1、GPS 形变监测新技术及其在水库坝区的监测网试验摘要 全球定位系统（GPS）以其精度高、速度快、全天候等优点，成为当今最先进的形变监测手段。但是，在大坝安全监测中，受 GPS 定位精度和监测系统成本的影响，GPS 技术应用较少。本文就天荒坪抽水蓄能电站水库坝区的 GPS 试验，介绍了 GPS 在不同高度截止角、不同观测时间段的定位精度。同时，针对 GPS 在大坝滑坡监测中存在的问题，提出了 GPS 多天线新技术，并给出了在水库坝区监测的试验结果。关键词 GPS，形变监测, GPS 多天线，监测网1、 引言我国目前已建成的水库大坝约 86000 座，坝高在 15 米以上的约有 19000 座 1
2、。据初步统计，在已建的这些水库大坝中，被列为病险的大中型水库有 620 余座，被列为病险的小型水库有 33600 余座 3。对部分大坝存在的缺陷或隐患，如不及时发现和处理，将直接影响大坝的安全，甚至演变为溃坝的灾难性事故。据报道，我国在 50 年代末 60 年代初曾发生过溃坝。滑坡大部分分布在河流的两岸，其数量之多难以统计。仅三峡库区就有滑坡2490 处，自 1980 年以来，有 30 多处发生崩塌、滑坡，造成重大损失 1。由此可见, 对大坝、滑坡的安全监测非常重要。传统的形变监测是在监测区建立控制网，使用精密测距仪和经纬仪为主要手段，选择网中高等级点建立统一基准，将这些监控网点用可靠的方法高
3、精度地与各部位的独立基准点联测，将独立基准点各部位倒垂、正垂、引张线等监测系统联系起来，形成整体的监测网络系统。监测网的精度和可靠性要求高，观测周期多，所需费用高，而且需要大量的人力物力。GPS 精密定位技术已在大地测量、地壳形变监测、精密工程测量等诸多领域得到了广泛的应用和普及。与观测边角相对几何关系的传统测量方法相比，GPS 监测具有很大的优点 1。它可以实现高度自动化，大大减轻外业强度，同时又能够迅速得到高效可靠的三维点位监测数据。2、 GPS 在大坝、滑坡形变监测中的应用GPS 用于形变监测，监测的区域一般不是很大，但变形监测点布设比较密集。当 GPS用于大坝形变监测或滑坡监测时，往往
4、是对一定范围内具有代表性的区域建立变形观测点，在远方距离监测点合适的位置（如稳固的基岩上）建立基准点。在基准点架设 GPS 接收机，根据其高精度的已知的三维坐标，经过几期观测从而得到变形点坐标（或者基线）的变化量。根据观测点的形变量，建立安全监测模型，从而分析滑坡、大坝等的变形规律并实现及时的反馈。事实上，为了建立一个更接近实际情况的安全监测模型，合理的密集分布监测点是需要的。使用常规的全站仪，虽然可以降低成本，但是需要更多的人力完成观测操作；而使用 GPS观测则简化了外业操作，但是多个监测点需要使用更多的高精度接收机同时观测，仪器费用也随之提高。因此，降低成本是 GPS 观测需要解决的问题。
5、大坝和滑坡在短时间内不会出现很大的位移，要通过观测整体的微小变形量，构造统计分析模型，预测变形体长期的变化趋势，为以后的分析决策提供依据。为了进行形变分析，需要获得监测点高精度位置坐标数据，通常要求监测点的观测数据达到毫米级的精度，这也是 GPS 定位技术能否应用于变形观测的一个关键性问题。与普通的工程测量不同，滑坡及大坝形变监测需要实时传送数据，并不断更新，达到监控的目的。普通的全站仪由于其内部的电器、光学特性使得它不能工作在雨雪天气，夜里也无法完成测量作业，GPS 技术由于其全天候作业的特点不但可以取代传统的测量作业方式，而且可以将 GPS 信号传输到控制中心，实现数据自动化传输、管理和分
6、析处理。GPS 用于变形监测虽具有突出的优点，但由于每个监测点上都需要安装 GPS 接收机，尤其是当监测点很多时，造价十分昂贵 4,5。针对这个问题，我们提出了 GPS 一机多天线方法，即一台接收机联接多个天线，每个监测点上只安装 GPS 天线，10 个，乃至 20 个监测点共用一台接收机，这样监测系统的成本可大幅度下降。基于上述设计思路，我们研制开发了专利产品“GPS 一机多天线控制器” ，使一台 GPS 接收机能联接 8 个天线。该项技术为大坝、高边坡及滑坡的 GPS 安全监测创造了极为良好的条件，也使 GPS 技术在水利水电工程中有了广阔的应用前景。3、 GPS 大坝形变监测网试验天荒坪
