李昊，于虹，饒桐，張強，沈鋒，李昕達

(1.云南電網(wǎng)有限公司電力科學研究院，昆明 650217； 2.成都星河科技產(chǎn)業(yè)有限公司， 成都 610041；3.哈爾濱工業(yè)大學 儀器科學與工程學院， 哈爾濱 150000)

0 引 言

超高壓輸電線路中若有一處中斷，則整條線路中斷，受地質災害影響顯著。盡管變配電站布設在前期選址分析等研究過程中充分考慮了地質災害的影響問題，但小規(guī)模零星災害由于對其研究不完整、不充分，地質災害是超高壓輸電災害隱患的主要來源[1-3]。在我國持續(xù)開展滑坡、泥石流、崩塌等變形規(guī)律研究與分析后，對地質災害中的地表結構與位移監(jiān)測進行記錄，進而方便后續(xù)進一步研究不同地質現(xiàn)象和地質災害。無論是在實際的變配電生產(chǎn)環(huán)境中，或是對地質災害的預測和響應的科學問題里，監(jiān)測、評價和預警都是必要且迫切的科學任務[4-8]。

從90年代以來，以GPS系統(tǒng)為代表的衛(wèi)星導航定位技術被廣泛應用于滑坡、泥石流、地面沉降等非地震地質災害監(jiān)測，取得了較為可觀的效果，幫助相關領域減少地質災害造成的問題的成本。由于GPS差分技術可以利用單差，雙差等多差技術消除或者抑制諸如衛(wèi)星鐘差、接收機鐘差、對流層延時、電離層延時等大氣延時及軌道誤差等多種誤差，并且定位模型簡單，計算量相對較小且精度高而廣泛應用于各類地質監(jiān)測與變形監(jiān)測工程。但由于GPS差分技術需要進行差分運算，需要在附近或者較短基線距離一已知點上安裝GPS接收機作為基準，且二者之間必須有穩(wěn)定的有線或者無線數(shù)據(jù)連接關系，當同時觀測到的衛(wèi)星數(shù)量較少或基準站與移動站距離過遠(基線過長)時實現(xiàn)精密定位比較有困難且作業(yè)難度也相對較高[9-12]。

在數(shù)十年間的不斷發(fā)展與改進中，精密單點定位技術(PPP)隨著GPS服務與定位技術被提出，一般情況下，PPP利用國際GPS服務機構(International GPS Service，IGS)提供的精密星歷及鐘差等精密產(chǎn)品輔助非差分GPS偽距與相位觀測數(shù)據(jù),進行解算得到消除或者抑制誤差的結果，同時使用模型對測站位置、電離層對流層延時進行長時間觀測和估計，做到了在全球任意一個位置都能夠實現(xiàn)定位且無需參考站[13-16]，其絕對定位精度可以達到dm級，長期觀測下能夠達到且維持cm級精度，達到與傳統(tǒng)GPS差分技術相匹配的精度指標。同時PPP的操作方法簡單，作業(yè)成本低，適合布設參考站在偏遠環(huán)境，或者測區(qū)范圍大、測量時間長的觀測任務。基于此，目前許多學者和團隊在GPS-PPP的基礎上開發(fā)了多套PPP定位軟件，這些經(jīng)過充分優(yōu)化的算法或軟件 24 h連續(xù)觀測精度已經(jīng)可以達到mm級[17-19]。為了研究GPS-PPP在便配電站地質災害中的應用，使用PPP軟件對原始觀測數(shù)據(jù)進行處理和計算，進一步分析定位結果。

1 GPS-PPP微位移監(jiān)測硬件設計

如圖1所示，微位移監(jiān)測模塊用于采集、存儲及向數(shù)據(jù)臺回傳衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù),監(jiān)測模塊采用高精度微位移監(jiān)測設備,由天線、接收機、通信設備、避雷針、市電避雷器組成，其中接收機、市電避雷器、通信設備布設于防雨機柜中，將原始數(shù)據(jù)向監(jiān)測主站發(fā)送以便于后期分析。

圖1 GPS-PPP微位移監(jiān)測站

北斗微位移監(jiān)測裝置的設計有以下特點：

(1)由于計劃布設區(qū)域周邊環(huán)境復雜，多路徑和低高度角衛(wèi)星可能會對測量誤差及收斂速度有較大影響，故在選用接收機天線時，選用全頻段扼流圈天線，多饋點設計以加強其抗多路徑效應影響，同時在后期數(shù)據(jù)處理過程中，降低15°以下高度角衛(wèi)星的可信度，濾除10°以下高度角衛(wèi)星的數(shù)據(jù)；

(2)連接天線與接收機的饋線采用專用線纜，并同時外掛防雷器；

(3)由于監(jiān)測點位距離市電接入點較近，故布設一條地下線纜直接接入市電，同時微位移監(jiān)測模塊中仍保有蓄電池，以保證市電失效時能夠維持一段時間的正常工作來保證數(shù)據(jù)能夠正常計算與存儲。

