北斗GNSS在宋農水電站的應用

阮煥江

（長江水利委員會長江科學院重慶分院，中國 重慶 400026）

0 引言

北斗衛星導航系統是我國自主建設運行的全球衛星導航系統。該系統于20世紀后期開始建設，2020年基本建成，目前已在測繪、電信、水利、漁業、交通運輸、森林防火、減災救災和公共安全等領域得到廣泛應用。安全監測是大壩管理的耳目，是判斷水庫能否安全運作、充分發揮效益的必要手段。本文試以宋農水電站為典型案例，探討北斗GNSS在壩體表面變形監測中的應用。

1 工程概況

宋農水電站位于重慶市秀山縣宋農鎮梅江河干流雙溶灘峽谷區，是梅江河干流上規劃的第十一梯級電站，上游為熱水塘電站，下游為三角灘電站。該電站是一座以發電為主的水利樞紐工程，主要由攔河壩（溢流與非溢流）、引水道、電站廠房、沖沙孔及排沙廊道等構成。攔河壩壩頂長為214.50m，分13個壩段，壩頂高程為290.40m，寬為5～14m，最大壩高為27.40m，最大壩基寬為24.00m，溢流壩設在河床中部和左岸。電站主廠房布置在河床右側，為壩后式，尺寸為43.47m×14m×2864m（長×寬×高），裝機3臺，總容量為12MW，多年平均發電量為0.58 億kW·h，副廠房布置在主廠房與右岸坡之間。壩址以上流域集雨面積為2752km2，水庫總庫容為2674萬m3，正常蓄水位為288.20m，50年一遇設計洪水位為288.23m，500年一遇校核洪水位為290.22m。

根據 《水利水電工程等級劃分洪水標準》（SL252-2017）的規定，本工程為Ⅲ等中型工程，由擋水建筑物、泄水建筑物、沖沙孔、引水系統和廠房等建筑物組成，主要建筑物為3級，次要建筑物為4級，臨時建筑物級別為5級。

2 北斗GNSS的組成、優勢及工作原理

2.1 北斗GNSS的組成

目前，北斗GNSS在線監測系統主要由傳感器系統、數據傳輸系統、數據處理與分析系統和輔助系統4部分組成［1］。傳感器系統主要由布置在穩定基巖的基準點和發生變形部位的測點上的扼流圈天線及GNSS接收機組成。數據傳輸系統主要由布置在基準點和測點機柜里面的GPRS無線通訊模塊構成。數據處理與分析系統主要由布置在監控中心計算機里的GAMIT／GLOBK程序構成。輔助系統主要由布置在基準點和測點處的供電系統和避雷系統等組成。

2.2 GNSS的優勢

相較于傳統的水準測量法測垂直位移、視準線法測水平位移等表面變形測量手段，北斗GNSS在線監測具有以下優勢［2］：（1）各測點之間無需滿足通視條件；（2）可同時測出三維位移；（3）不受氣候等外界條件影響，可實現全天候觀測；（4）可反映大壩整體變形情況；（5）可實現自動化監測。

2.3 GNSS的工作原理

利用GNSS進行定位，就是將衛星視為“動態”的控制點，在已知其瞬時坐標（可根據衛星軌道參數計算）的條件下，以衛星和用戶接收機天線之間的距離（或距離差）為觀測量，進行空間距離后方交會，從而確定用戶接收機天線所處的位置，其計算原理如式（1）所示［3］。

式中：i為衛星的索引號，i=1，2，3，4，…，n；Pi為各點到第i顆衛星的偽距；xisv、yisv、zisv為第i顆衛星的位置；δtue為用戶鐘差；xue、yue、zue為用戶的位置。

