基于北斗技术的萨雷兹湖大坝变形监测应用

文| 韩军强 涂锐 王伟胜 赵峰 巴音达来 Gulayozov Majid Shonazarovich,3 Ayubzoda Eronsho 刘文江 卢晓春

1.中国科学院国家授时中心 2.中国科学院中亚生态与环境研究中心 3.塔吉克斯坦科学院 4.塔吉克斯坦紧急情况与民防委员会

一、引言

萨雷兹湖位于塔吉克斯坦东部海拔3263m的帕米尔地区，是1911年2月18日因该地区发生强烈地震后山体崩塌形成的天然湖泊，如图1所示。塔吉克斯坦全境处于地震活跃地带，地震专家预测湖泊所处地区在这次强地震后再经过80～130年后可能再次发生大的地震，即现在已经进入再次爆发大地震的危险期内。Usoi大坝是该次地震引发的大规模山体滑坡所形成的土石坝，坝高567m，是世界上最高的天然大坝。一旦该地区再次发生大地震，萨雷兹湖Usoi大坝有崩溃的危险，倾泻的湖水将吞没塔吉克斯坦境内部分地区，同时波及阿富汗和乌兹别克斯坦，殃及几百万人口，中亚地区生态环境也将遭到严重破坏，生命财产损失无法估量。

图1 萨雷兹湖和Usoi大坝

塔吉克斯坦政府高度意识到萨雷兹湖安全问题的严重性和重要性，但迫于技术和财力问题，欲在湖区及周围地区变形监测和灾害预警方面与有关国家和国际组织等寻求合作。

从大坝形成至今，国内外众多学者在大坝的风险评估与综合治理方面做了深入分析和研究。2020年7月，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，并开始向全世界提供连续稳定的导航定位授时服务，为监测系统的实施提供了重要保障。

中国科学院中亚生态与环境研究中心（简称中亚中心）和中亚中心杜尚别分中心（简称分中心）是对接国际援助和国际合作的重要桥梁，可以通过组织协调引进国内技术、方案和力量，联合当地部门实现具体工作的实施落地，从而最终实现国际援助和减灾合作。因此，依托中亚中心和分中心的组织协调，采用北斗技术对萨雷兹湖大坝进行变形监测，一方面可以满足分中心建设和国际援助需求，同时大坝的变形监测对于中亚地区生态保护和生命财产安全等具有重要的战略意义。

基于这些背景，中塔联合团队通过集成式一体化采集装备研制和复杂环境下数据组网通信策略攻关，结合北斗高精度定位数据处理与变形分析技术研究，最终建立了一套适用于萨雷兹湖特定条件的北斗变形监测系统，实现对Usoi大坝的高精度变形监测和国际减灾合作。

二、监测系统总体构架

针对萨雷兹湖无电、无网、无路、无人等特殊条件，监测系统研制总体包括四个方面。首先，研制一体化北斗变形监测终端，实现北斗卫星信号跟踪、观测数据采集；其次，建立坝区的局域通信网络，实现原始数据局域传输功能；再次，在大坝营地搭建卫星通信平台，使汇总数据通过卫星广域通信传输至海外分析中心和塔方应急部门进行综合分析处理；最后，杜尚别分中心对形变等多源信息进行综合分析，并通过全球通信手段及时播发形变预警信息和共享数据，实现国际减灾合作。基于北斗技术的萨雷兹湖大坝变形监测技术构架如图2所示。

图2 基于北斗技术的萨雷兹湖大坝变形监测技术构架

三、监测系统具体技术

1.便携式一体化监测终端技术

监测终端的长期供电和便携运输安装均是本系统建设的难点。考虑到监测区域光照足、无通信、无交通的条件，本项目通过对传统的接收机进行改造，使其集成太阳能供电模块、北斗/GNSS高精度定位模块、串口数据输出模块、内部大容量存储模块、以太网传输模块，并采用一体机终端构架，极大方便设备的运输、安装、配置和维护；接收机采用了完全国产的多模多频GNSS模组，不仅支持北斗卫星导航系统，并兼容GPS、GLONASS、Galileo系统；接收机采样间隔进行了变频设计，可根据大坝的稳定性和技术安排需要通过远程控制指令对采样间隔进行调控。此外，监测墩装置采用了套接销固式设计，极大地方便了运输和安装。图3为北斗一体接收机和便携式监测墩。

图3 北斗一体接收机（左）和便携式监测墩（右）

2.超长时间光伏供电技术

超长时间供电是大坝连续稳定运行的重要保障。大坝北斗变形监测系统功耗主要包括北斗变形监测单元、局域网域传输单元、卫星通信单元。萨雷兹湖大坝海拔较高，雨雪天气较多。为了保障长时间雨雪天气时段设备的连续稳定供电，项目组采用数据功率仪对用电单元进行功耗评估，根据实际功耗设计了大功率太阳能光伏板和大容量电池组，并利用太阳能控制器监控系统进一步对功耗单元进行验证，可以保障连续30天无光照条件下监测系统的稳定供电。图4为太阳能供电系统与安装实物图。

