基于北斗的超长基线解算在滑坡基准点监测中的应用探讨

2020-03-05何玉童李宏祥

中国地质灾害与防治学报 2020年1期

何玉童，汪剑，李宏祥

(上海华测导航技术股份有限公司，上海 201702)

0 引言

近20年来，针对地质灾害滑坡的研究，进入了一个空前活跃时期，监测手段和方法也越来越自动、智能。大部分的自动化监测手段，仍然需要基准点。有很多文献给出了滑坡点的数据分析，但是基准点变化容易被大家忽视。

常规的基准点变化通常采用定期人工监测的方式，采集一段时间内的观测数据，联测附近的已知点。因为已知点通常比较老旧，效果不是特别理想。也有一些学者通过GAMIT/GLOBK、Bernese进行解算[1-3]，但是对使用者的技术水平要求很高，所以使用范围有限。

开发基于北斗的自动化超长基线处理软件CLBPE1.0，通过自动联测IGS(International GPS Service)站点，给出基准点的空间三维坐标，针对原有的后处理模块处理长基线(100～2 000 km)时误差消除不彻底的问题，进行算法改进，采用新的数学模型(轨道模型与观测模型)，改进误差改正、周跳探测与修复以及模糊度解算策略，能够处理长达2 000 km的基线，并且精度与GAMIT、Bernese相当；软件的图形化界面更方便操作，在滑坡监测等领域具有非常好的应用前景。

1 超长基线解算软件设计

1.1 软件概述

国内外主要的GNSS处理软件对中长基线(100 km以内)的处理可以满足精度需求，但是对于长基线甚至超长基线(100～2 000 km)就无法让用户满意，例如Trimble的TBC软件对于较长基线的处理，与Bernese的解算结果仍然相差较大。

CLBPE1.0作为一款专门用于长基线解算的软件，主要用于高等级控制网、IGS联测、CORS(Continuously Operating Reference Stations)网位移监测等不同领域中，可为地质灾害监测提供基准的变化监测。

1.2 系统框架

软件分为交互层、数据层、预处理层、解算层，总体结构见图1。

图1 系统框架图Fig.1 Frame diagram of system

交互层：主要用于人机交互，用户可打开网页，选择IGS站，并上传基准点的观测数据；

数据层：将客户上传的数据进行解析，得到星历、载波相位等数据；

预处理层：通过周跳探测对数据进行预处理，单点定位和基线形成，为解算层提供支撑；

解算层：通过误差改正、线性化、参数估计、模糊度解算，最终得出解算的结果，解算层在运算过程中调用了预处理层的结果。

1.3 关键技术及实现

(1)轨道模型精化技术

通过对精密轨道进行基于卫星物理运动模型的拟合[4]，对卫星运动方程、变分方程进行数值积分来拟合轨道，并计算初始轨道的根数、多项式系数以及轨道偏导数(导航卫星系统主要是对光压的偏导数、Y轴加速度等)。为获取精确的轨道模型，考虑了各种摄动力影响，其中与引力、潮汐相关的力根据模型系数来计算，光压、Y轴加速度(低轨卫星还要考虑大气阻力)使用是经验模型来进行评估。

(2)误差改正

通常会将误差分为三大类，即卫星相关的误差、传播路径相关的误差以及与测站(或接收机)相关的误差[1](图2)。

图2 误差的分类Fig.2 Classification of errors

对于海潮、固体潮、大气潮等保守力模型，使用模型来改正。而对流层、电离层等误差，采用了经验模型(或是格网模型)，并在改正后进一步采用参数估计(如天顶对流层以及水平梯度、钟差参数等)和观测值组合。

(3)模糊度处理

对于中长距离的基线，一般使用无电离层组合LC，可以消除电离层一阶项的延迟，但是组合后的模糊度不再具有整数特性，本软件引入WL(宽巷)模糊度解，因WL的波长达到86 cm，远远大于电离层、对流层的误差，在模糊度固定上取得良好的效果。固定了WL模糊度以后，再确定窄巷NL模糊度，从而得到L1、L2的整数模糊度[5]。

本软件采用荷兰Delft大学的Teunissen教授提出的LAMBDA方法进行模糊度搜索，基于整数最小二乘求解的原理，利用整数变换将协方差矩阵进行矩阵分解，从而降低模糊度分量之间的相关性，提高了搜索的效率。

2 算例分析

2.1 与IGS已知点对比

选取北京房山的IGS点做为基准点，长春的IGS站点(CHAN)作为待计算坐标，基线距离大约1 000 km。与长春IGS已知坐标误差在2 mm以内(表1)。

表1 与已知点比较Table 1 Comparison with the given point

2.2 与Bernese对比

本文选取了兰州海石湾矿业的基准点作为待测坐标，以北京房山IGS站为基准，基线长度约为1 000 km，分别计算了Bernese和本软件的结果，坐标最大的为Z方向，为1.5 mm，其余均小于1 mm，结果见表2。

表2 与Bernese比较Table 2 Comparison with base points in Bernese

2.3 长期观测

本文选取了南水北调中线河南淅川段干渠监测项目的基准点BDZA的数据做试验，数据从2018年4月至2018年10月份共计180天左右，每天出一组坐标。数据解算过程中，软件自动联测北京房山的IGS站点，基线距离约为1 000 km。从图3可以看出，该点在X方向上，有明显的滑动趋势，平均速率为-10 mm/a，滑动渐趋平稳；Y、Z方向上则未见明显滑动。数据结果见图3。