GPS在西龙池上水库表面变形监测中的应用

赵 燕

（山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西省忻州市 035503）

GPS在西龙池上水库表面变形监测中的应用

赵 燕

（山西西龙池抽水蓄能电站有限责任公司，山西省忻州市 035503）

为了实现对西龙池上水库变形的连续、自动化监测，研制了GPS变形监测软件DDMS，建立了西龙池上水库连续运行监测系统。运行表明，系统具有较高的稳定性，DDMS在观测数据无缺失的情况下，提供有效解的概率高于98%。该软件2h时段解在N、E、U 方向的重复性分别为1.2mm、0.9mm、2.2mm，4h时段解算N、E、U 方向的重复性为0.8mm、0.7mm、1.5mm。实现了GPS监测系统可进行高效率的实时、自动化、高精度大坝变形监测。

GPS；表面变形；监测

0 引言

山西西龙池抽水蓄能电站设计4台机组，装机容量120万kW。电站于2002年开工建设，于2008年第一台机组投产发电，2011年机组全部投产商业运营。电站以500kV电压等级接入山西电网，主要服务于山西电网。

根据电站可研设计资料，电站设计年发电量18.05万kWh，抽水电量24.07万kWh，综合效率75%，电站主要功能是调峰、填谷、调频、调相和事故备用等方面。

1 西龙池上水库GPS变形监测系统

西龙池上水库GPS变形监测系统构建了一套合理、高度集成化的GPS监测软件平台，使用TCP/IP协议实现监测点接收机与主机的互联互访、远程控制等，具有拓扑结构简单、易于维护、性能稳定等特点。系统由数据采集子系统、数据通信子系统、数据处理与分析子系统组成（如图1所示），系统无需人工值守，其数据采集，处理、分析等在监控室主机的自动控制下完成。

图1 上水库GPS变形监测系统结构图

1.1 数据采集

图2 西龙池上水库表面变形GPS监测点分布图

西龙池GPS监测系统共设置基准点2个，连续监测点5个，如图2所示。各测站上均配备TRIMBLE NETRS接收机及CHOKERING天线（TRM29659.00），天线固定在强制对中基座上（安装于观测墩上），观测墩要求严格水平。两个基准站距上水库库区均有一定的距离（小于800m），仰角8˚以上没有遮挡，连续监测站位于环库的5个断面上，7个测站进行全天候24h不间断观测。

1.2 数据通信

数据传输网络采用星形拓扑结构，当某一网点出现故障时，不影响其他点的正常工作。监控室主机与各测站上的接收机进行实时数据交换，并转为RINEX文件存储。同时，为了保证数据传输的可靠性，系统保留了FTP下载功能，如实时数据交换失败，则自动更改为定时FTP下载。

1.3 数据处理与分析

数据处理软件采用由武汉大学测绘学院研制的DDMS软件，该软件主要由总控、数据处理、数据分析和数据库管理4个模块组成，主要功能包括GPS基线解算、坐标估计、变形量提取以及精度分析、基准稳定性分析、变形过程线显示、预警报警等。针对变形监测系统中基线短的特点，并兼顾实时性以及高精度的需求，对GPS基线解算模型进行精化，开发了GPS基线解算软件。主要模型以及处理策略如下：

（1）卫星轨道采用广播星历计算。对于1km以内的基线，轨道误差对基线的影响很小。经验公式计算表明，5m的星历误差，在最不利的情况下，其影响为0.05mm。目前广播星历的精度远小于5m，因此，由广播星历导致的轨道误差可以完全忽略。

（2）由于西龙池基准点与监测点大致在一个平面上，且基线小于1km，气象条件几乎完全一致，采用双差观测值建立观测方程，忽略了电离层、对流层的影响。

（3）对于地球自转的影响，不采用惯性系下建立观测方程的严密方法，忽略了岁差、章动以及极移在信号发射至接收期间的变化，简化得到近似的地球自转影响修正方法。对于1km的短基线，地球旋转近似误差对基线解的影响可以完全忽略。