7、抽水蓄能电厂位于浙江省北部安吉县境内，下水库座落在太湖流域西苕溪支流大溪上。电厂枢纽包括上水库、下水库、输水系统和厂房等部分，处于天目山区中部的崇山峻岭中，河道落差很大，下水库位于太湖流域西苕溪的支流大溪上，上水库位于大溪的一条小支沟的沟源洼地，输水系统和厂房均设在地下，上、下水库库底天然高差约 590m，筑坝形成水库后平均水头约 570m，两个水库的水平距离仅 1km 左右。因此，建立先进可靠的 GPS 形变监测系统，对于实时监控枢纽的安全运行，具有特别重大的意义。将 GPS 应用于天荒坪抽水蓄能电厂大坝的形变监测，工程实现中要考虑 GPS 的一些限制因素及其对定位精度的影响，我们考虑如下问
8、题： 在大坝的高边坡上设置的变形监测点，由于部分天空受遮挡，就要合理设置卫星观测的高度截止角，不同的截止角对变形监测有无显著的影响？ GPS 观测可以使用双频接收机，也可以使用单频接收机。考虑到成本问题，在几公里的小范围内，双频接收机观测精度与单频接收机相比，有无明显的提高？能否用单频接收机取代双频接收机？ 使用 GPS 定位首先要求接收机跟踪锁定足够数目的卫星，以便进行整周模糊度解算。在大坝的变形监测中需要多长的观测时间达到形变观测的精度要求？针对以上问题，受天荒坪电站总公司的委托，我们在天荒坪抽水蓄能电厂的坝区进行了一系列试验。（1）选择不同高度截止角对受边坡遮挡的监测点，变换不同的高度角
9、，观测各条基线长，与当地的常规全站仪测量得出的坐标（假定为真值）反算得出的基线长进行比较。选择 6 个坝坡的观测墩架设天线，使用 ASHTECH 双频接收机按 15、20、25、30、35高度截止角分期进行观测。使用 ASHTECH 的随机基线解算软件 PRISM 算得基线长如表 1 所示：表 1 不同高度截止角观测结果15高度截止角观测结果比较起始点 终止点 基线长（m） 残差（m） 坐标反算基线长(m) 外符合差（m）TS06 TP11 656.666 0.0056 656.5884 0.0780TS07 TP11 227.658 0.0051 227.6249 0.0330TS04 TP
10、11 762.281 0.0052 762.2009 0.0800TP1 TPZ7 223.647 0.1072 223.7739 -0.127020高度截止角观测结果比较TS06 TP11 656.666 0.0062 656.5884 0.0776TS07 TP11 227.657 0.0058 227.6249 0.0321TS04 TP11 762.281 0.0051 762.2009 0.0801TP1 TPZ7 223.542 0.1084 223.7739 -0.231925高度截止角观测结果比较TS06 TP11 656.667 0.0073 656.5884 0.0786T
11、S07 TP11 227.657 0.0069 227.6249 0.0321TS04 TP11 762.282 0.0059 762.2009 0.0811TP1 TPZ7 223.525 0.1191 223.7739 -0.248930高度截止角观测结果比较TS06 TP11 656.668 0.0090 656.5884 0.0796TS07 TP11 227.656 0.0081 227.6249 0.0311TS04 TP11 762.280 0.0068 762.2009 0.0791TP1 TPZ7 223.530 0.1159 223.7739 -0.243935高度截止角观
12、测结果比较TS06 TP11 656.670 0.0124 656.5884 0.0816TS07 TP11 227.657 0.0108 227.6249 0.0321TS04 TP11 762.280 0.0098 762.2009 0.0791TP1 TPZ7 223.530 0.1159 223.7739 -0.2439从以上的观测结果比较表可以看出，在 5到 35的变化区间上，观测结果的外符合误差基本上是在几个厘米的变化范围上浮动，取 15到 20左右可以达到最好的观测效果。因此，在对较高的建筑物进行形变监测过程中，一定要考虑是否有其他地物遮挡的问题。但是对于普通的滑坡位移监测，这样
