北斗卫星导航桥梁在线变形监测系统讲解

1、基于北斗系统的大桥自动化安全实时在线监测系统广州中海达定位技术有限公司公司介绍2公司资质71. 大桥健康监测系统简介82. 系统方案92.1坐标系统102.2系统结构102.3硬件配置及设备选型132.5软件系统182.5.1数据传输与数据采集系统(GPSDTUCenter) 202.5.2 数据处理部分(ZNetMoniter) 222.5.3 ZNetMoniter系统基本功能252.5.6监测数据分发系统(ZWebMoniter) 282.5.7系统特点293传统监测和自动化监测对比304技术先进性325北斗/GPS公路桥梁无人值守监测及预警系统设备336野外设备供电设计方案437桥监测

2、站点的布设468成功项目案例52公司介绍广州中海达定位技术有限公司(以下简称中海达定位)是广州 8中海达卫星导航技术股份有限公司（股票代码：300177）全资子 公司。中海达现有员工近1500人，其中博士后、硕士、高级工程师等 研发、技术精英近150名，均为长期致力于GNSS技术研发、生 产、市场服务的行业专家及参与了 GNSS国产化发展全过程的顶 尖人才。中海达总部位于广州,拥有自有产权甲级写字楼3000 平方米，拥有一流专业级GNSS仿真环境实验室、技术研发中心、 国内一流的GNSS制造车间，为客户源源不断地提供出类拔萃的 产品。公司致力于GNSS技术的深层次研发，提供全球定位系统及相 关

3、行业完整高效的系统解决方案，提供全面、快捷、周到的技术 支持和服务。“积极响应，快速行动，首问负责、跟踪落实、彻 底解决''是我们的服务理念中海达产品涵盖：高精度测量型 GNSS产品系列；超声波数字化测深仪系列；GIS数据采集系统; 海洋工程应用集成系统。是国内GNSS行业唯一能提供全面解决 方案，根据用户需求量身定制系统解决方案的的实力厂家。中海达测绘通过IS09000质暈管理体系认证,获国家技术监督局 颁发计量器具制造许可证，工业品生产许可证，荣获军事装备定 点生产制造认证，积累了大量的自主知识产权,以技术创新， 高效服务，科学管理引领中国GNSS产业发展。中海达定位主要承

4、担着利用集团产品进行新的行业应用拓展的 使命和任务，目前己在全国建立起完善的渠道和销售服务体系，依托分支机构和合作伙伴，共同为客户提供服务。中海达定位主营“中海达''品牌的系统工程业务，率先在行业 推出“安全卫士"系列在线监测系统，广泛应用在尾矿库、水库大 坝、滑坡、矿山高边坡、桥梁、深基坑边坡监测，精密机械控制 等，为用户提供最完善的系统服务，为工程安全和科学决策提供 技术支撑。中海达定位将中海达独有的GNSS技术和产品优势率先引 入工程应用领域，领先国内同行。凭借成熟的GNSS技术以及强 大的团队实力、工程设计、工程实施、人员培训和后期支持等， 形成全方位的专业技

5、术与工程应用综合解决方案。公司定位于高精度测量型GNSS研发、生产、销售；GNSS高精 度形变监测预警系统；三维激光扫描系统。公司主要实力展现如 下：1、中海达作为中国GNSS行业的军企业，建立了中国最专业、 最大的GNSS技术研发中心，拥有200多人的专业化研发团队， 致力于专业GNSS/GIS核心技术的研究，并建立了博士后科研工 作站。M IJ.7科研皿站E申紐卫隣戢术耶有段公司仙博士后科研工作站2、中海达建设了国际一流GNSS产品生产线，标准的5S车间管理，按照GB/T19001和GJB9001A标准进行质量管理，成为海 军军事装备承制单位。质蚤 GB/T19001: 2008质量管理体

6、系 GJB9001A： 2009质童管理体系生产标准的5S车间管理国际一流的GNSS生产线年产GNSS产品20000台套 GIS采集产品5000台蛮超声波测深产品500台套的悚准生产线第26次南极科考中海达V8 GNSS显卓越本色衣近的'项目的IGHISfl?士生导师王徉 妣域站迸行了左中悔疾呢的勒碗产烝朽 中海述8 G«3S KK长时间工作杨龙血畅: 行，庞需了秫考臥昌仃的一裁你雳。2C0拜底201皆4民中国南根测绘I :祎中闰期G® R 冰艺运驕溪L以中海达质量体系和为海军某部组织的统一培训中海达V8 RTK产品以卓越的性能在南极科考中应用3、中海达专注GNSS