图4 太阳能供电系统（左）与安装实物（右）

3.局域广域联合通信技术

大坝区域地处无人区，数据传输是系统实现的关键。针对终端数据的区域传输，采用无线网桥技术组建区域无线网络；针对数据的广域传输问题，采用卫星通信的方式，解决数据到海外分中心的传输问题；针对无人值守问题，路由器和所有终端均设计具备远程配置和远程启动功能。同时，为了保障监测与通信设备的顺利安装，采用北斗短报文通信技术进行中方技术人员与塔方实施人员实时沟通和远程指挥。图5为大坝监测系统通信技术方案示意图。

图5 大坝监测系统通信技术方案

4.复杂环境气候下北斗实时毫米级可靠定位技术

针对萨雷兹湖大坝的毫米级定位需求，采用了基于环境建模的精密单点定位（PPP）和实时动态定位（RTK）的联合解算策略。首先采用环境建模技术对监测终端不同方位的地形进行高度角掩角建模；其次采用静态PPP技术对基准站的空间三维坐标进行准确标定和定期校正；最后采用动态RTK技术对大坝监测站的基线偏移进行动态求解，从而实时得出毫米级精度的位移量，实现基于北斗技术的大坝实时毫米级动态变形监测。PPP和RTK解算过程中涉及的数据预处理、随机方程定权、模糊度固定等子过程中的截止高度角均采用高度角掩角模型重构。经过实测数据和结果表明，目前监测点RTK实时解算精度水平方向优于2.5mm，高程方向优于5mm；PPP实时解算精度水平方向优于2.5cm，高程方向优于5cm。

5.监测系统完好性监测与防控技术

对于监测系统完好性，主要涉及对卫星端、终端、通信端三方面进行监测和防控。对于卫星端，利用全球连续监测评估系统（iGMAS）全球连续跟踪站对卫星轨道机动进行实时探测并对北斗机动卫星进行实时修复或调整；对于终端，通过云平台对终端数据吐包量和终端输入电压进行实时监控，终端吐包量异常和电压异常均可以实时报警并进行调控。

四、监测系统测试

因新冠疫情原因，该监测系统测试完成后需将全部的软硬件设施邮寄到塔国，委托塔吉克斯坦科学院和紧急情况与民防委员会进行实地建设和系统搭建。2021年4月26日起，系统正式运行进入集成测试阶段，期间模拟长时间断电、通信链路丢失与自动恢复、各级设备自动重启、供电系统远程监测、设备状态远程监控、数据实时传输与精密解算等测试，通过测试期间故障原因分析，对监测系统的软件、硬件进行了多项改进和升级完善。经过1个多月的野外运行，验证了监测系统实施方案的可行性，为大坝的实地安装和运维提供重要参考。

五、监测系统实地搭建与运行

2021年10月初，经过中科院国家授时中心、中科院中亚生态与环境研究中心、塔吉克斯坦科学院、塔吉克斯坦紧急情况与民防委员会联合团队的密切合作，北斗监测终端、卫星通信终端、光伏供电等设备抵达萨雷兹湖大坝营地。在卫星通信调试好之前，营地终端调试无法与外界进行网络通信，采用了北斗特有的短报文功能进行技术沟通与协调。基于前期的测试经验和充分的预案准备，完成基础预置和设备安装，以及对供电、网络、定位等功能性能调试等工作。2021年10月8日，正式建成了基于北斗技术的萨雷兹湖大坝变形监测系统并开始实时运行，为大坝的变形提供实时毫米级精度的监测。截至2022年2月，系统的硬件、软件、通信等状态运行良好。图6和图7分别为萨雷兹湖大坝上北斗监测终端的安装实景图和系统实时在线监控图。

图6 萨雷兹湖大坝上北斗监测终端的安装实景图

图7 基于北斗技术的萨雷兹湖大坝变形实时监测系统

六、结束语

中塔联合团队通过设备研制、定位算法融合、通信组网等关键技术攻关，建立了一套适用于萨雷兹湖特定条件的北斗变形监测系统。目前系统所有指标正常，运行状态良好，监测系统各项指标满足大坝的监测需求，可持续为大坝提供高精度监测服务，在国际减灾方面作出贡献。此外，为进一步推进和推广北斗应用，结合桥梁、尾矿、滑坡、楼宇、大坝等广泛的变形监测需求，联合团队基于萨雷兹湖变形监测系统研制并推出“一带一路”北斗泛在变形监测服务平台，可为用户提供北斗实时高精度变形监测数据解算技术服务。

致谢：

感谢中国科学院国际合作伙伴计划项目的资助，感谢中科院中亚生态与环境研究中心、塔吉克斯坦科学院和紧急情况与民防委员会的大力支持。