13、的精度已经能够满足要求，可以容许高度截止角在一定范围内的变化来避开被遮挡的天空。（2）选择观测时间考虑到用 GPS 观测不同于普通的全站仪，需要先对天空中可见卫星进行信号锁定，计算出卫星的整周模糊度，根据卫星的分布计算几何精度因子，评价 GPS 定位的精度水平。当接收机失去对卫星的锁定时（比如遮挡或者卫星飞离可视天空） ，需要重新锁定新出现的卫星，比较并使用最优卫星空间结构计算天线位置。因此，就观测时间的长短，我们同样作了相关的试验进行分析。在天荒坪上水库，选取 TS06、TS07、TS04 作为基准点，因其具有良好的环境条件和稳定性，将边坡上 TS04、TP11、TPZ7、TP1 作为变形监
14、测点，使用双频接收机分别连续观测 15、30、45、60、90 分钟，并使用 PRISM 随机软件经过基线解算及网平差处理结果如表 2 所示：表 2 不同 GPS 观测时间平差结果15 分钟观测平差结果站名 X(m) Y(m) Mx(cm) My(cm) Mp(cm)TP11 75265.066 49321.305 3.70 5.93 6.98TPZ7 74715.401 49017.203 1.15 3.85 4.02TP1 74831.549 49206.485 2.55 3.75 4.5330 分钟观测平差结果TP11 75265.084 49321.280 0.53 0.52 0.75
15、TPZ7 74715.213 49017.131 0.27 0.12 0.30TP1 74831.451 49206.463 0.28 0.15 0.3245 分钟观测平差结果TP11 75265.089 49321.281 0.32 0.28 0.42TPZ7 74715.172 49107.125 0.21 0.25 0.33TP1 74831.451 49206.472 0.25 0.24 0.3560 分钟观测平差结果TP11 75265.092 49321.282 0.24 0.23 0.33TPZ7 74715.173 49017.127 0.26 0.24 0.35TP1 748
16、31.456 49206.467 0.18 0.20 0.2790 分钟观测平差结果TP11 75265.089 49321.282 0.24 0.27 0.37TPZ7 74715.178 49017.127 0.24 0.15 0.28TP1 74831.454 49206.469 0.18 0.22 0.28从以上表 2 中三个监测点的坐标分量中误差可以看出，15 分钟观测精度只能达到厘米级的精度，最小是 1cm，最大达到 7cm。因此，15 分钟这么短的时间不适合作为 GPS 观测大坝的形变的观测时间。当观测时间在 30 分钟以上时，观测精度有了明显的好转。观测时间大于 45 分钟，精
17、度基本上在 2 3 毫米之间变化。从表 2 中还可以看出，90 分钟观测与 45 分钟观测结果相差已经不是很明显。从提高工作效率节省工作时间方面考虑，45 分钟已经能够达到 GPS 滑坡及大坝形变监测的要求。（3）单频、双频 GPS 接收机试验 由于双频接收机可以连续观测 L1、L2 两个频段的载波和测距码，增加了观测量，可以更好的消除信号在大气中传播造成的误差。因此，同测量型单频接收机相比，双频接收机的价格上要高得多。对于需要密集布点的监测系统中，使用的接收机数量较多时，成本很高。为此，我们做了单频、双频接收机比较试验。同样取 TS06、TS07 作为基准点，都使用双频机，TS04、TP11
18、、TPZ7、TP1 在两天相同时段里用单频机、双频机分别观测，假设外部条件没有明显变化的情况下，基线解算与网平差均使用的 PRISM 随机软件，其平差结果如表 3 所示：表 3 单频和双频 GPS 接收机观测结果比较单频接收机两个基准点观测平差结果站名 X(m) Y(m) Mx(cm) My(cm) Mp(cm)TS04 74535.746 49104.183 0.37 0.38 0.53TP11 75265.746 49321.283 0.46 0.44 0.63TPZ7 74715.155 49017.539 0.20 0.48 0.52TP1 74831.464 49206.470 0.