7、核心技术的深入研发，在RTK GPS、GIS 数据采集器、CORS系统、数字化测深仪等领域创造了多项中国 第一，以技术创新作为企业发展的持续动力，以技术创新引领中 国GNSS技术的发展潮流。科学技术成果证书梶认鄴銘爲專搜盘£( J -中尺 16 XOKsa.e追址专*毆宣， 定位.黑课技术达到W际兀逍水,MH枝讥利MKM中海达先进技术成果4、中海达立足中国，以“成为国际一流的GNSS品牌”为目标,逐渐竞逐国际市场，并取得了很好的销售业绩。如今，在美洲、 欧洲、非洲、澳洲以及东南亚地区都可见到Hi-Target（中海达英 文品牌）的广泛应用身影。中海达产品遍布全球5、作为中国GNSS行

8、业的知名品牌，中海达以全而实现高精度GNSS产品技术的国产化为己任，得到了行业领导和专家大力支持和关怀。67風品一r洵澤il悴tAlrlt4)If I中海达受到业内专家高度重视公司资质桥梁变形监测软件9中华人民共和国国家版权局计算机软件著作权登记证书:2011年03月22日:2011年04月05日权人2012SR043085171.大桥健康监测系统简介该健康监测系统旨在通过利用现代传感器、信号采集与处理、通信、远程控制、计算机技术、桥梁结构计算分析等技术为大桥管养者实时监测并掌控大桥的安全使用状态，避免大桥灾难性事故 的发生，指导预防式维修管理。根据上述需求，中海达公司采用公司自主知识产权GP

9、S变形监 测系统软件(ZNetMonitor)平台及硬件传感器(中海达双频GPS 接收机Vnct6),基于ADSL/光纤通讯，提供大桥运营期健康监 测系统之GPS变形监测子系统解决方案。中海达岛祐度GPS监测预勢系统的主要应用蝕域如下图所示：E海述高精厦GPS味测黍纽尾矿监测板块漂侈盟测沉陷监测大塑场馆筮测2.系统方案桥体在运行期间都会受到行车荷载、风力、温度以及突发的自然 灾害等外界因素的影响，也会受到混凝土收缩徐变、混凝土老化、 混凝土碳化、钢筋松弛、钢筋锈蚀、斜拉索锈蚀、墩台基础沉降 等内在因素的影响。在内外因素的影响之下，大跨度斜拉桥将 产生几何变化、内力变化和索力变化等各种效应。如果

10、这些变化 过大，超过了桥梁能够承受的安全范围，将会产生灾难性的后 果。为此，本方案将采用GPS技术，对桥梁进行连续观测。根据我国的公路养护技术规范(J TJ 073296)中的有关规定和 要求，以及大跨度桥梁塔柱高、跨度大和主跨段为柔性梁的特点， 变形监测的包括桥梁墩台沉降观测、桥而线形与挠度观测、主梁 横向水平位移观测、高塔柱摆动观测。2.1坐标系统GPS解算出来的坐标是基于WGS84坐标系统的,而对桥梁特性 的分析主要基于桥梁纵向、横向及竖向，所以要建立分别平行桥 梁3轴线的桥梁坐标系统。另外根据用户要求，监测软件可将监 测结果转换为自定义的本地坐标系统，坐标转换过程为：WGS84空间直角

11、坐标(XYZ)转换到WGS84大地坐标(BL H) 以WGS84椭球为基准采用恰当的中央子午线将大地经纬度高 斯投影为平面格网坐标，保持椭球高不变，从而形成平面格网坐标 加椭球高的东北天坐标系平而格网坐标逆时针旋转一个角度使之平行于桥梁纵轴和横轴, 保持椭球高不变，从而形成了平行于桥梁3个轴线的桥梁坐标系 或木地坐标系。2.2系统结构中海达GPS监测系统整体结构简单、层次清晰、功能明确，系 统由：数据采集系统、数据传输系统、数据处理系统、 监测预警系统、综合管理系统等五大系统组成，其中综合管理 系统是服务器软件管理中心，数据处理系统是GNSS数据解算 中心、监测预警系统是监测数据分析中心，也是

12、中海达高精度变 形监测预警系统的核心。整个系统的结构与功能如下图所示：中海达用梢鹰变形监測预瞥系統納构示恿用 综合管理系统一一可有效进行用户管理、数据管理、系统运行 管理，确保系统安全和数据安全，可方便进行参数设置、状态本地/远程浏览、 数据木地/远程下载以及数据共享等。 数据采集系统一一中海达采集系统关键设备采用高精度进口 主板，确保数据采集精确。数据采集系统一般由基准站、监测站以及包括野外电 源和防雷系统组成的保障支持系统组成。 数据传输系统一一中海达数据传输系统可采用RS232、专线有 线或无线Modem. TCP/IP> UCP、GPRS无线和CDMA无线通 信、UHF无线电台等

