摘要：GNSS系统应用于变形监测已经成熟，在我国全力发展北斗系统的大背景下，司南导航结合长期的项目经验，采用BDS和GPS系统组合观测的方式，对长河坝水电站进行变形监测的工作。经过谨慎的现场考察、监测系统建设和数据分析，确定将BDS和GPS系统组合观测的方式应用于长河坝水电站的可行的。
关键词：北斗；变形监测；数据分析
0       引言
长河坝水电站为大渡河干流水电梯级开发的第10级电站^[1]，临近丹巴县城、泸定县城、康定县，有省道S211线通过，并于瓦斯河口与国道318线相接，是一座发电为主，兼具防洪的特大型水利水电枢纽工程。因其有较多的高差超过百米的高边坡，滑坡体陡峭，为预防滑坡的危害，故对容易发生危险的地带建立了GNSS站点，进行全天候无缝隙的监测。
该工程的地理位置特殊，现场施工测量难度大，采用传统的测量方式，如全站仪等，已经难以满足现实情况的需要。又因滑坡体陡峭，卫星信号受遮挡的情况非常严重。综合现场环境的考察，比较了单GPS系统^[2]、GPS和GLONASS系统组合、BDS和GPS系统组合的观测效果，确定采用BDS和GPS系统组合观测的方式效果最好。
1       BDS和GPS系统组合观测
1.1         北斗卫星导航系统
表1  北斗系统已发射的卫星
Tab. 1  Satellites has been launched of Beidou System

卫星号	轨道	卫星号	轨道
1	MEO	9	IGSO
2	GEO	10	IGSO
3	GEO	11	GEO
4	GEO	12	MEO
5	IGSO	13	MEO
6	GEO	14	MEO
7	IGSO	15	MEO
8	IGSO	16	GEO

注： GEO表示地球静止轨道，MEO表示中高度圆轨道，IGSO表示倾斜地球同步轨道。
1.2         卫星可视情况
在长河坝水电站布设的GNSS监测点中，选取4个稳定可靠、受卫星信号遮挡较小的站点作为GNSS监测点，利用GNSS接收机对监测点进行长期的观测。4个监测点的现场环境，如图1、图2、图3、图4所示。









采集了三个时段（2013年8月25日上午、8月25下午以及8月26日上午），每个时段持续2个小时的观测数据。经过分析，得到BDS和GPS卫星系统的持续可被跟踪的卫星数，以及时段内的最少可视卫星数，如表2所示。
经过查看，可得到北斗卫星系统的持续可视的卫星数目较GPS卫星系统多；而因现场环境过于恶劣，二号点、三号点、四号点的北斗卫星系统可视数目没有达到4颗，不能满足独立观测。故采用BDS和GPS系统组合观测的方式可满足现场环境的应用。
 
 
 
表2  BDS和GPS系统的可视卫星数
Tab. 2  Number of satellites between BDS and GPS systems

时段	点号	BDS/个	GPS/个	最少卫星数/个
25日上午	一号	5	2	7
	二号	5	2	11
	三号	4	2	8
	四号	4	2	6
25日下午	一号	5	2	8
	二号	4	3	8
	三号	3	2	5
	四号	4	2	6
26日上午	一号	4	2	8
	二号	6	2	11
	三号	4	2	8
	四号	3	3	6

 
1.3         卫星系统应用优势
采用BDS和GPS系统组合观测的方式，是充分发挥了双系统在地理位置特殊的长河坝水电站应用上的优势。
（1）目前已发射的16颗北斗系统卫星中14颗可用，有5颗静止卫星；可选择一颗信号质量好的卫星用作参考卫星进行持续的跟踪。
（2）北斗卫星系统主要是为了更好的服务于我国的国家建设和发展，具有明显的高度角优势，观测效果良好。
（3）北斗卫星系统具有三个频段^[3]，可通过TCAR等方法，瞬时求得模糊度。
（4）在全球卫星导航系统国际委员会（ICG）和国际电联（ITU）框架下，与世界各卫星导航系统实现兼容互操作。
2       变形监测系统
在长河坝水电站建立的监测系统是由GNSS参考站、GNSS监测站、通信系统、控制中心及辅助支持系统组成。
（1）参考站和监测站的GNSS站点监测，采用分体机的方式，将接收天线固定在建立好的观测墩上，接收机安装在机柜内进行保护，保证持续有效的卫星信号跟踪、接收、存储与发送。
（2）现场环境恶劣，施工难度大，不便于假设电缆；采用风能发电机和太阳能板等硬件设施，能充分利用自然资源，解决供电的困难。
（3）架设无线网桥，充分利用该通讯方式的大带宽、双向通讯、自由组网、远程控制等优点，将参考站和监测站的数据，顺畅的发送至控制中心。
（4）在参考站和监测站处安装避雷系统，防止恶劣雷雨天气等造成损失。
（5）在控制中心，利用安装完备的服务器，进行数据解算、存储和分析的工作。
（6）控制中心的服务器采用的解算软件是由司南导航独立研制的，能够实时解算来自接收机传回的数据。
（7）用户可采用客户端的方式，访问控制中心的数据分析结果，并可整理成报告提交相关部门。
3       数据结果分析
3.1         解算结果对比
本文中第2章节选取的4个监测点数据（共3个时段数据，每个时段观测2小时），利用司南导航独立研制的CDMonitor解算软件进行数据结果的解算，并将监测点解算结果与高精度Leica TM30的测量成果进行对比。
对比结果见表3、表4、表5、表6。
 
