北斗Ⅲ变形观测系统性能测试与工程应用_黄鑫.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023北斗变形观测系统性能测试与工程应用黄鑫1，于永堂2，3，张继文3，郑建国3，夏娜4，刘争宏3（1.西安建筑科技大学 土木工程学院，陕西 西安 710055；2.中联西北工程设计研究院有限公司，陕西 西安 710077；3.机械工业勘察设计研究院有限公司陕西省特殊土重点实验室，陕西 西安 710043；4.合肥工业大学 计算机与信息学院，安徽 合肥 230009）摘要:针对传统工程观测方法存在的基准点选取困难、自动化程度低及可靠性差等问题，设计了北斗高精度变形观测系统。为验证该系统在地表变形观测中的观测精度及应用效果，通过模拟试验分析观测精度与通视条件、定位时段的关系，并将上述观测系统与传统方法进行对比。结果表明，在试验区域内，保证通视条件且定位时段为12 0016 00时，BDS变形观测系统垂直向定位精度优于 1.5 mm，水平向定位精度优于 1 mm，相同条件下，水平向定位精度由于垂直向定位精度；该系统能很好的保证观测数据的完整性，得到的观测值与传统水准观测值基本一致，适合用于高精度、自动化地表变形观测工程。关键词:北斗变形观测系统；地表变形；自动化观测；静态定位精度测试中图分类号:TU443 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01015809Performance Testing and Engineering Application of Beidou III Deformation Monitoring SystemHUANG Xin1，YU Yongtang2,3，ZHANG Jiwen3，ZHENG Jianguo3，XIA Na4，LIU Zhenghong3(1.School of Civil Engineering,Xian University of Architecture and Technology,Xian 710055,China；2.China United Northwest Institute for Engineering Design&Research Co.,Ltd.,Xian 710077,China；3.Shaanxi Key Laboratory of Behavior and Treatment for Special Rocks and Soils,China JK Institute of Engineering Investigation and Design Co,Xian 710043,China；4.School of Computer and Information,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)Abstract:In view of the difficulty in selecting reference points，the low degree of automation and the poor reliability of the traditional engineering monitoring methods，a high-precision deformation monitoring system based on Beidou III is designed.In order to verify the observation accuracy and application effect of the system in surface deformation monitoring，a simulation test was conducted to analyze the relationship between observation accuracy，viewing conditions，and positioning time.The monitoring system is also compared with traditional methods.The results show that in the test area，the DOI：10.13409/ki.jdpme.20210310003收稿日期：2021-03-10；修回日期：2021-06-14基金项目：陕西省技术创新引导专项(基金)计划项目(2020CGHJ-002)、陕西省秦创原“科学家+工程师”队伍建设项目(2022KXJ-086)、国家自然科学基金项目(41790442)、国家自然科学基金项目（61971178）、陕西省青年科技新星计划项目(2018KJXX-001)、安徽省科技重大专项（18030901015）资助作者简介：黄鑫（1996），男，硕士研究生。主要从事岩土工程观测技术研究。E-mail:通讯作者：于永堂(1983)，男，高级工程师，博士。主要从事岩土工程观测与检测技术、湿陷性土地基处理技术的研究与应用。