13、方式，组建传输网络方便灵活。系统不仅 支持野外就地拖拽式数据下载，还能实现远程实时数据流传输和 文件包下载。 数据处理系统一一中海达数据处理系统可进行长时间连续实 时数据处理，解算采用先进的卡尔曼滤波集成单历元整数解算 法，轻松达到毫米级定位精度，确保系统运行的稳定性和数据的 可靠性。 监测分析预警系统一一中海达监测分析预警系统的数据分析 处理能力非常强大，分析角度多、手段丰富，能计算三维位移分 量及各向变形速率，自动生成变形历时曲线、变形分布图和多因 素相关图；能根据实地地形数据生成三维仿真图，并生成变形场 等高图或渐变色谱图以及变形场任意剖面图；能综合其他监测数 据进行初步分析与简单评价；

14、能根据预设警界值进行风险断别， 实时以短信、声音或屏显等形式进行多渠道状态信息发布，异常 状态条件下还能适时多渠道多形式进行预警信息播报（发布渠道 包括运行技术人员、单位领导、上级管理部门信息中心等，形式 包括短信、语音电话、警报声音、大屏幕显示等）。中海达GPS外部变形监测系统数据采集与数据传输的典型工作 模式如下所示：GPS接收天线预故电式遁阳针大线逹接线保护数据采集打传输系统主要换件设冬组成及其连接示惡阁根据实际条件与需要，系统供电也可配置成其它方式（如市电）, 数据传输则还可采用有线直连、无线电台、GPRS、无线网桥等方式。2.3硬件配置及设备选型2.4.1 GPS接收机推荐选用中海达

15、VNet6型专业GPS接收机，其而板和背板如下图所示：面板指示灯功竝按爰幵关按另蓋牙电台半口 （F） S叶及GSM+ 洞试#n（F> Hi坊电;廉合描復荻助电忑2GPRS天笠外部痂（BNC）网於警鑒严5> QN5SXa（TNC）ian2（M） PP96出删杵输入曰口 3（幵 主电浬2技术参数:应用范围双频双星GNSS接收机，可配置高精度扼流圈ZYAGB-BS035,或者高性价比AT-2200天线。 适合桥梁和高层建筑物等震动监测、混凝土坝等高精度监测应用领域， 支持一机多天线监测。最高输出频率50HZ跟踪通道220通道GPS LI C/A 码丄2C, L1/L2/L5GLONASS

16、 LI C/A 和 P 码,L2 P 码,L1/L2空基增强系统 WAAS, EGNOS, MSAS,L-Band (Omnistar定位精度单历元解算精度：平面:±(2.5mm+1 x 10-6D), 高程：±(5.0mm+1 x 10-6D) 单历元解算初始化时间：小于10分钟动态解算精度平面：±(10mm+lxl0-6D),高程：±(20mm+1 x 10-6D)初始化可靠性：一般大于99.9% 支持长基线解算输入/输岀格式差分电文：CMR, CMR+, RTCM 2.3, RTCM 3.0,RTCM 3.1,RTCA观测值数据：ZHD, RINE

17、X, BINEX,RANGEA定位数据/状态信息：NMEA-0183 V2.30数据资料记录内置储存容量:1GB配置SD卡容量：4GB储存格式：ZHD.RINEX,BINEX命名选择的文件：多样化存入数据检索和调动：网络下载数据管理：支持循环存储接口 5个RS232端口，支持气象仪，倾斜仪，传感 器 1个以太网端口 1个外部时钟接口，支持外部高精度原子钟接 入 4个电源输入口，相互独立 1个GSM天线接口以太网：RJ45连接器，支持HTTP、NTRIP,支持10个同时存在的TCP/IP数据流无线网：支持GPRS或CDMA接入蓝牙：支持2.4GHz连接安全可选择的HTTP登录上网，实时认证,SS

18、L认证用户分级访问权限、每次支持10个用户同时 登陆用户界面 5个LED指示，2个按钮键盘，Web用户界面电源 736V的直流电输入 120Ah的蓄电池可以工作250个小时以上。功率4W环境工作温度：-40°C 65°C存贮温度：-40 °C-80 °C防水防尘：IP67重量：1kg 大小：22.5x13.8x7cmVtf Jtflt IlCtOlCo« o 】.国L2.4.2 GPS 天线推荐采用型号为AT-2200型的专业大地测量型双星双频GNSS 天线，能有效降低多路径信号的影响、精确跟踪目前所有的GPS 卫星发射的信号。rr2.4.3天

19、线连接线采用Syv-50-5-1型同轴电缆，其射频信号保真高、衰减小，在不加天线信号放大器的情况下信号传输40米仍可满足GPS接收机的正常工作 需要。2.4.4电源系统电源系统可采用220V交流电，也可以用太阳能，也可使用UPS 等。2.4.5通讯系统通讯系统需要根据现场条件采用有线网络或者无线网络，或 GPRS等通讯设备。2.4.6其他附件：如连接接头、避雷针、保护箱(罩)、电缆保护管等，以满足GPS 系统正常工作需要为基木原则。2.5软件系统中海达高精度GPS形变监测系统是面向GPS形变监测综合应用 的专业化综合应用系统，软件系统主要包括三个子系统，包括： 数据传输和采集系统(DTUCen