表3  一号点解算结果对比
Tab. 3  Results comparison of point one

方向	Lecia TM30测量/m	CDMonitor解算/m	差值/mm
X方向	34795.8135	34795.8140	0.5
		34795.8150	1.5
		34795.8150	1.5
Y方向	518719.4890	518719.4820	7
		518719.4810	8
		518719.4850	4
H方向	1487.4605	1487.4520	8.5
		1487.4593	1.2
		1487.4547	5.8

 
表4  二号点解算结果对比
Tab. 4  Results comparison of point two

方向	Lecia TM30测量/m	CDMonitor解算/m	差值/mm
X方向	3349626.5281	3349626.5286	0.5
		3349626.5276	0.5
		3349626.5281	0
Y方向	500899.8460	500899.8447	1.3
		500899.8485	2.5
		500899.8447	1.3
H方向	1388.1532	1388.1490	4.2
		1388.1560	2.8
		1388.1545	1.3

 
 
 
表5  三号点解算结果对比
Tab. 5  Results comparison of point three

方向	Lecia TM30测量/m	CDMonitor解算/m	差值/mm
X方向	3350577.0814	3350577.0810	0.4
		3350577.0843	2.9
		3350577.0790	2.4
Y方向	500993.9562	500993.9522	4
		500993.9603	4.1
		500993.9561	0.1
H方向	1389.5961	1389.5989	2.8
		1389.5898	6.3
		1389.5995	3.4

 
表6  四号点解算结果对比
Tab. 6  Results comparison of point four

方向	Lecia TM30测量/m	CDMonitor解算/m	差值/mm
X方向	3350663.7153	3350663.7187	3.4
		3350663.7119	3.4
Y方向	500912.3925	500912.3903	2.2
		500912.3946	2.1
H方向	1376.3508	1376.3657	14.9
		1376.3358	15

 
查看表3、表4、表5、表6后，除了四号点外，其他监测点的解算结果与已知坐标的差值均在毫米的范围内。而环境尤为恶劣的四号点，也仅在H方向，差值达到了厘米。
3.2         长时间监测效果
采用司南公司独立研制的监测软件呈现的长河坝水电站长时间观测效果图，如图5。




         图5所示的曲线图，是截取了长河坝水电站项目中一个监测点的长时间数据曲线图。其观测时段为2012年12月3日至2013年4月3日。从图中可知，该监测点的X方向和Y方向的走势有逐渐增大的趋势，而Z方向的数据波动幅度较小。
4       结论
司南导航公司充分考虑现场自然环境的实际情况，设计的监测系统，将自然环境的供电困难点转化为友好应用自然条件的优势。在司南导航独立研制的实时解算软件CDMonitor的帮助下，为长河坝水电站预防滑坡危害提供实时的数据分析，和长时间监测结果，并为将来其他类似的变形监测活动提供参照。
综上所述，采用BDS和GPS卫星系统组合观测的方式，是能够满足长河坝水电站变形监测的应用要求的，并且这种变形监测方式是目前能为长河坝水电站提供的最佳方式之一。
 
[参考文献]
[1] 黄成,陈亚琴.长河坝水电站泄洪系统进口高陡边坡施工技术难点解析[J].四川水利发电,2012,31(6):8-17.
[2] 刘基余.GPS卫星导航定位原理与方法[M].北京:测绘出版社,2003.
[3] 罗腾,白征东,原波.北斗三频组合数据在周跳探测和修复上的应用[J].测绘科学,2011,36(6):167-168.