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基于GNSS技术三维位移自动化监测系统 上海华测导航技术有限公司系统集成部邱匡成2010年10月 目录 一 应用背景二 应用范围三 系统组成四 各部分功能与介绍五 系统特点六 系统关键技术七 应用实例 拉西瓦水电站果卜岸坡监测八 核心软件证书九 应用案例 GNSS即全球卫星导航定位系统 GlobalNavigationSatelliteSystem 目前GNSS泛指美国的GPS 俄罗斯的GLONASS 欧盟的GALILEO以及中国的COMPASS 北斗 目前使用范围较多的是美国的GPS系统 应用背景 在地球上任何位置 任何时刻GNSS可为各类用户连续地提供动态的三维位置 三维速度和时间信息 实现全球 全天候的连续实时导航 定位和授时 目前 GNSS已在大地测量 精密工程测量 地壳形变监测 石油勘探等领域得到广泛应用 通过近十多年的实践证明 利用GNSS定位技术进行精密工程测量和大地测量 平差后控制点的平面位置精度为1mm 2mm 高程精度为2mm 3mm 应用背景 应用背景 常规变形监测技术包括采用经纬仪 水准仪 测距仪 全站仪等常规测量仪器测定点的变形值 其优点是 1 能够提供变形体整体的变形状态 2 适用于不同的监测精度要求 不同形式的变形体和不同的监测环境 3 可以提供绝对变形信息 但外业工作量大 布点受地形条件影响 不易实现自动化监测 应用背景 利用GNSS定位技术进行滑坡等地质灾害监测时具有下列优点 1 测站间无需保持通视2 可同时测定点的三维位移3 全天候观测4 易于实现全系统的自动化5 可以获得mm级精度利用GNSS定位技术进行地质灾害监测时也存在一些不足之处 主要表现在点位选择的自由度较低 应用背景 从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的形变监测技术 GNSS与其它传感器结合用于形变监测已形成了趋势 目前GNSS在形变监测中的最高精度在几个毫米 数据采样频率为20Hz 大部分的形变监测系统已经做到数据自动传输 自动解算处理 实时测量结果 测量结果图形演示 自动预警报警等功能 应用范围 本系统是利用GNSS进行准实时解算三维变形量分析的系统 对于人工建筑变形分析 比如大型桥梁 水坝 大型人工建筑 以及山体滑坡监测 油田沉陷 矿山采空区沉陷 城市地下水漏斗沉陷 火山监测等等具有非常大的现实意义 坝体监测 滑坡监测 桥梁监测 GNSS自动化监测 GPS传感器 数据传输系统 数据处理与控制系统 供电系统 避雷系统 数据分析与预警报警系统 其它辅助系统 系统组成 系统组成 传感器系统 GNSS接收机 GNSS接收天线 数据传输系统 有线传输 光纤等 无线传输 无线网桥 GPRS模块 供电系统 市电 太阳能 风能 风光互补 避雷系统 直击雷防护 感应雷防护 数据处理与控制系统 GPSensor软件 数据分析与预警报警系统 客户端软件 其他辅助系统 系统组成 系统组成 各部分功能与介绍 传感器子系统 GNSS接收机 N70M X60M X300MGNSS天线 A300 A500 各部分功能与介绍 数据传输系统 有线传输 光纤 485信号 422信号无线传输 无线网桥 GPRS通讯模块 供电系统 市电 太阳能 风能 风光互补 各部分功能与介绍 避雷系统 直击雷防护 避雷针感应雷防护 感应雷避雷器 各部分功能与介绍 各部分功能与介绍 数据处理与控制系统 GPSesnsor软件 具有自动准实时自动解算自动评估解算精度自动触发接收机 华测高精度数据处理软件 GPSensor同时支持实时 1 24小时多个时间段解算支持多参考站自动解算功能具备独立环实时网平差功能支持单频 双频及多系统数据处理功能对解算结果采用卡尔曼滤波 有效剔除粗差 提高解算精度准实时数据处理精度可达2 3mm 各部分功能与介绍 卫星数据卫星颗数每颗卫星的坐标每颗卫星的信噪比每颗卫星的仰角GPS定位数据坐标水平精度 垂直精度PDOP值使用卫星颗数解类型数据时延 各部分功能与介绍 各部分功能与介绍 基线解信息基线长度基线中误差相对误差基线向量RATIO值基线协方差阵 各部分功能与介绍 实时显示各基站点的工作状态 数据采集软件本身的工作状态各个基站的工作状态各个基站的网络连接状态 各部分功能与介绍 各部分功能与介绍 数据分析与预警报警系统 客户端软件 数据分析对比预警报警矢量点位偏移显示 各部分功能与介绍 报表设置自定义报表内容自定义报表生成时间 三维显示支持各传感器接入构建三维立体化监测 华测数据分析软件B S C S架构 可远程浏览支持点 断面 变化速度及变化加速度等分析功能自动生成报表 并通过E MAIL方式发给指定人员短消息 E MAIL 声光等多种报警方式多种预测功能 如线性回归 灰色理论等可支持其它传感器监测结果接入的功能 如全站仪 测斜仪 静力水准 各部分功能与介绍 可对GPS原始数据自动进行实时差分处理 数据更新率可达1Hz 5Hz 10Hz 20Hz 根据不同的应用领域可进行调整 可根据系统参数设置 对不同的监测站的实时差分结果进行Kalman滤波 达到不同的动态要求和精度要求 最高精度水平 2mm 高程 4mm 支持多种传输协议 RS232 CAN TCP IP UDP 实时显示基线的变化情况 点位的移动情况等 软件包括如下视图 实时数据视图 实时网图 趋势图 卫星视图 三维视图 数据管理 系统完备性监测功能 可对整个系统的健康状况进行监测 包括软件和硬件 比如 一旦某个监测站出现死机现象 软件马上会通过数据信号触发的方式实现接收机自动重启 系统特点 第三方软件接口 用COM组件的方式实现 可实现远程查询 管理 报警 短信 邮件 声光 权限管理 一般用户只能浏览数据 系统管理员才可能对一些参数进行设置 数据分析功能 根据用户要求 对监控点进行频域和时域分析 可靠性 7 24小时持续可靠工作 系统特点 系统关键技术 GPSensor算法 1 采用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的随机误差 即Kalman滤波器 将真实的状态 定位结果 从各种随机干扰中实时最优地估计出来 GNSS动态定位的离散状态空间模型如下 2 GPSensor直接应用GNSS接收机的原始数据 参考站和流动站的观测数据保持严格的同步 所以 大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消 GPSensor还采用滤波方法消除GNSS动态定位数据中的各种随机误差 是输出的定位结果更符合真实的情况 所以GPSensor根据采用的GNSS接收机和GNSS天线的不同 可以保证毫米级的定位精度 而通常的RTK接收机动态定位精度为厘米级 系统关键技术 GPS伪卫星技术 在现实工作环境中 各类型水电站 水库大坝都建设在高山峡谷中 GNSS信号的接受收到很大的影响 今年来就出现了采用GPS伪卫星技术来弥补可见卫星数目从而增加定位精度的方法 从而保证了在高山峡谷地带也能将GNSS定位精度保证在mm级以上精度 系统关键技术 系统关键技术 应用案例 拉西瓦水电站 拉西瓦水电站监测区域位于拉西瓦水电站大坝右岸变形体 最近处位于进水口上方 最远处距离