20、ter)高精度GPS形变监测数据处理系统(ZNetMoniter)基于Web的形变数据发布系统(ZWcbMonitcr)中海达高精度GPS形变监测系统目标明确、结构简单、流程清 晰、功能完备，解决方案因地制宜、具有鲜明的针对性，系统设 计时在确保监测功能及精度性能的前提下，能充分考虑工程的实 际条件并兼顾工程投资的经济性，合理设计系统结构，科学配置 系统单元，最大程度实现系统要求与目标。系统运行稳定、数据 可靠，能准确表达各监测点的运行状态，能对相关数据进行分析 并提出初步风险评价，还能多渠道多形式适时分级发布预警信 息，为运行单位随时随地掌握工程结构安全和决策部门在关键时 刻的决策分析提供了

21、有效可靠的技术支持。中海达高精度GPS形变监测系统技术成熟、应用广阔，本系统 不仅在多个桥梁健康监测项目运行，还成功应用于滑坡地质灾害 监测、矿山边坡变形监测、水库大坝变形监测、堤防渠道变形监 测、深基坑及周边影响区变形监测、高层建筑及大型场馆健康监 测等领域。中海达高精度GPS形变监测系统的主要应用领域如下图所示：67m海达高犒厦gps盘测奈统尾矿监测板块漂移监测沉阳监测大坝监测高层建筑监测涓坡监测2.5.1数据传输与数据采集系统（GPSDTUCenteC数据传输部分负责把GPS原始观测数据（包括监测站和参考站）发送至数据处理和分析中心的计算机上，完全实现最高达50Hz 连续高速精密数据采集

22、。数据传输的方式可有多种，如：Internet 有线网或无线、GMS、GPRS以及通讯电台等。GPRS Modem现场工作图对于GPS应用，数据采集软件可采用随机配置的软件，但要求 具有实时采集及自动转换成RINEX格式数据文件的功能（如 Topcon公司的PC-CDU数据采集软件，如图2.7所示，但它仅适 用于Topcon系列的接收机）。为实现对多种接收机设备的兼容和 网络数据传输，我们为监测系统开发了专业的的数据采集软件 GPSDTUCenter,支持通过串口或Internet方式通讯，支持 GPRS/CDMA/3G等通讯方式，系统主要界而如图所示。GPS原始数据分析界而DTUD ngc&

23、lt;«01氏心)15?41盹川 | 阳(o)| log Tine rdBh L wJBi? 1270.01100002W-6-141401»E» 丨 C*HPZ68<94843GW itfjtficiSia Xi15Dc!0CK1X4716271.111?D5Q0fi64Y«»?1»2474ZOcCa/9?zaorOtQOCODJOpD(p 331如lr»K3?$Wcr.Wo互I Trte fgsTiol?-Hx 両"-rl r 尽甜GPS实时数据采集2.5.2数据处理部分(ZNetMoniter)数据处理

24、部分包括GPS数据处理与数据管理。ZNetMoniter是专门为高精度GPS形变监测系统开发的一款基于Windows操作系统的应用软件，该软件米用特殊的算法进行基线解算，同时还具 有可视化、数据管理及分析等功能。ZNetMoniter软件算法先进, 能运用小波精密分析法对数据进行分析处理，真正实现单历元毫 米级高精度连续解算。其主界而如图所示。<M>ZNGtMonrtor «金 基于C/S结构的ZNetMoniter匸作界面图2.10 ZNetMoniter软件主界面不同的应用所需求测量频率是不一样的，如处于危险期的滑坡、 汛期的防洪堤、大坝等的监测中，所要求的测量频率将

25、比较高（如 每小时一个测量结果）；另一方而，长时间的观测数据可以平滑 多路径效应误差，因此GPS的测量精度实际与观测时间的长短 有关。所以在实际应用中，必须在测量频率和测量精度取得一个最佳的平衡点。下面是不同测量频率下ZNetMoniter系统测量精度（1倍中误差，由多项目案例统计得出）。表ZNetMoniter系统测量精度（1倍/ ）观测时间实时30分钟1小时2小时水平 方 向5mm+lPPm3.5mm+0.5ppm2.5mm+0.5ppm2mm+0.5ppm竖直方向10mm+1.5ppm7mm+lPPm5mm+lPPm4mm+lppm2.5.3 ZNetMoniter系统基木功能（1）ZN

