单频静态GPS进行大坝变形观测的可行性.docx

单频静态GPS进行大坝变形观测的可行性单频静态GPS与数传电台进行大坝 变形观测的方案 所谓变形，是指工程建筑物由于某种原因而产生形状、大小和位置的变化。具体来说，变形观测就是定期对建筑物的有关几何量进行测量，并从观测成果中整理、分析出变形规律的过程。 工程建筑物的变形观测，对于工程建筑物在施工、营运过程中的安全，避免灾害，具有重大意义。通过变形观测，亦可为设计积累资料，作为验证设计方法和修改、制定设计方案的依据。 一、 单频静态GPS与数传电台的工作原理及可行性分析 随着科学技术、电子技术的飞速发展,新的监测技术也不断引入到大坝的变形监测中。GPS作为现代测量技术的代表,因其独特的优点，精度高、自动化程度高等，也逐渐在大坝变形监测领域发挥作用。 全球定位系统GPS是美国国防部研制组建的新一代精密卫星导航定位系统，用于测定全球目标的空间三维坐标和授时。GPS大坝变形监测主要用于测定水平位移、垂直位移(沉陷)。通常在大坝两岸不受坝体变形影响的地方设置GPS基准站(通过国家精密大地控制网和天文水准测定并转换为WGS-84参考坐标下)，在大坝上合理布置几个位移观测点，然后在各点架设GPS接收机进行接收GPS卫星信号，通过传输网络把各点的GPS数据送到中心服务器结合基准站的坐标进行GPS网平差，得出位移观测点的空间三维坐标，两历元(周期)的空间三维坐标之差就是大坝相对水平位移、垂直位移(沉陷)。国内最早的GPS大坝变形监测系统是原武汉测绘科技大学开发研制的清江隔河岩大坝变形监测系统，该系统主要由5个坝体监测点和两岸2个基准点组成，其精度达亚毫米级。在1998年长江流域特大洪水期间，让水库超量拦洪蓄水，减轻了中下游的防汛抗洪压力以及避免了荆江分洪，产生了巨大的经济效益和社会效益。另外我国也在小浪底等工程成功进行了GPS大坝变形监测的实验工作。 单频静态GPS接收机与数传电台相结合，进行变形观测的方法，由于使用了数传电代替费用较大的光纤，避免了使用光纤可能带来的故障，所以不仅提高了效率，也降低了成本。该种变形观测方法包含:一个中心控制站和N个单频静态观测站。中心控制站包含一台GPS接收机，主控制机(装有控制程序的电脑)，数传电台。控制中心站可设立于离大坝3,5KM远，较易建立控制站的地方建立主观测室，可以方便操作，但是中心控制站一定要建立在基岩上，保证其稳固性。单频静态观测站，建立在坝基上，可以很好地监测大坝的变形情况。每一个单频观测站包括一台GPS接收机和一个数传电台。此款类型的仪器可以采用南方公司自主生产研发的一整套设备，包含系统控制软件。此外，由于在该系统的运作过程中要对每个观测站发送指令，所以每个数传电台都必须具备收发功能，而不是单向的。 GPS接收机与数传电台的工作原理图，如下图所示。在工作过程中，由中心控制站利用数传电台对每一个单观测站首先发送指令，当然为了避免数据流的冲突，这些指令的发送是依次进行的。单观测站在接收到这些指令之后，开始采集数据并记录，在经过设定的时间之后(一般为30分钟左右)，由单观测站的数传电台把机内的数据文件传输给中心控制站，中心控制站再利用主控制机内的控制系统和程序对单观测站发送过来的数据与中心控制站采集的数据，进行基线结算，这样就可以得到一个基线向量值，由于每天可以采集N个这样的数据，因此可以得到N个这样的基线向量值。这样就可以比对这些基线向量，来统计大坝变形的情况，找出变形的规律。这种方法不需要已知点坐标信息，只需要得到各个单观测站到中心控制站的位置变化，即三维的基线向量值即可。如果想要得到更高精度的变形观测参数，可以考虑建立两个中心控制站，这样可以把中心控制站也用绝对基线向量值控制下来，参与变形观测。 图1 GPS接收机与数传电台进行变形观测原理图 此外，使用数传电台要比一般光纤节省大量的开支，一般光纤具有一下缺点，这些都是数传电台不具备的。 1、 光纤投资花费巨大。 2、 在应用光纤测量位移时， 用光速乘以传播时间的方法误差较大。因为用脉冲波进行时间测量难度较大。 3、 光纤要具有一定的强度和柔韧性才能适用。 4、 光纤与GPS的接口也是一大问题。 二、 资金预算 1、 硬件设备 建立该变形观测系统，硬件设备包含单频静态GPS接收机和数传电台，主控电脑一台，以及观测墩和观测室。静态GPS接收机的造价为3.5万元一台，主机2万左右，由于需要长时间的供电，要采用持久的电源系统，保证工作的实时进行。在主机数据观测的同时，并不是像RTK一样实时发送数据给中心控制站，这样就需要一个管理系统，每个一定的时间向中心控制站发送数据一次，这个时间是可以设定的。这样管理系统和电源系统则需要1.5万左右。数传电台1万元一台、主控电脑1.2万元一台。观测墩每个造价3万元(包含防护罩和避雷系统)，中心控制室造价3万元。这样首期的硬件设备预算为80万左右(按共10个观测站计算)。 2、 系统软件 主控系统主要用来控制每个观测站，控制数传电台发送制令，接收数据以及对数据进行解算分析。其中主控制系统价格约为5元，主要控制整个系统的工作运转情况。数据解算软件部分价格约为5万元，主要用于解算单观测站发送得数据，得到所要基线向量值，从中分析得出成果报表和变形预报。一整套的系统的首期预算约为10万元左右。 3、 设备维护 在使用过程中，各个硬件设备要定期进行维护清理检查一次，这个是非常重要和必要的，包括系统在内。维护的目的是为了预防即将发生问题，保证这个设备的运行的可靠性，避免可能出现的隐患，增加设备的寿命。首期预算的设备维护费用为5万元左右。 对专业技术人员的培养也是十分重要的。熟悉操作每个操作过程，可以减少错误的发生，提高对大坝的变形观测的效率。这样，整套系统设备的首期预算将为90万元左右。 该种进行变形观测的方法，也是自动化变形监测系统中一种最新的方法，利用GPS观测值进行基线解算，可