩展到实时（准实时）定位于导航，绝对和相对精度扩展到米级、厘米级乃至亚毫米级，从而拓宽了它的应用范围和在各行各业中的作用。不仅已经广泛应用于崩塌、滑坡、泥石流等地质灾害监测中，也在大型桥梁、水库大坝等领域应用较多。在上世纪80年代，国际上就已经逐渐采用GNSS定位技术对火山、崩塌、滑坡、地面沉降、地裂缝等方面进行了监测和预警。

（二）项目背景

综合上述因素，为了实时掌握水工建筑主体的安全运行状况，特别是在特大洪水与大潮情况下能够实时获取泵站的安全运行情况，建立一套GNSS在线监测系统是非常必要的。同时，现场恶劣的自然条件和场地空间的限制，监测网的优化设计、周跳探测、整周模糊度解算、参考点的建设方案、监测数据的分析成为解决问题的关键。

二、研究的主要内容

GNSS观测数据中的周跳探测、整周模糊度快速解算、监测网形的优化和监测数据的分析是本研究课题的重点内容。

与传统的视准线监测方法相比，GNSS实时在线监测系统具有以下优点：

1.高精度，三维化。视准线法只能得到水平位移，不能得到垂直位移；

2.可以实时在线观测监测点的变化量与变化过程线；

3.不受恶劣天气的影响，即便极端的天气环境下（特大洪水、狂风暴雨）也能做到真正意义上的全天候全时段监测；

4.长期来看，节省了人力、物力，减少了运行成本，提高了经济效益；

5.解决了GNSS实时在线监测系统安装与运行中的关键问题，为后续大型水工建筑的安全监测提供了借鉴。

（一）周跳的探测

导致周跳产生的信号失锁可长达数分钟，也可能发生在两个相邻历元之间。在前一情况下，周跳很容易识别，因为此卫星在失锁期间就不再有相位差观测值；但在后一情况下，在失锁前后的每个历元都有包括整数和小数部分的相位差观测值，故难以察觉已曾发生的周跳。对于某颗卫星瞬时相位差观测值，发生中断的第一类周跳，可据发生之前此卫星的若干个连续的单差观测值，用高阶拉格朗日多项式进行拟合，然后外推恢复跟踪后第一个历元单差观测值中应有的整周数，并取而代之，推求出的整周数与原整周数之差也用于修正随后各历元的整周数。亦可用周跳后的观测值逆向外推之前的观测值，求得整周数偏差后再改正周跳后的观测值；对于发生在两个历元之间的第二类周跳，可用前面若干个正确的连续观测值拟合外推下一个历元观测值，据其整周数与实际观测值的整周数是否有差异判断是否存在周跳，若存在，即用求得的整周数之差修正此历元及其随后的历元观测值中的整周数。

（二）整周模糊度的解算

当采用一定的数学方法确定出整周模糊度后，卫星至用户的距离测定就可精确到不足一个波长，达到厘米乃至毫米的误差量级。由于观测值中存在整周模糊度和周跳使GPS的基线处理复杂化。

可通过卫星和测站的先验信息或伪距观测值，估算其近似值并在平差计算中解算其最佳估值。采用通常的方法解算时，需随观测时间的延长使卫星的几何构形发生较大的变化，使电离层折射效应和多路径效应等系统性偏差的影响被逐渐削弱以至消除，从而保证其确定的可靠性。在通常的静态定位中，为确保确定的可靠性，至少要观测1小时左右。为缩短观测时间、提高工效，应改进确定的方法和采用特殊的测量模式。

（三）监测网的优化

高质量的监测网可以准确地监测变形体的变形，由于监测网的主要作用在发现变形，因此它是变形观测与分析的基础。如果监测网布设不合理，观测的精度不高，控制网就不能有效发现粗差、抵抗粗差，就不可能灵敏第检查出异常信号。监测网的质量可以用网的精度、可靠性、灵敏度、费用等来表示，大量研究分析表明，监测网的质量与控制点的坐标无关，但与监测网的基线数、基线的连接形式、基线本身的精度密切相关。基线本身的精度与使用的仪器、观测时间的长短、选择的卫星窗口、数据处理技术、模型的选择等有关。在监测中，对观测时间、环境、技术等现实条件很难改变，但监测网的网形结构则比较容易，因此研究监测网的网形结构十分重要，有助于优化监测网的布置，提高其质量。

1、监测网形的优化研究

以网形优化理论和相关文献为指导，采用我单位现有的六套GNSS接收机进行多次试验，对多次试验的数据进行数据预处理、基线解算等工作，以确定网形对监测成果的影响。并到现场实际查勘，以确认制定的网形优化方案在现场的可实施性。

2、数据处理方法研究

待已经安装和调试完备的实时在线监测系统安装完毕并开始运行之后，取一定时段的数据在进行实时处理的同时，采用数据后处理软件进行重新处理并解算。比较解算的成果的差别并分析其原因，力求使实时在线监测系统能够获取高精度的监测成果。

3、参考框架的选择与精度评定

以现有的参考框架选择理论为指导，根据网形优化研究的成果并结合现场情况，确定零点位置和纵横轴方向，从而建立坐标系统。

目前，项目组实验室拥有多套GNSS设备，多次采用这些设备通过静态观测的方法进行控制测量，熟知数据处理流程及数据处理方法。多名项目组成员曾在天津市南水北调中线滨海新区供水一/二期工程中参加了管线的安全监测项目，连续多年承担了海河下游局五闸枢纽垂直位移监测与分析项目。

三、结束语

我市位于华北沉降漏斗区，在我国属于沉降相当严重的地区，尽管近些年在多个部门的齐心协力下，沉降速率有所下降，但是由沉降引起的问题依然严峻。我市境内的各大型水工建筑基本上每年都会采用传统的测量方法进行安全监测（主要包括水平位移、垂直位移），费时、费力的同时也增加了经济成本。

特别是当特大洪水来临时，GNSS实时在线监测系统不仅能够保障监测人员的人身安全，还能够实时得到水工建筑当前所处的状态。为相关部门的决策提供强有力的支持。