3 GNSS點布設及參考坐標選擇

3.1 GNSS點布設原則

3.1.1 基準點布設原則

根據《全球定位系統（GPS）測量規范》（GB／T18314-2009）的要求，GNSS基準點布設應遵循以下原則［4］：（1）場地穩固，年平均下沉和位移應小于3 mm；（2）視野開闊，視場內障礙物的高度不宜超過15°；（3）遠離大功率無線電發射源（如電視臺、電臺、微波站等），其距離不得小于200m，遠離高壓輸電線和微波無線電傳送通道，其距離不得小于50m；（4）盡量靠近數據傳輸網絡；（5）觀測標志應遠離震動源。

3.1.2 監測點布設原則

根據《混凝土壩安全監測技術規范》（SL601-2013）要求，GNSS監測點布設應遵循以下原則［5］：（1）避開高大的建筑物；（2）選擇能夠代表水庫大壩位移變形的部位。

3.2 GNSS點的布設

3.2.1 基準點布設

依據現場環境情況初步篩查后，廠區大門指示牌處及廠區舊宿舍附近都具備布設基準點的條件，利用GNSS便攜移動站進行現場實測，實測結果如表1所示。

表1 基準點衛星數統計表Tab.1Statistic of base-point satellites

綜合考慮工況環境、設備安防及衛星質量，實測結果顯示，廠區舊宿舍附近衛星數量最多且位置精度因子（PDOP）值最優，所以選定在電站舊宿舍附近設置基準點，編號為LS1。

3.2.2 監測點布設

根據宋農水電站安全監測壩體表面變形監測需要，初步確定在壩頂布設4個監測點，利用GNSS便攜移動站進行現場實測，結果如表2所示。

表2 監測點衛星數統計表Tab.2Statistic of monitoring-point satellites

由表2可以看出，4個監測點衛星數量、位置精度因子（PDOP）值都滿足布點要求，因此，最終確定在2＃閘門與3＃閘門中間壩頂、5＃閘門與6＃閘門中間壩頂、廠房導墻頂、廠房壩段壩頂分別設置監測點，編號為BM1、BM2、BM3、BM4。

3.3 GNSS參考坐標

本項目各監測點的參考坐標為初始運行期間積累的觀測值經精密后處理后得到的平均值，其精度約為±1mm。

4 GNSS監測精度評估

4.1 GNSS監測精度評估方法

監測精度評估分為內符合精度和外符合精度兩種，本文主要進行內符合精度評估，具體操作步驟為：（1）計算監測點每天的解算結果，將其轉換成北東高本地坐標下，并計算其與參考值的差值；（2）統計評估時段內南北、東西、高程方向分量差值的RMS值（σ）；（3）按式（2）和式（3）計算平面精度和高程精度。

式中：H為平面精度；V為高程精度；σE為南北方向差值的RMS值；σN為東西方向差值的RMS值；σU為高程方向差值的RMS值。

4.2 監測精度評估

本項目共4個監測點，分別為BM1～BM4。經安裝調試，北斗變形監測系統已于2020年12月5日正式運行。本文分析整理2020年12月5日～13日共8d的觀測數據，經精細處理，得到各個監測點8 h解算周期的位移監測成果（如表3所示）。

表3所示的統計結果高程RMS略比平面差，主要是計算的初始值存在系統性偏差。圖1為各測點變形監測時間序列。由圖1可知，平面和高程的標準差均優于0.2mm。

表38 h監測精度表Tab.3Monitoring accuracy of8h

圖1 測點變形監測時間序列圖Fig.1 Time series diagram of deformation monitoring of measuring-point

綜上所述，本次實測的8h時段北斗數據解算精度平面優于1mm，高程優于2mm。

5 結語

北斗GNSS在宋農水電站安全監測壩體表面變形監測中的應用表明，北斗GNSS接收衛星數量較以前GPS、GNSS有大幅度的提升，精度也有明顯提高，表面變形監測可以達到mm級精度，能夠滿足大壩監測的需要，并且它還可以實現全天候自動化監測。隨著北斗系統的不斷完善，使用成本的不斷降低，北斗GNSS在水庫大壩安全監測中將發揮更加重要的作用。