第5章GPS在变形监测中的应用

第5章GPS在变形监测中的应用主要内容•概述•GPS定位基本原理•GPS实时监测技术•GPS一机多天线监测技术5.1概述•全球定位系统(GPS)作为20世纪一项高新技术，具有速度快、全天候、自动化、测站间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等优点，因而获得了广泛应用。•目前，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术的许多领域，对经典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。•它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了卫星定位技术的高精度与高效益。GPS定位系统的组成•GPS定位系统实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时连续定位。•它由GPS卫星组成的空间部分、若干个地面监控站组成的地面监控系统和以接收机为主体的用户定位设备三部分组成。•三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。图5-1GPS定位系统的组成空间部分地面监控部分用户设备部分图5-3GPS工作卫星图5-2GPS卫星星座图5-4GPS地面监控系统分布图图5-5GPS接收机5.2GPS定位基本原理略5.3GPS实时监测技术基本原理•实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它是GPS测量技术发展中的一个新的突破。•RTK测量技术，是以载波相位为根据的实时差分GPS（RTDGPS）测量技术。•实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐标及其精度。实时监测系统的构成•清华大学已成功将GPSRTK技术应用于虎门大桥的实时安全监测。•GPSRTK实时监测系统主要是由GPS基准站、GPS监测站、光纤通信链路和数据处理与监测中心等部分组成，而数据处理与监测中心主要由工作站、服务器和局域网组成。•基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤实时传递到监测站，监测站接收卫星信号及GPS基准站信息，进行实时差分后，可实时测得站点的三维空间坐标。基准站监测站监测站数据处理与监测中心光纤通讯GPS卫星图5-7GPS实时监测系统的构成系统各个部分功能(1)GPS基准站。输出差分信号和原始数据，基准站应设在测区内地势较高，视野开阔，且坐标已知的点上。(2)GPS监测站。输出RTK差分结果和原始数据。(3)工控机。采集GPS流动站的原始数据和RTK差分结果，向GPS流动站发送控制命令。通过切换开关控制共享、分配器的工作。(4)服务器。运行数据库，处理工控机发送来的数据供工作站显示和分析。(5)远程控制器。远程启动和复位GPS监测站。(6)共享、分配器。把差分信号由1路分成多路，每路差分信号和对应的控制命令通过切换开关共享一路。(7)局域网。网络包括调制解调器、光纤、集线器和网线等，提供数据库存取和文件操作的通道。基准站光纤共享、分配光纤流动站图5-8GPS差分信号流程工作站网络工控机共享器GPS接收机图5-9控制命令流程GPS接收机工控机接收、处理原始数据网络网络原始数据服务器分析工作站图5-10RTK数据、原始数据流程实时监测的特点(1)由于GPS是接收卫星信号来进行定位，所以各监测点只要能接收5颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS差分信号，即可进行GPSRTK差分定位。各监测站之间无需通视，是相互独立的观测值；(2)GPS可以实现全天候定位，可以在暴风雨中进行监测；(3)GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉卫星，到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所测三维坐标可直接存入监控中心服务器，并进行安全性分析；(4)GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可达10～20Hz速率输出定位结果，定位精度平面为±10mm，高程为±20mm。5.4GPS一机多天线监测技术系统设计原则(1)先进性。即选用的仪器设备性能应是当今世界上最先进的。系统结构先进，反应速度快，监测精度必须达到相应的国家规范要求。(2)可靠性。即系统采集的GPS原始数据必须完善、正确；数据传输网络结构可靠，传输误码率低；数据处理、分析结果必须准确；整个系统故障率低。(3)自动化。即从数据采集、传输到分析、显示、打印、报警等实现全自动化。(4)易维护。即系统中各监测单元互相独立，并行工作。系统采取开放式模块结构，便于增加、更新、扩充、维护。