硬件設備中，接收機與STM32微處理器、4G通訊模塊部署于同一印刷電路板，以為這些弱電計算元件提供均一可靠的防水防塵保護性能，其硬件連接關系如圖2所示。

圖2 微位移監(jiān)測站控制部分連接

為了降低所需存儲的數(shù)據(jù)量及降低功耗，設備每8 h開啟2 h，每一次觀測，設備需要約30 min～40 min收斂至精密單點定位固定解，另外，歷史觀測結果可以輔助其后面的定位以提高收斂速度。在完成觀測收斂后，設備開始記錄定位結果，直到單次觀測時間到達2 h，設備將處理所有臨時數(shù)據(jù)，通過4G回傳觀測數(shù)據(jù)與定位結果，進入休眠狀態(tài)。

STM32微處理器在每一個歷元獲取到接收機回傳的原始數(shù)據(jù)流，使用精密單點定位算法利用STM32外接附屬存儲中的歷史數(shù)據(jù)，解算當前歷元的定位結果，對異常值進行濾除和重新解析。

同時，為了驗證精密單點定位方法的有效性，使用STM32經(jīng)由4G模塊向差分服務器或自建差分基準站獲取載波相位差分數(shù)據(jù)流，在使用精密單點定位解算自身位置同時，使用載波相位差分技術同步計算得出定位坐標，但兩者僅使用共同的原始觀測數(shù)據(jù)，在解算過程中沒有數(shù)據(jù)交換。

經(jīng)算法計算得到的定位結果，被存儲于STM32的附屬存儲，在單次觀測后經(jīng)由4G模塊發(fā)送至監(jiān)控服務器。

2 GPS-PPP微位移算法設計與軟件實現(xiàn)

PPP技術利用單個GPS接收機采集的相位和偽距觀測值長期觀測后，通過實驗模型或數(shù)值擬合確定誤差，即數(shù)據(jù)處理采用數(shù)據(jù)擬合與模型計算的方法而非差分法。PPP定位數(shù)學模型分為觀測模型和隨機模型，在實際使用中一般采用消電離層組合偽距PIF和消電離層組合相位LIF,其表達式為:

(1)

(2)

式中Li、Pi(i=1,2)分別為通過碼相位測距與載波相位測距得到的以距離表示的載波相位和偽距觀測值(單位:m);f1為L1/L2觀測值的頻率(單位:Hz)；ρ為衛(wèi)星至接收機的實際幾何距離(單位: m)；c為真空中的光速(單位: m/s)；Trop為對流層延遲和電離層延遲合并的1大氣延時(單位: m)；dT、dt為以秒為單位的接收機鐘差和衛(wèi)星鐘差；Ni為Li(i=1,2)多頻觀測值的整周模糊度(單位:Cycle,一般不具有整數(shù)特性，僅在整周模糊度固定時為整數(shù))；εi、ei為LIF相位觀測值噪聲；PIF偽距觀測值噪聲。

PPP定位的隨機模型即為觀測值的方差陣?；谛l(wèi)星觀測高度角度加權方法現(xiàn)在是簡單有效的計算加權方法。簡單介紹下該種方法：消電離層偽距觀測值和相位的誤差分別為δ0,P和δ0,L。(一般取δ0,P=±1 m，δ0,L=±1 cm),則衛(wèi)星i的偽距和相位觀測值方差由式(3)給出:

(3)

從PPP的定位原理和數(shù)學模型來看，PPP采用非差分觀測模型，經(jīng)過模型擬合和濾波可以直接獲得觀測站的坐標。

PPP對修正模型的要求較高，同時其整周模糊度不一定為整數(shù)。因為其比差分觀測模型有更多的可用觀測值，保留了所有觀測信息，實現(xiàn)GPS精密單點定位的關鍵技術主要存在于以下幾個方面，同時給出了解決方法。

(1)對衛(wèi)星軌道與衛(wèi)星位置的精度要求較高，一般需要cm級。從國際GNSS組織及其他組織提供的精密軌道產(chǎn)品滿足需求,可供精密單點定位使用；

(2)對衛(wèi)星鐘差的精度要求較高，通常需要到達亞納秒級，一般使用IGS提供的精密鐘差產(chǎn)品，其間隔一般為15 min，在其基礎上通過插值方法得到每一關注時刻的鐘差，但精密星歷部分衛(wèi)星鐘差精度比標稱精度低，同時精密鐘差發(fā)布間隔較長，內插有時會引入誤差；

(3)在精密單點定位解算過程中，需考慮天線相位中心偏精確改正模型，經(jīng)學界驗證，這些方法已經(jīng)被確定有效，且被廣泛使用在固體潮和海潮的擬合和解算中；

(4)需要考慮如何進行自適應的參數(shù)濾波以解決卡爾曼濾波在解算過程中的參數(shù)異常。

針對以上定位原理與實際問題，PPP解算軟件與算法實現(xiàn)的基本流程如圖3所示。

為了統(tǒng)一衛(wèi)星軌道和衛(wèi)星鐘差信息的選取對GPS數(shù)據(jù)解算精度結果的影響,在1 Hz采樣率動態(tài)單歷元單點定位解算過程中使用的是國際GNSS服務(IGS)發(fā)布的最終精密軌道和歐洲定軌中心(CODE)發(fā)布的5 s采樣率的最終精密鐘差。