26、etMoniter包扌舌工程管理、测站管理、数据预处理、基线 解算以及数据管理模块。在连续运行的自动化监测应用中，实时 下载并处理由数据采集软件获得的GPS观测数据。经过基线解 算后，可获得每个监测点的位移量，并在结果视图中绘制出监测 点的位移时程曲线图。（2）能够进行长期、自动化、稳定、不间断运行，能实现最 高20Hz的实时观测，真正做到无人值守，放心又省心；（3）能进行基线解算、己知点符合归算、坐标计算、精度估算; 能计算三维位移分量及各向变形速率；能自动生成变形历时曲 线；能根据预设警界值进行预警信息或状态信息发布；0* P m»US&flHIP ETC*DD0 写:r

27、«xw D«Mc»*ftHMK R00< test.”町。"拠0巧科25砒«i»x d>lMZWHr<nn| 8.34|MH?.72fU4M|U| ttoih«1M1 «RtL2«lOI62)ti?0540 col tine：?nimio4n£><onc TbirUm>各监测点历史状态监测（4）基于具有网络接口的接收机设备，可直接进行具有远程数据传输、远程状态浏览.远程系统设置以及数据管理、用户管理、安全管理等功能;-上駅射liccoxoft Internet

28、 ExplotKC厂|厲:立伶©mtraa） 砌旳9Q砒丿兰；丿” ：；g悝e .监测点接收机网络管理（5）能计算三维位移分量及各向变形速率，能自动生成变形历 时曲线图、变形分布图、多变量相关图，能根据实地地形数据生 成三维仿真图，并能生成实体变形场等高图或渐变色谱图以及变 形场任意剖而图。aw IcdiaV谊x=s2“CM：Save铀3二S0卜gsFat.AXO® GX5I Q ro*9i*i*FW心；Rg>ych 丨:<：m监测点变形场GMS1UameUrgCwImJCurO.<|m>OffiDr<mjUrOKm>CyiCtKm?UI

29、C071J9WB1-7 Q317 9827 2557 264-D07DD D633 007RWS24 144-4 U58 3炖9 3130l<<0 1<<0 0029MB3Q3S203SQ1006210 062-0039-0 DIB0D23UWS<1 6971 89937363務00520074OOZ9MB5-SSQ1.59306022609301680194D 025 o 怜 P% ctr Pos2.5.6监测数据分发系统(ZWebMoniter)Q：图WEB发布系统主界而ZWebMoniter能对变形监测数据进行初步分析与简单评价，能 根据预设警界值和实测值进

30、行判别，能及时进行多渠道（基于文 件、数据库、流数据）多形式（B/S及C/S结构）监测预警信息 或状态信息发布，随时随地掌握运行状态，真正实现远程监控和 无人值守；系统主要包括：数据库管理（查询、删除和备份）形变监测数据多形式存储：基于文件、数据库、流数据形变监测结果数据分发：支持面向B/S及C/S结构的在线监测系 统建设，真正实现网络化远程监控和无人值守2.5.7系统特点中海达高精度GPS形变监测系统除具有行业通用优势外，还有 着以下几个特点： 数据采集快：完全实现最高达50Hz连续高速精密数据采集； 监测精度高：算法先进，能运用小波精密分析法对数据进行分 析处理，真正实现单历元毫米级高精度

31、连续解算； 硬件层次少：系统组成简单、结构清晰、运行稳定、维护方便; 分析手段多：能计算三维位移分量及各向变形速率，能自动生 成变形历时曲线图、变形分布图、多变量相关图，能根据实地地 形数据生成三维仿真图，并能生成实体变形场等高图或渐变色谱图以及变形场任意剖面图； 信息发布快：能对变形监测数据进行初步分析与简单评价，能 根据预设警界值和实测值进行判别，能及时进行多渠道多形式预警信息或状态 信息发布，随时随地掌握运行状态，真正实现远程监控和无人值守； 应用范围广：中海达高精度变形监测分析预警系统不仅能应用 于桥梁健康监测，还能广泛应用于滑坡等地质灾害监测以及高边 坡、高剪力墙、港口、船坞、矿山、

32、水库大坝和江河堤坝、大型 场馆和高层建筑健康监测中。3传统监测和自动化监测对比传统用于位移监测的仪器主要有：全站仪、位移传感器和激光测 试等。而这些传统均存在严重不足之处。全站仪监测的不足：采用自动扫描法，需要对各个测点进行一周 的连续扫描，而且各测点不同步以及大位移时不可测。位移传感器的不足：它是一种接触型传感器，必须与测点相接 触，且对于难以接近的点无法测量，另外对于横向位移测量比较 困难。激光测试的不足：在桥梁晃动大时，由于无法捕捉到光点故无法 进行量测，且恶劣天气不可量测。从上述可以看出，传统的位移监测设备与方法存在种种不足。而 基于卫星导航系统的位移监测技术具有精度高、无人值守、全天