19、23 0.42 0.48双频接收机两个基准点观测平差结果TS04 74535.738 49104.182 0.14 0.13 0.19TP11 752653.090 49321.283 0.15 0.16 0.22TPZ7 74715.174 49017.128 0.16 0.11 0.20TP1 74837.453 49206.470 0.11 0.14 0.18由表 3 可见，单频接收机观测精度在 4 至 6 毫米；而双频接收在同等条件下观测精度可达到 1 至 2 毫米。显然，在坝区进行变形监测，使用双频接收机可以达到较好的效果。但对于要求不是很高的滑坡形变监测区，可以考虑使用单频接收机。
20、4、 GPS 多天线技术在滑坡及大坝监测中的应用前面已经提到，制约 GPS 大范围应用的一个关键因素是它的费用高。当进行自动变形监测时，每一个变形监测点都需要配备一套 GPS 接收机，这使得监测系统的费用相当昂贵。GPS 一机多天线系统作为 GPS 应用领域的一个创新，它的研制目的在于大大减少用于滑坡监测中使用的 GPS 接收机的数量。我们利用 GPS 一机多天线控制器，使一台接收机联接 8个天线，每个监测点上只安装 GPS 天线，8 个监测点共用一台接收机，这样监测系统的成本可大幅度下降。GPS 一机多天线系统原理见文献 2，由控制中心、数据通信、GPS 多天线接收单元和供电系统构成。我们在
21、天荒坪水电站的上水库采用 GPS 一机多天线系统进行了相关试验。取 TS07 作为基准点，TPZ8、PZ10、PZ11 为观测点，这三个观测点共用一台接收机。事先设置多天线各通道工作相同时间，及其它相关参数，监测点布置如图 1 所示。不同于常规 GPS 观测结果处理，由于 GPS 一机多天线系统其分时操作的特点，对观测文件需要按时间进行切割，我们用自行开发的程序对接收机采集的数据进行处理，程序界面如图 2 所示。图 1 GPS 多天线监测网布局基准点 TS07监测点 TPZ8监测点 PZ10监测点 PZ11图 2 GPS 多天线系统数据处理软件界面经过切割生成的文件与普通的观测文件一样，将基准
22、点连同三个监测点一起进行基线解算，结果如表 4 所示。表 4 基线长度及中误差基线段 基线长（m） 中误差（m） 卫星数 PDOP 类型TS07 - TPZ8 457.818 0.003 13 1.7 L1/L2 GPSTS07 - PZ10 357.252 0.002 12 1.6 L1/L2 GPSTS07 - PZ11 306.797 0.002 11 1.5 L1/L2 GPS从表中看出，使用 GPS 一机多天线系统，观测精度达到 2 至 3 毫米，这与前面在各站分别架设接收机观测得到的效果相当，但是使用接收机的数量大大减少，从而减少了监测系统的成本。5、 结论天荒坪抽水蓄能电站水库坝
23、区的监测网试验显示，GPS 技术完全可以应用于滑坡及大坝形变监测，而且由于其全天候工作、自动化观测、简单的操作、高精度的成果，具有传统测量无法比拟的优势。制约 GPS 应用于形变监测的一个因素是费用问题，但是，利用GPS 多天线技术的，使得接收机的数量在不影响观测质量的前提下大大减少。随着 GPS 自动化监测系统的不断完善，数据的采集、传输、处理（包括分析、管理）都不需要人为的干预，这使 GPS 在水利水电工程中有越来越广阔的应用前景。参考文献：1 徐绍铨,等。GPS 在大坝和滑坡安全监测中应用的研究，水力发电，Vol 29,No.1,2003,pp61-64.2 何秀凤，华锡生， “GPS
24、一机多天线变形监测系统” ，水电自动化与大坝监测，Vol 26，No.3，2002，pp34-37.3 何秀凤，丁晓利, GPS 一机多天线技术的研究及应用研究报告。4 Huang Dingfa, Ding Xiaoli, ChenYongqi. A New GPS System for Continuous Deformation Monitoring. Journal of Southwest Jiaotong University Nov.2000 Vol.8 No.25 I. Petrovski, S. Kawaguchi, H. Torimoto, M. Asako, T. Chachin, K. Okano. Landslide Monitoring System Based On High-speed Sequential Analysis for Inclination. ION GPS 2000, 19-22 September 2000, Salt Lake City, UT
