GNSS技术在河面水位信息采集方面的应用研究

周俊华，梁晓东，熊 用，雷梦飞，孔 超

（湖南联智科技股份有限公司，湖南 长沙 410000）

一般，当洪涝等地质灾害发生时，地面的电力系统、通信系统等基建设施都会受到一定程度的损坏，受灾的地表环境也复杂多变，进行河流水文信息采集的各类设备和装置都会受到影响，严重的甚至无法正常工作。卫星导航系统能够为用户提供24h全天候的高精度定位、导航和授时服务，可以不依赖河边的固定设备而精确获得水位高度等水文信息，能为防范洪涝灾害提供有力的保障。文章主要介绍近年来GNSS技术在水位信息采集方面的研究和进展，并提出后续的应用研究及发展方向。

1 利用GNSS技术测量水位高度

GNSS技术主要目的为精确获取地表待测物体的三维坐标，一般原理是利用一组卫星的伪距、星历、卫星发射时间等观测量，配合用户钟差，计算得出物体的三维坐标、速度及时间信息。由于水面对卫星信号具有很强的反射作用，因此一般处在水面附近的卫星接收天线可以同时收到同一颗卫星的多个信号，产生多路径效应。在利用水面反射卫星信号的研究上，吴继忠等[1]给出了一种利用单台GPS接收机接受水面反射信号来测量水面高度的方法，其结果表明，在观测条件良好的情况下，利用反射信号测得水面高度的标准差在±3cm，在观测条件较差的海面上得到的结果也与验潮仪一致。

白伟华等[2]研究了如何利用GNSS-R技术测量水面高度，一种方法是利用信号的直接传输和反射传输的码延迟来测高，测量结果表明，在水面较粗糙时GNSS散射信号的相关性很差、相干分量很小，接收机无法完成锁相从而得不到有效的相位数据，尤其在空基或星载高动态的情况下效果更加不理想；另一种方法是利用载波相位差分来测量，在岸基情况下以直接信号作为参考频率，采用开环跟踪方法来跟踪反射信号从而得到附加载波信息，通过使用空间中心的CSSAAR GNSS-R海洋反射软件接收机进行试验来验证。通过使用码测高和开环相位测高两种方法进行数据处理，试验结果表明，高度测量数据和双频GPS差分定位的结果一致，精度均达到厘米级。

在利用直接卫星信号定位方面，王弼松等[3]针对北斗卫星导航定位系统测量高度误差过大的不足，研究从平面定位数据到高度数据的转换方法，引入三角形观测模型，把由卫星定位得到地面两点的经纬度所获得的水平距离转化为高度。通过测试结果表明，河流水位变化的测量误差在±0.8m以内，误差过大不具备实际应用意义。

在利用GNSS技术测量水位高度上，由于GNSS测量得到的数据是大地高程，而水位测量通常采用国家“85”高程，因此需要建立数据转换模型来实现数据互通。同时，为确保水位数据测量结果的精度，需引入相关的滤波模型，通过对短时间内的水位测量数据进行滤波处理以及其他相关的数据处理，消除观测误差的干扰。另外，水位高度是指水体面高出固定基面的高程，而固定基面有两种：一种是绝对基面，采用规定高程系统的零点为基准，得到的水位为水面海拔；另一种是相对基面，即以河流历年最低点或河床最低点为零点面。在防汛方面，一般需要防范的是由于水面过高导致的水底压强过大，进而引发管涌和堤坝受压坍塌。因此，第二种相对水位高度的实际应用意义更大。利用GNSS测量水位信息需要综合河流的地理信息才能得到有效的水位高度。

2 基于北斗的水上监测系统、定位系统研究

为了实现水位的采集，一般直接在各种水文采集系统上集成GNSS以获得精准定位，如苏天放[4]以北斗二代卫星系统为基础设计了一种智能化的航标监测系统。该系统包括信息收集终端、北斗定位通信模块、电源模块等。王嘉鑫[5]设计了一种北斗信标机系统，该系统由信标机、接收装置、定位软件组成。该系统具有功耗低、体积小、不受传输距离限制的特点，能够适应3级海况的工作需求，在风浪中漂浮，设备运行稳定。黄盛霖等[6]针对传统浮标声呐（常集群应用于航空反潜作业，依靠GPS定位）受结构和体积所限，导致单枚浮标所携带的能量有限的不足，设计了一种能自动控制系统启动和关闭的电源管理模块，有效提高了浮标声呐的工作时间。陈钢[7]通过对中小河流流域水文信息的分析，提出以通过设立远程水文监测模块配合大量无线传感器的方法，构建中小河流流域的监测网络，结合北斗定位技术来实现对被监测区域的远程实时监控。