（4）由于L1观测值的噪声水平仅为LC观测值的1/3，因此使用L1观测值进行坐标参数估计，L2观测值仅用于辅助周跳探测与修复。

（5）采用网解模式进行参数估计。独立基线的选择基于基线越短、模糊度越容易分离的原则，选择一组长度依次增加的最优独立基线。

（6）模糊度固定是实现GPS高精度监测的关键技术，DDMS对于每一条独立基线，先选择观测值最多的卫星作为参考星，其余的卫星分别与之求差，从而构成全网的一组独立双差模糊度。计算非差模糊度与双差模糊度间的映射因子，并将双差模糊度引入法方程中。法方程求解后可获得双差模糊度浮点值及其方差。浮点模糊度根据其能够被固定为整数的概率进行排序，采用区间判定法固定部分模糊度后，将其作为已知值代入观测方程中，并重新构建法方程，计算未固定的模糊度浮点值，并重新固定。循环迭代上述过程，直到所有的模糊度都固定。如迭代次数超过设定值后仍存在模糊度未能固定的情况，则使用方差比检验法搜索一组最优的模糊度。基线解算软件的基本流程如图3所示。为了统一不同期监测成果的基准，参数估计时，将基准点TN02固定。

图3 基线解算软件流程

（7）采用CHOKERING天线，截至高度角设为25˚，并将观测时段长度定为4h，以有效地抑制多路径的影响。为了防止天线定向差异引起的瞬时相位中心误差，采用与高度角、方位角有关的绝对天线相位中心改正模型。

变形分析软件主要进行坐标转换、粗差剔除、变形量计算以及变形经度评估、变形直观图输出、显示等。GPS基线解算的坐标属于WGS-84地心坐标系，常需要大坝工程独立坐标系下的变形量，因此须进行坐标转换。为防止由于基准点的变动而扰乱监测点的变形分析，需要对基准点的稳定性惊醒分析与评估。相同基准下的两期坐标估计值之差为变形量。

2 系统稳定性

本文统计了2014年5月的运行状态，时段长度为2h，应提变形量计算以及变形精度评估、变形直观图输出、供解个数为4380个，模糊度未固定30个，单位显示等。GPS基线解算的坐标属于权方差过大有4个，表1列出了统计结果。对于WGS-84地心坐标系，常需要大坝工程独立坐标获取到完整的观测数据时段，DDMS系统提供有效的变形量，因此须进行坐标转换。为防止有效解的概率高达98%。不到2%的数据未能获得于基准点的变动而扰乱监测点的变形分析，需要有效的解算结果，其中TN01、L022由于测站对基准点的稳定性进行分析与评估。相同基准下导致数据缺失，提供有效解的比率约为90%的两期坐标估计值之差为变形量。

表1 7个测站有效解的解算成功率

3 监测精度

利用基准点TN01、TN02在2014年5月27日～6月6日的观测数据，分别计算2h、4h基线时段解。由于这2个基准点较为稳定，因此TN01—TN02基线各时段解的重复性能真实反映系统的监测精度。取各时段解的加权平均值作为基线真值，2h、4h各时段解残差如图4和图5所示。可见，4h解的基线重复性较2h解稍好，同时，基线时间序列中的水平分量存在一个微弱的周日信号，量级约为1mm。GPS短基线时间序列中的周日信号来源较多，如GPS卫星星座几何分布的影响、多路径效应的影响、基准站观测墩的热胀冷缩等，本文忽略了周日信号对监测系统的影响。

图4 TN01-TN02 2h时段解残差

图5 TN01-TN02 4h时段解残差

DDMS的解算精度统计如表2和表3所示。可以看出，西龙池上水库GPS监测系统2h解的水平方向的精度优于2mm，高程方向的精度优于2.5mm；4h解的水平方向的精度优于1.5mm，高程方向的精度优于2.0mm。

表2 基线重复性

表3 DDMS 2h和4h解残差统计

赵 燕（1983—），女，工程师，大学本科，现从事合同管理、水工监测等相关工作。E-mail:yan-zhao@sgxy.sgcc.com.cn

GPS in the Xilongchi Upper Reservoir Surface Deformation Monitoring Applications

ZHAO Yan
（Shan Xi Xilongchi Pumped Storage Power Station Co. Ltd.,Xinzhou 035503,China）

In order to realize the deformation of Xilongchi upper reservoir of continuous and automatic monitoring developed GPS deformation monitoring system DDMS,establish the Xilongchi upper reservoir continuous operation monitoring system. The results show that the system has the high stability, and the DDMS can provide the effective solution with the probability of the valid solution without the absence of the observation data, and the probability of providing the effective solution is higher than 98%. The repeatability of the software 2H time solution in the N,E, U directions were 1.2mm, 2.2mm, 0.9mm, 4H time of the N, U, E direction of repeatability for 0.8mm, 0.7mm,1.5mm. The GPS monitoring system can achieve high efficiency, automatic and high precision dam deformation monitoring.

GPS ; Surface deformation ; Monitor