33、候获取实时数据的优点。相比传统的位移监测技术具有以下优卫星导航高精度位移监测技术VS传统位移监测技术类别传统监测技术北斗/GPS监测技术建设成本成本咼成本低，约占传统监测技术1/10维护便宜性需专业技术人员，每年定期标定；维护简单，不需定期标 定。位移监测数据质量横向位移监测比较困难水平、高程方向都能达到高精度监测实时性一般需要后期处理，受天气条件影响大实时、自动、信息化还具有如下主要优点：观测站之间无须通视，点位选择更加灵活。操作简便，勿需进行手工重复劳动，可以节省大量人力物力。定位精度高，定位精度水平为3mm,高程为6mm以内。响应快速，短基线快速定位，其观测时间仅需数分钟。全天候作业，真

34、正实现连续实时观测。可直接提供三维坐标及其绝对或相对变化量，没有变形范围限 制，这是传感器类、声纳类、光波类、影像类、频谱类监测手段 不可比拟的。自动化程度高，可以完全实现远程控制、远程监测、远程数据下 载与共享，方便实现预警信息发布。基于卫星导航技术的位移监测理论与方法，是当前逐渐被广泛采 用的位移监测新方法、新技术之一，也是极为重要的监测手段之 一。如今，卫星导航位移监测技术已广泛应用于地壳运动观测， 区域地而沉降监测，布设各种类型的工程测量控制网，军事上导 弹与智能炸弹的精确制导车辆导航等领域，并取得了一系列成 果，在实践中逐步发展、完善，积累了丰富的经验。4技术先进性系统的先进性及创新

35、体现在以下几个方面：先进的北斗/GPS高精度位移监测终端设备；国内领先的基于北斗/GPS多模多频位移信号多路径抑制的新算 法，高精度单历元实时在线监测技术和最优差分改正电文生成技 术；国内首个针对高原山区公路桥梁、边坡管理养护需求的实时在线 位移监测系统；国内领先的产品化的位移监测与预警系统，可在国土、电力、水 利等领域进行推广应用；国内领先的桥梁实时动态及高精度静态兼容监测，支持瞬变和徐 变两种模式。基于北斗/GPS高精度位移监测解算预警系统通过实现以上各个 先进性技术使整个系统真正实现远程无人值守实时监测与预警 的能力。具备多方面的特点：监测指标全面、绝对位置真实、系 统稳定可靠、技术指标

36、优越、预警预报及时、数据采集连续、远 程管理便捷、投资费用节约、硬件层次少、分析手段多、信息发 布快、应用范围广，达到国际领先。5北斗/GPS公路桥梁无人值守监测及预警系统设备北斗/GPS兼容型的位移监测终端需要满足以下要求：实时性强：系统的主要工作是对大量的过程状态参数实现实时监 测、数据存储、数据处理、进行实时数据分析等。因此，要求在 硬件上必须有实时时钟和优先级中断信息处理电路。可靠性高：它是采集子系统最重要的一个要求，由于数据采集系 统往往是安装在被控对象的实际工作环境中，所以不仅温度、湿 度变化大，而且灰尘多、腐蚀性强，为了确保控制系统的高可靠 性，要求采集终端有防潮、防尘、防震的能

37、力。硬件采取冗余技 术、隔离屏蔽技术等。在软件设计要可靠、利用容错技术、自诊 断技术等，设置安全保护措施等。通信链路多样化：支持多种数据传输链路，包15 GPRS,3G,CDMA 等，通信链路单元可自由选择。满足高原山区野外作业环境的复杂多样性，可靠性、适应性、标 准性、经济性等多项指标。从信息传输的角度来说，其中最基木、 最重要的性能指标有两个：通信的有效性和可靠性。有效性主要 是指信息传输的“速度”问题，而可靠性主要是指信息传输的“质 量”问题。终端设计框图北斗/GPS高精度位移监测设备是一个系统整机，涉及到天线、 射频、基带、控制、显示和接口等众多产品技术，以及完整的产 品质量控制体系。

38、为了确保北斗/GPS高精度监测设备的顺利完 成，拟采用的解决方案如下：采用中海达现有的GPS系列高精 度接收机的产品研发、试验、生产和品管等10多年的测绘行业 经验，对本项目进行专项管理，并成立一支专业的研发队伍，研 发北斗/GPS的位移监测设备。首先，将研究设计北斗/GPS高精度位移监测设备的关键技术， 例如北斗/GPS高精度监测型天线技术、北斗/GPS系统融合捕获 与跟踪算法技术、Linux/WinCE嵌入式系统平台技术和终端整机 技术等。其次，在综合考虑这些因素的基础上，研究出北斗/GPS高精度 位移监测设备的系统解决方案，应用这些方案就可以灵活的设计 出北斗/GPS系统组合的高精度位移

