基于单频GPS接收机实施短基线变形监测初探
基于单频GPS接收机实施短基线变形监测探讨
摘 要：利用单频接收机和双频接收机对顺溪滑坡的监测点分别进行监测，并对观测数据进行处理和分析，总结出对基线较短的控制网采用单频接收机可以得到相当好的成果，且节约工程成本及操作方便。
关键词：GPS 滑坡变形监测 数据处理 精度对比
GPS系统是一种全新的卫星导航定位系统，它是以卫星为基础的无线电导航定位系统，不仅具有全能性、全天候、连续性等特点，而且可以进行实时的导航、定位和定时，因而在滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害的监测中得到了广泛的应用，成为一种准确、高效的监测手段[3]。本文正是基于以上各方面的因素综合考虑，以GPS系统在忠武输气管道干线忠县至宜昌段顺溪I滑坡进行变形监测为例，通过对GPS单、双频接收机的数据处理的对比，探求单频GPS接收机实施短基线控制网变形监测是否能得到很好的成果；并在实际的监测中寻求数据采集、处理过程简便，且精度满足监测要求的GPS接收机类型，来进行滑坡的长期变形监测，从而达到快速预报滑坡变形趋势的目的[1][7]。
1 采用中海达单频机观测的意义
中海达单频机数据处理软件包通常选择利用失锁标志及相位观测值检测方法进行周跳的修复，因为这种方法考虑了天线在观测中记录的失锁信息，同时也考虑了由相位观测值连续性特性而检测出来的周跳。短区间的采样，可使修复的整周期计数十分可靠。足够长的同步观测时间和得到足够多的观测数据的情况下，仅靠取整也可以得到正确的整周模糊度。
为了快速获得整周模糊度，中海达单频机采用快速求解整周模糊度的方法，采用此法可以大大地缩短观测时间，提高工作效率。当观测数据不足以确定整周模糊数,需增加观测数据,重新初始化时,此方法不需要使用全部观测数据重新计算,只需要对新增加的观测数据进行简单的计算,减少了计算量,提高了解算模糊数的速度。快速定位对于短基线可靠性较好[2]。
在整周模糊度得到正确的固定后，进行双差固定解算，双差固定解的精度最高。鉴于顺溪Ⅰ号滑坡体上的监测点到基准点的距离≤2km，采用中海达8200G单频机进行观测，然后使用HDS2003数据处理软件包进行双差固定解，可以在短基线中有效的消除或减弱上述卫星的轨道误差、卫星钟差、接收机钟差以及电离层和对流层的折射误差误差的影响，从而提高精度[5][6]。
2 顺溪滑坡GPS静态监测实例研究
本文以顺溪滑坡为研究对象，顺溪滑坡的基准网点选在距崩滑体50～1000m的稳定岩体上，且适合GPS观测。崩滑体有二个基准点，且位于该崩滑体的两侧。这些点是根据崩滑体的形态特征、变形特征、动力因素及监测预报等具体要素确定的点位，两个滑体监测点数为6个，且都能构成2条监测剖面；点位应位于阻滑段前缘、下滑段，且适合GPS观测。在每一基准点和监测点上，都建GPS观测墩，且设有强制对中装置，其要求同GPS测量规范。顺溪滑坡监测是采用GPS测量, 以静态测量模式同步进行作业，以每一滑坡体为监测对象,对每一滑坡体监测时，二台GPS接收机固定在滑坡体的基准点上，另二台GPS接收机安置在监测点上，同步观测2个小时。然后，基准点GPS接收机固定不动，另二台接收机再安置在其他监测点上，与基准点再同步观测2个小时(即为第二时段)。按C级网标准进行同步观测。
图1 位移监测点观测墩结构示意图
然后采用徕卡TCA2003全自动全站仪测出各监测点之间距离，因其测距精度为1mm+1ppm,在此可以将其作为单、双频接收机基线长度的对比分析的基准。
图2徕卡TCA2003全自动全站仪测出各监测点之间距离
2.1 单、双频接收机数据处理的对比分析
为了直观反映监测点相对于基准点的3维位移情况，对WGS84下的大地坐标进行了投影，得到在WGS84（World Geodetic System 1984）下的平面直角坐标。为了减小投影变形，采用了任意带的高斯投影。
表1 各灾害点投影参数
图3 顺溪1号滑坡监测点点位分布图
2.1.1 对单频机接收机观测数据的处理
用4套中海达8200G单频接收机以静态测量模式进行同步观测。具体方法为：以2台GPS接收机固定在滑坡体（边坡）的监测基准点上，另两台安置于监测点，同步观测2h，再迁到下两个监测点上。每个时段由六条基线构成同步环。在整周模糊度得到正确的固定后，进行双差固定解算，双差固定解的精度最高。基线解算成功后，再以首期监测成果中监测基准点为约束条件，进行三维约束平差。解算后的同名基线相应改正数的较差（、、）应满足：、、的要求。根据两个基准点至监测点直接解算的监测点坐标，与滑坡体全部点进行平差后求出的各监测点坐标较差，也应在允许范围之内(平面位置较差≤±4mm、高程较差≤±10mm) [4]。
表2 顺溪Ⅰ号滑坡基线处理结果（单频接收机）
表3 顺溪Ⅰ号滑坡网平差结果（单频接收机）
2.1.2 对双频机观测数据的处理