基于GNSS技术的水上监测系统，一般由浮标、定位系统、通信系统、供电系统等模块组成。其基本功能容易实现，但是要实现定位准确、低功耗、长续航、通信稳定可靠，则还需要不断优化设计与研究。

3 利用3S技术建立防汛减灾系统的研究

由于GNSS技术只能单纯地获取被测物体的三维坐标，而水面测量的很大一部分作用是防汛。在防汛减灾方面，地理信息系统GIS、遥感技术RS、全球卫星定位系统GPS的综合运用即3S技术，是未来发展的一大趋势。

周富春等[8]利用3S集成技术，研究了通过RS及时接收卫星云图和气象信息资料，借助基于GIS的综合信息平台，查看不同流域水文信息。并借助模型数据库系统和人工神经网络、模糊数学等理论和方法，对降水、洪峰流量及其持续时间和范围等各水文要素等进行科学、合理预测，可以有效地为水量调度和防汛抗灾提供依据。

李观义[9]通过研究3S技术将基于GPS的大气可降水量反演、洪水监测、灾情评估等各子系统在地理信息系统（GIS）平台上进行集成，并将研究成果应用于北江流域和北江大堤保护区等地区，取得了很好的科研和应用效果。

周全保[10]认为GPS在防汛抢险工作中的应用主要有如下几方面：险工险段的快速定位；防汛抢险车辆和险区群众撤离指挥的调度；出险工程的准确观测，如大坝形变或滑坡的高精度、全天候、实时监测；洪水行进和淹没范围的快速测量等。

黄喜良等[11]通过GPS卫星提供准确经、纬度位置信息后通过GPRS网络访问Internet进行防汛抗旱形势图的上报、决策草图的下载，提供了一种方便、快捷、精确、统一的获取信息、辅助决策、指挥、调控的工作模式，从而能够实现从省级到地方各地市级防办的上下级联动。

姜龙等[12]依据堤防工程线路长、类型多、范围广、标准高、任务重和分工杂细等工程特点，结合高精度定位PAD、智能巡检系统的信息化优势，建立实时、远程、高效的三维信息化管理平台。并实现移动端“巡检、发现、上报、反馈”和决策端“下载、处理、派遣、反馈”相结合的“发现问题、分析问题、解决问题”信息化管理模式。

安庆市在2015年有59座中小型水库加入了GPS定位巡查系统，系统建成运行后，省、市、县三级防汛抗旱指挥部人员均可通过平台对辖区内的水库巡查人员进行GPS定位并呼叫对讲，能实时掌握巡查人员的动态，还可回放其行动轨迹；巡查人员亦可通过应急终端将水库的实时照片、视频影响资料上传至调度平台，供上级实时了解现场状况，实现全天候的监测管理，保障水库安全度汛。

当前，关于3S技术的研究非常广泛，也形成了许多的可用案例，其应用效果在某些具体的方面表现突出，但是在整个3S技术的集成及数据综合处理运用上还需要研究突破。

4 结束语

利用GNSS技术测量河面水位信息，在防汛减灾上具有重要的应用意义；关于卫星信号利用上的研究，有分析直接接收信号、分析反射接收信号、分析两种信号综合处理等多种方案；测量的结果其误差大小不一，数据处理的方法也多种多样。但是此种方法得到的只是基础的位置数据，后续需要引入多种模型以消除水面固有的波动误差、流速带来的精度影响，水面各种反射信号导致的干扰等，只有综合考虑多种干扰因素并消除，才能得到真实反映水面水位信息的有效数据。

在测量设备的研究方面，相关研究人员设计了多种经过实际测试的装备。该类设备基本都能完成测量工作，但是在性能上需要优化改进，包括提高其定位精度、降低设备功耗、确保通信稳定性等，否则很难具备生产实际上的应用价值。

为了综合有效利用河面水位信息，集成3S技术是未来的一个发展趋势，利用该技术可以实现区域级别的大数据综合利用，为了挖掘数据内涵，可以开发相应的数据可视化分析平台、预警平台、调度平台等，在实际应用方面具有非常广阔的前景。