圖3 PPP解算軟件與算法實現(xiàn)

除此之外,天線相位中心改正方法采用絕對相位中心改正模型。測站坐標以及接收機鐘差采用逐歷元估計方式。衛(wèi)星截至高度角設為15°和10°。同時為了提高運算速度和解算能力,對坐標參數(shù)和模糊度參數(shù)進行參數(shù)預消除。

在實際工作中由于多路徑效應，衛(wèi)星信號質量差等的影響，部分衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)可能存在異常或失鎖，造成計算出的定位出現(xiàn)偏差；另外，根據(jù)算法固定出的模糊度并不能保證所有衛(wèi)星的模糊度在各個歷元下都是正確的。因此，在單歷元定位及使用到歷史歷元的定位過程中用抗差模型降低異常觀測值的權是有必要的，這能夠有效抑制粗差等異常觀測值對定位結果的影響。

同時，由于監(jiān)測站在固定時間內位移量十分有限，因此可以在連續(xù)觀測中把上一次觀測的定位結果作為本次定位結果的初始值，在這個基礎上進行模糊度固定與估計。通過歷史觀測數(shù)據(jù)為模糊度估計附加先驗條件，進一步縮小模糊度固定空間，進而提高模糊度搜索速度以及提高精度。

3 試驗數(shù)據(jù)與性能分析

實驗裝置于2021年2月安裝于南方電網(wǎng)云南某變電站，如圖4所示，經(jīng)前期調研得知該變電站在過去若干年中有持續(xù)穩(wěn)定的位移及沉降，實驗裝置中所用接收機為一套BT-200D，天線為BROTEX M110SLD GNSS天線。截至2021年12月共連續(xù)觀測11個月。

圖4 云南電網(wǎng)某變電站

在選擇設備安裝地點時應注意：所選位置應避開高大樹木、建筑物等會影響衛(wèi)星信號接收的障礙物，將監(jiān)測區(qū)外多個控制點納入?yún)⒖家苑磻獧z測裝置的長期穩(wěn)定性。

將初始安裝位置置于點(0,0,0)，以1 Hz的頻率采集原始數(shù)據(jù)。如表1、表2所示，在實驗結束后收集數(shù)據(jù)同步進行RTK及PPP計算，分析該變電站位移及沉降結果得知在雨季容易產(chǎn)生變形，相比之下，非雨季變形緩慢。

表1 監(jiān)測實驗位移月度數(shù)據(jù)

表2 監(jiān)測實驗位移累計數(shù)據(jù)

表1與表2展示了2021年2月～2021年12月間持續(xù)觀測與PPP解算得出的東北方向上的位移及沉降距離，可見6月～9月沉降量增加程度較為顯著，經(jīng)與氣象局降水量數(shù)據(jù)(表1，圖5～圖7)對比，6月～9月為該地區(qū)雨季。相關研究表明，滑坡的穩(wěn)定性與降水量關系密切，尤其與累計降水量關系密切，降水可直接誘發(fā)滑坡等地質災害，降水對地面產(chǎn)生沖刷和侵蝕，降低了巖土體的抗滑能力。6月中下旬逐漸增加的降水量導致監(jiān)測點所在的滑坡處沉降量加劇，但總體上仍能保持穩(wěn)定。

圖5 監(jiān)測期間降水量

圖6 實驗過程中累計位移及沉降

圖7 實驗過程中單月位移及沉降

實驗期間，4月、7月、9月、11月分別使用RTK測繪級設備與全站儀對GPS-PPP微位移監(jiān)測站進行了測繪，在此基礎之上與所述PPP方法進行了比對，比對結果如圖8所示。從比對結果看，長期測量下PPP測量結果精度能夠基本與RTK測量方法持平，具有使用價值。

圖8 實驗數(shù)據(jù)與測繪結果比對

4 結束語

在變電站內處布設GPS-PPP微位移監(jiān)測站點，獲取該變電站近一年的實時三維累計位移及沉降數(shù)據(jù)，監(jiān)測精度為毫米級，通過觀察該變電站位移曲線及變化情況?；贕PS-PPP微位移監(jiān)測技術，能夠有效推斷該變電站所處的狀態(tài)以及預測變化趨勢，保障了變配電基礎設施及高壓輸電系統(tǒng)的安全，也可為其他區(qū)域提供參考與示范。

通過將GPS-PPP監(jiān)測得到的微位移數(shù)據(jù)與降水量數(shù)據(jù)進行合并對比分析，可以了解到,當出現(xiàn)暴雨或其他降水增多的情況，地質體的位移也會對應的加劇變化。因此，文中工作引導了基于降水量及降水預測對變電站微位移預測相關工作的開展。

GPS-PPP微位移監(jiān)測工作很好地展現(xiàn)了監(jiān)測點微位移過程，建議在汛期或雨季加強對變配電站的監(jiān)控與維護工作，提前采取防治措施，進一步提高高壓輸電系統(tǒng)的安全性。