E-mail：158vertical positioning accuracy of BDS-III deformation monitoring system is better than 1.5 mm，the horizontal positioning accuracy is better than 1 mm，and the horizontal positioning accuracy is high than vertical positioning accuracy under the same conditions.The proposed system can guarantee the integrity of monitoring data，and the resulting observations are consistent with the observations from traditional leveling methods.The system is suitable for high-precision and automated surface deformation monitoring projects.Keywords:BDS-III deformation observation system；surface deformation；automated monitoring；static positioning accuracy test0引言随着我国城市发展和基础设施建设进程的加快，大面积、区域性工程所面临的变形与稳定性问题日益突出。因此，对某些重点区域、重大工程进行长期连续的安全性观测必不可少。然而，在采空区、沉陷区、高填方等大面积、区域性工程的变形观测中却遇到以下难题：场区内难以找到稳定的基准点，通视条件差；地质体变形量值大、发展迅速，需连续、实时观测；雨雪冰冻恶劣天气下变形观测工作实施困难。由于传统变形观测方法存在基准点的长距离引测误差大，观测效率低，连续性、实时性不足，难以及时发现工程隐患和分析演化趋势，在恶劣天气下难以甚至无法观测等问题，因此需要寻找替代方法。基于大数据技术的卫星定位技术具有全天候运行、数据采集频率高、可靠性高、自动化程度高、布测区域广的特点12，在满足安全监督要求方面明显优于其它手段，是克服上述工程观测难题的理想选择。北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，简称 BDS）是中国正在实施的自主研发、独立运行的全球卫星导航系统，与美国 GPS、俄罗斯 GLONASS、欧盟 GALILEO 系统并称全球四大卫星导航系统3。利用 BDS 技术进行地表沉降观测可以避免由于大地水准面不平行和重力异常引起的误差，比水准仪测量更加合理可行。目前，该技术已经被运用于滑坡预警48、高填方沉降910、地表变形11、地壳运动12等观测工程，均取得了较好的工程效果。我国的北斗系统自 2000 年发射第一颗卫星以来，现已发展到北斗代，到 2020 年 7月，北斗三号全球卫星导航系统（BDS）正式开通，目前已实现全球覆盖。利用北斗卫星高精度定位技术对工程场地进行安全观测是一种非常合适的方法，国家正在向各行业大范围地推广和应用，市场前景非常广阔。目前，北斗高精度定位能实现的精度1314是：广域双频接收机，可达分米级；实时动态差分，可达厘米级；在采用特殊的观测措施、精密星历和适当的数据处理方法后，精度可达毫米级，因此技术上是可行的。团队根据北斗定位系统的特点，基于北斗代卫星导航系统，研发出了“BDS变形观测系统”，拟将其运用于地表沉降观测工程中。为探究 BDS变形观测系统用于高精度地表变形观测的精度情况，通过模拟试验进行了各种影响因素下的精度测试，并将其应用到地表变形观测实际工程中。相关成果可为北斗定位系统在地表变形观测工程中的应用提供参考。1 BDS变形观测系统简介1.1 系统组成高精度 BDS变形观测系统由观测硬件设备和服务器软件两大部分组成。（1）观测硬件设备BDS观测硬件设备包括基准站、观测站，二者都由 BDS 信号接收机（内置数传电台、4G 通信模块）、GNSS定位天线、4G 天线、电台天线、蓄电池和太阳能板等组成，如图 1 所示。基准站设立在变形区域以外宽阔的稳定区域，观测站设立在变形区域关键部位，同时保证基准站与观测站为通视条件即可。该系统受观测距离的影响较小，因此可以有效减小传统方法长距离引测导致的误差。其中，信号接收机为 BDS全频高精度一体化接收机；GNSS定位天线采用 BDS全频测量型北斗天线，4G天线采用华为 SMA接口天线，蓄电池采用电压为 12 V，容量 55 AH 光合硅能蓄电池，太阳能板采用 100 W 的单晶光伏太阳能板。159GNSS定位天线需安装于顶部开阔的待观测体表面，且需要保证安装高度比 4G 天线和电台天线高，以保证北斗信号无干扰。观测站接收到的北斗卫星信号，一方面与基准站的数据进行差分定位得到 RTK 数据；另一方面将 RTK 定位结果和自身采集的卫星信号载波相位一并通过 DTU 发送至远程观测中心。（2）服务器软件BDS变形观测中心软件（服务器软件）是一个可视化的远程观测平台，服务器软件一方面通过接收到的 RTK定位结果进行动态显示，另一方面通过大量的原始数据进行静态相对定位解算。主要功能包括 CSocket网络通信、动态数据解析、静态数据解算、Mysql数据库存储、观测站变形观测信息等模块。其中，CSocket 网络通信模块主要是观测站设备发送的数据经 GPRS/CDMA 网络空中接口进行解码并转换成公网数据传送格式，通过中国移动的GPRS 或中国联通的 CDMA 无线网络进行传输，最终传送到指定的 IP 地址；动态数据解析主要是对RTK 和原始观测数据进行解析；静态数据解算主要是通过对大量原始数据进行静态定位算法得到高精度的定位结果。Mysql数据库存储模块主要是实现将地表变形观测数据实时存储在 Mysql 数据库中，包括记录、查询、修改、删除、生成报表、导出报表、备份等功能，即实现对观测数据的高效管理、分析和处理，提高数据处理的快速性、高效性。1.2 高精度定位方法（1）高精度定位解算方法如图 3所示，静态相对定位是指北斗设备（观测站和基准站）保持静止不动，通过长时间持续观测多个北斗卫星，获取定位信息10。北斗卫星每一时刻的观测结果都在真值附近波动，长时间的观测会抵消一部分波动的影响，从而减小随机误差，提高定位精度。算法解算模块是保障系统观测精度的关键，静态定位算法主要分为以下步骤：建立载波相位双差观测方程；求解基准站与观测站之间基线的双差整周模糊度浮点解；由双差整周模糊度的浮点解，经过 L