采用Trimble4700 GPS接收机现场进行数据采集。将采集到的测量数据传输到计算机中，利用Trimble后处理TGO软件进行处理。选用的观测值类型是L1载波相位观测值；解算类型为L1固定解。基线解算时的平差所采用的观测值主要是双差观测值[4]。平差过程可分以下三个阶段进行：
1．初始平差。根据双差观测方程，组成误差方程和法方程后，求解待定的未知参数及其精度，通过初始平差，解算出整周未知数参数和基线向量的实数解或浮动解。
2．整周未知数的确定。根据初始平差结果，使用搜索法将整周未知数固定成整数。
3．确定基线向量的固定解。将确定了的整周未知数作为己知值，仅将待定点的坐标作为未知参数再次进行平差，解算出基线向量的固定解，基线解算是自动完成的。基线解算成功后，先进行自由网平差（无约束平差）。再以首期监测成果中监测基准点为约束条件，进行约束平差。
表4 顺溪Ⅰ号滑坡基线处理结果（双频接收机）
表5 顺溪Ⅰ号滑坡网平差结果（双频接收机）
2.2 监测数据分析及单、双频数据的精度对比
对于单频GPS接收机观测数据，由于只有L1观测值，没有L2观测值，因此在使用HD 8200G 数据处理软件进行解算时，在单点定位和参数估计只能使用L1观值进行解算，而双频接收机则可同时跟踪到L1和L2。对采用单频GPS接收机观测的数据计算的成果，水平方向精度优于±5mm，高程方向精度优于±10mm。对采用双频GPS接收机观测的数据计算的成果，水平方向精度优于±4mm，高程方向精度优于±8mm。由网平差结果表3和表5可见，共有6个监测点，用Trimble 4700观测数据进行平差水平方向误差最大5 mm。用HD 8200G观测数据进行平差水平方向误差也优于5 mm.。且双频接收机得到的基线长度与徕卡TCA2003全自动全站仪测出各监测点之间距离相差最大的长度≤2cm, 单频接收机得到的基线长度与徕卡TCA2003全自动全站仪测出各监测点之间距离相差最大的长度≤2cm，因此都达到了预期的监测精度。
对比表2与表4，从中可以看出双频接收机所测得的数据精度较单频接收机精度要高，单频接收机的基线精度达到了C级控制网的要求，双频接收机的基线精度达到了AA级控制网的要求。虽然使用单频接收机进行变形监测网数据采集时，其精度无论是在验后点位中误差还是基线精度等方面和双频接收机都有一定差距，而顺溪滑坡监测只需达到C级控制网的要求，且短基线(例如小于20k m的基线)的双差模糊度具有很好的整数特性，就将整周模糊度确定为整数，同时当基线较短时，由于基线两端的电离层影响具有强相关性，而且L1载波观测量优于L2载波观测量，故只采用L1载波就可以获得令人满意的结果[8]。因顺溪滑坡体上的监测点到基准点的距离均≤2km，同时考虑经济因素及操作的方便性，在小型滑坡变形监测中，采用单频接收机不仅操作简单杂，而且经济成本低廉。
3 结 论
顺溪Ⅰ号滑坡变形监测观测时采用相同的已知点、相同的网形，在基线解算时采用HDS2003数据处理软件包、TGO1.5两种解算软件，利用共同的已知点作为检验观测精度，达到了在同等观测条件下对单、双频接收机观测处理结果精度对比的目的。采用HDS2003数据处理软件包进行处理分析，发现当基线较短时由于基线两端的电离层影响具有强相关性，且L1载波观测量优于L2载波观测量，故只采用L1载波就可以获得令人满意的结果，且HDS单频接收机采用了快速模糊数求解的方法，该方法不必直接求解模糊数的实数解,并采用了整数变换的措施。当增加观测值时,不需要使用新旧观测值一并计算,而仅需要补充由新观测值引起的残差变化量,减少了计算时间,节省了存储空间；同时该方法对短基线可靠性较好。因此对于基线较短的控制网采用单频接收机不仅可以同样达到双频接收机的效果，而且在小型滑坡监测中也有其自身独特优势：操作简单杂，经济成本低廉。
参 考 文 献
[1] 徐绍铨,程温鸣,李征航。GPS 在大坝和滑坡安全监测中应用的研究.水力发电.2003 .29(1)：61-63.
[2] 姬生月，欧吉坤，柳林涛. 一种适合于单频接收机快速模糊数求解的新方法. 武汉测绘科技大学学报[J].2000,25(2):108-112.
[3] 徐绍铨, 程温鸣, 黄学斌, 李征航.GPS 用于三峡库区滑坡监测的研究.水利学报.2003.1:115-118
[4] 赵庆海，田庆新.高精度GPS基线向量网平差.测绘学院学报.第19卷第3期.2002. 9
[5] 李征航，黄劲松，GPS测量与数据处理，武汉大学出版社，2005
[6] Madhav N. Kulkarni，Nisha Radhakrishnan. GPS &structural monitoring: deformation studies of Koyna Dam. GPS World.2004,15(11)
[7] 徐绍辁，李英冰.GPS用于滑坡监测的试验与研究.全球定位系统.2003,28(1)
[8] 汤璞.中短基线GPS解算中影响精度的因素研究.解放军信息工程大学硕士论文.2003. 5
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