39、位移监测设备。位移监测终端设计原理框图如下：位移监测终端原理框图终端详细功能指标(1 )功能指标本项目首先实现高精度的定位功能。具备监测站的功能；本项目使用分体机做法，即天线和终端分开，通过天线电缆连接,可自由拆卸；通信能力较强：可实现2G/3G网络接入，RJ45网口，RS232/485通信。实现更宽电压接入，支持DC9-36V电压输入。可扩展性能高，GPRS,CDMA,3G等模块定制，可扩展为4G网络；符合高原山区野外标准和相关防护等级要求。特别防腐蚀，粉尘,防水等方而性能较高，无风扇设计。(2)技术指标跟踪通道192通道北斗B1/B2GPS L1/L2定位精度平面土 (3.0mm+lxl0

40、-6D)高程土 (6.0mm+lxl0-6D)初始化时间小于30秒初始化可靠性一般大于99.9%数据更新率1HZ通信能力内置2G/3G模块：实现差分数据和远程网络数据传输;RS232/485通信：支持有线监测数据传输；供电功耗宽电压输入：支持DC9-36V直流电压输入；主副电源输入：2个电源接口，主副电源输入；功耗：4W；输入输出接口输入输出接口通信方式预功能描备注留述数h'北斗/GPS天线接口1TNC头TNC2/3G天线接口12/3G 信号SMA电源接口1IP65LEMO 1B大2芯RJ45 接口1有线网络传输网线接口串口RS2321设置， 电源， 调试， 小五芯 通过按 钮切 换，

41、USB数 据下载LEMO 1B 大8芯， 设置或调 试功能共 用3芯， 通过按钮 切换；副 电源2芯； 总共需要 7芯。串口RS232/4851传感器 输入、数据传输附加LEMO IB大10芯，485四芯与232复PPS、事 件触 发、引 脚用、CAN口 2芯、PPS 一芯、事件触发1芯 总共需要 8芯。数据资料记录内置储存容量4GB储存速率 1Hz命名选择的文件多样化存入数据检索和调动远程网络下载安全可选择的HTTP登录上网，实时认证，SSL认证（3）物理性能要求防潮：符合高原野外安装标准防腐蚀：符合高原野外安装标准散热能力：无风扇设计，符合高原野外安装标准IP防护等级：IP65,防尘防水工

42、作环境温度：-4560度存储温度：-4585度终端外观结构要求产品结构外观总体要求符合高原野外安装标准，符合高原山区地理环境条件要求，符合高原山区气候环境和无人值守，防盗标准。 在符合上述指标说明的同时，应该注意一下几点：方便安装、拆卸、接插线和符合走线习惯；方便运输，拆装，不宜太重；外观美观度要求无需太高，要易于防盗和保管。终端硬件详细设计（1）北斗/GPS高精度监测型天线的设计天线单元设计北斗/GPS高精度监测型天线采用微带平板天线的形式，通过多 层结构微带天线及无源与有源设计相结合等技术途径实现北斗 /GPS的多频接收性能、微带天线阵的高增益和低轮廓特性。丿上层贴片卜展地板TF层鮎片层堆

43、板电网络I接收端口图天线俯视图低噪声放大器单元设计图线侧视剖而图在北斗/GPS高精度监测型天线中，低噪声放大器单元（LNA） 单元是不可缺少的重要组成部分，对接收机的灵敏度具有决定性 的影响。LNA位于接收机前端主要部分，用于将天线接收到的 微弱卫星信号低噪声放大。信号经过低噪声放大、滤波处理后送 入接收机处理。LNA信号通道模块框图如下图所示。为了有效 降低噪声系数以提高系统灵敏度，采用两级级低噪声放大器级联 的方式在降低噪声系数的同时提高了有源电路的增益，减小了后 续无源电路对噪声系数的影响，同时高抑制滤波器可以有效地抑射頻输出 直流输入图LNA通道组成框图(2)北斗/GPS高精度位移监测

44、芯片方案广州中海达公司与和芯星通科技有限公司共同实施高精度北斗 兼容型模块的研制及产业化的项目，由和芯星通提供芯片，中海 达生产整机，研发用于高精度北斗兼容型接收机，达到产业化的 要求。北斗兼容型芯片主要性能指标：多模多频支持信号：北斗B1/B2、GPS L1/L2(2) 静态定位精度水平:3mm+lppm (RMS),垂直：5mm+lppm (RMS)（3）动态定位精度水平：lcm+lppm (RMS),垂直：2cm+lppm (RMS)(4)数据更新率：1-lOHz（3）北斗/GPS高精度位移监测设备方案设计硬件电路结构功能框图如下所示：图 硬件电路结构功能框图北斗/GPS高精度位移监测终