(5)经济性。即在保证先进、可靠、自动化程度高的前提下，采取各种有效方法，力求功效高、成本低。多天线控制器天线组GPS接收机数据处理中心GPS一机多天线接收单元GPS一机多天线监测系统的组成•在不改变已有GPS接收机结构的基础上，通过一个附加的GPS信号分时器连接开关将多个天线阵列与同一台接收机连接；•通过这样一个GPS多天线转换开关可以实现一台接收机与多个天线相连，通过GPS数据处理后同样可以获得变形体的形变规律；•该系统包括控制中心、数据通信、多天线控制器和野外供电系统等4部分组成。多用转换开关基准站接收机监测站接收机数据处理中心数据库报告变形分析模型图5-11GPS一机多天线监测系统的构成控制中心•控制中心可以对GPS多天线控制器微波开关各信号通道进行参数设定，包括各通道的开关的选择，各通道的时间参数设定等，还可以设定系统的工作方式，例如对采集数据的传送方式（实时或事后）进行控制，并将由现场传来的GPS原始数据，通过相关的数据处理，实现精确定位。数据通讯(1）利用电话线进行数据通信，由于有现成的电话线，只需购置相关的调制解调器即可。该通讯方式成本较低，传输距离不受限制，实时性可以保证，工作时，由于占用电话网费用较高，有些场合可以考虑使用内部小总机分机方式进行通信。(2）利用无线方式进行数据通信，如利用现有的GSM信道。(3）组网方式。构成局域网，从而可以利用网上的相关资源进行数据通信，这种方式进行数据通信时，方便、可靠、通用性强，不需购置专用设备，但组网成本较高，如果不是具备现成的网络条件，不太适宜采用，数据传送时，实时性可能难以保证。GPS多天线控制器•多天线控制器包括计算机系统、天线开关阵列和控制电路，其主要由硬件和软件两部分组成，它是无线电通信中的微波开关技术、计算机实时控制技术和大地测量数据处理理论及算法的有机结合，仅用1台GPS接收机互不干扰地接收多个GPS天线传输来的信号，通过软件处理实现精确定位。GPS一机多天线控制器野外供电系统•由于GPS多天线监测系统工作在野外，需要长时间工作并且不能间断，实际系统中，为防备电源断电而引起数据丢失，在电路控制板上设计有电源供电检测系统，当检测到电源电压不足时，给CPU发出警告，CPU会立即进行相关的数据保存处理。DC-DCDC-AC蓄电池存储-5V/0.5A+12V/0.5A-12V/0.5A+5V/2.0A风力发电和太阳能发电隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统工程概况•隔河岩水电站总装机容量为120万kw，年发电30.4亿kw.h，水库正常蓄水位为200m，总库容量为34亿m3，是清江三个梯级水电站之一。•隔河岩水电站是华中电网重要的调峰调频电站，它的建成对于缓解华中地区的电力紧张状况，保证华中电网的安全稳定运行；对于消除清江中下游的洪涝灾害，避免清江洪峰与长江洪峰相遇以减轻长江荆江段及下游的防洪压力；对于打通清江航道，为鄂西山区提供便捷的交通动脉，促进商品流通和资源开发；对于发展清江流域的旅游事业等都具有十分重要的意义。大坝情况•隔河岩水电站大坝为三圆心变截面重力拱坝，最大坝高151m，坝顶弧线全长为653m，坝顶高程为206m。•高程150m以下为拱坝，高程150m以上为重力坝。•坝址为凹形河谷，地形条件比较复杂。监测系统的总体结构•大坝变形GPS自动化监测系统是由数据采集、数据传输及数据处理、分析和管理三个部分组成的。•整个系统的数据采集、传输、处理、分析、管理采用局域网络来完成。•大坝外部变形监测系统的数据采集工作是在GPSl～GPS7这7个GPS站上进行的。其中GPSl和GPS2为位于两岸的基淮点，GPS3～GPS7为位于大坝上的变形监测点。数据传输•及时准确地传输观测资料及有关信息是建立GPS自动化监测系统中的一个重要环节。•坝面工控机通过RS----232多串口远距离通讯方式将各监测点的接收机面板信息实时传送到总控室，同时又通过多路开关方式，按总控室所设置的时间间隔定时将上述各台接收机所采集到的数据(观测值、卫星星历等)传回服务器。数据分析•数据处理、分析、管理部分在隔河岩大坝外观变形GPS自动化监测系统中具有重要作用，是整个系统能自动运行的关键。•主要由总控、数据处理、数据分析和数据库管理等四个模块组成。•总控是整个系统中各模块的数据交换中心，也是系统的主要用户接口。•数据处理模块的主要功能是：时段自动定义与选取；自动进行数据处理；对成果可靠性进行判断；对运行过程中可能出现的错误进行控制和处理，保存结果和清理数据。变形分析模块部分在PC机上运行，部分在工作站上运行。•数据库管理模块具有如下功能：数据安全管理、数据更新、数据查询、数据自动转储、报表打印、数据库恢复等。应用效果•该系统在1998年夏天抗御长江全流域特大洪水期间所提供的快速而准确的资料为隔河岩水库超蓄调度提供了科学决策的依据，为长江防洪发挥了重要作用。•该系统可广泛用于水库大坝、大型建筑物、电视塔、大型桥梁、大型核电站、滑坡、地壳形变、环境等安全监测。有着显著的社会效益和经济效益，具有重要的应用和推广价值。