45、端由北斗/GPS接收模块电路、北斗/GPS天线、ARM CPU> FLASH存储器、接口电路/而板电路、GPRS模块电路、电源电路、语音模块电路等组成。（4）位移监测终端一体化和电磁兼容性设计位移监测终端包含北斗/GPS高精度的难点在于如何处理北斗 /GPS接收主板和北斗/GPS接收天线同时使用时的电磁兼容性， 而定位模块中的同频射频辐射信号在天线接近到一定距离时，这 种辐射己经可以导致天线的有用信号被噪声淹没，这样北斗/GPS 接收机就无法定位或者接收能力下降。经过实验测试，采用定位 模块与接收天线背驮式安装结构，可解决电磁兼容性问题，创造 了一种新的天线集成方式，使得高精度北斗/GP

46、S接收机一体化、 小型化成为可能。嵌入式系统软件详细设计软件系统体系结构如下图：图软件系统体系结构产品应用方向 该位移监测终端适合在高原山区公路桥梁、边坡位移监测中广泛 应用，在各类桥梁，边坡，隧道中设计适合的监测点位，将本位 移监测终端固定安装在该点位上即可进行实时，无值守的监测， 并将监测数据实时传输给位移监测远程预警平台进行综合分析 和预警。6野外设备供电设计方案1）电源系统实现方式：一般分为交流供电、太阳能和风光互补 系统（太阳能+风能）供电几种；交流电：适合公路旁方便走电的地方。太阳能：适合公路边坡偏远，交流电供电难度较高的地方。 风光互补系统：适合公路边坡偏远，交流电供电难度较高的

47、地方。 设计太阳能系统需要的参数：负载功耗负载运行时间无阳光情况下，负载需要保持多久续航时间。在什么地理位置使用。（地级市）通过以上基本需求，就可以计算出该系统需要使用多大功率的太 阳能板，多大容量的蓄电池。2）后备电源供电：在常规电源无法工作时，选择后备电源供电。 一般分为UPS供电和发电机供电两种。（1）在线式UPS：标准型（内置电池）和长效型（外置电池）， 适合机房和总电后备电源，不推荐在野外使用。在野外受环境温 度影响较大，温度过热过低都将造成不稳定现象，维护难度加大。选用时，必须根据具体系统功率和UPS的直流参数计算电池数 量。（2） UPS备份电源设计: UPS特点输入电源宽，频率

48、范围广安全稳定，稳压电源可配发电机负责功率因数0.8 UPS原理市电正常的时候，输出端为稳压过后的市电。市电断开后，切换电池组进行逆变输出交流电压。标准型和长效型的区别长效型UPS市电220V输岀 至负 载直流电池柜图UPS原理图UPS设计选用根据实际负载总功率，选择合适的UPS；不同功率的UPS逆变直流电压不同，得配套不同数量的电池组。（3） UPS设计方式ATS系统发电机备份电源方式市电220V标准型UPS交涼220图3-22发电机备份电源优点：当市电没电时，自动启动发电机发电，启动切换为发电机 给负载供电，无需人工，可直接带标准型UPS,无需外带电池组。 缺点：价格稍高，大功率比较常见，

49、5KW以上，发电机发动产 生噪音。3）电源系统架线注意事项：使用标准室外电缆，主干电缆不小于4平方铜线或者铜包铝线； 分支接口处做好防水防潮处理，电缆对接按照正规水电，电力接 线方法，电源线隐患将在今后浮现。建议：架杆走线，光纤电缆等，在当地能找到电力或者电信部门底下的施工队，包工包料实施最好。电缆架空时，挂钩使用正规挂钩，严禁使用细铁丝捆扎。建议工程部或者技术部对施工工艺说明进行完善，整理出一套正规的施工图纸。7桥监测站点的布设 监测站点的位置：简支梁桥是最为常见的桥梁之一，其力学结 构相对简单，布设控制点的过程中需要结合桥下地质地形及交通 情况，将监测点布置在安全隐患相对突出的桥跨，设于桥

50、面不易 损坏的边缘位置，如下图所示。图简支桥监测点布点示意图简支桥典型应用桥梁：图昆明会阿线上的南盘江特大桥图楚雄南永线上的三潭3号大桥 基准站的设置：基准站必须建立在稳定位置，如桥台岸不易扰 动和破坏处。必须为基站提供精确位置和转换参数。(2) 拱桥监测站点的布设 对于跨径较小的实腹式石拱桥，基础情况较好时可只在拱顶部 位设一个监测点。 对于空脸式石拱桥和混凝土双曲拱桥，需在拱顶和两个拱脚对 应桥而位置分别安设监控点，如下图。监测点监测点监测点图双曲拱桥监测点布设示意图 对跨径较大的中承式拱桥，根据拱桥的受力特点，为反映大桥 位移和振动特性，主要监测点设于拱顶、拱腰和拱脚附近（桥而 与拱轴相交处）两侧对称安置两个监测点，全桥共10个监测点， 如下图所示