GPS在变形监测中的应用探素

第5章GPS在变形监测中的应用主要内容概述GPS定位根本原理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周密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术的很多领域，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周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掩盖、全天候、高精度、实时连续定位。它由GPS卫星组成的空间局部、假设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局部组成。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地协作而缺一不行的整体系统。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定位根本原理略5.3GPS实时监测技术根本原理实时动态〔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测量技术进展中的一个新的突破。RTK测量技术，是以载波相位为依据的实时差分GPS〔RTDGPS〕测量技术。实时动态测量的根本思想是，在基准站上安置一台GPS接收机，对全部可见GPS卫星进展连续观测，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，然后依据相对定位的原理，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局部组成，而数据处理与监测中心主要由工作站、效劳器和局域网组成。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，进展实时差分后，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局部功能(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流淌站的原始数据和RTK差分结果，向GPS流淌站发送把握命令。通过切换开关把握共享、安排器的工作。(4)效劳器。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)远程把握器。远程启动和复位GPS监测站。(6)共享、安排器。把差分信号由1路分成多路，每路差分信号和对应的把握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，供给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把握命令流程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展定位，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，即可进展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，可以在暴风雨中进展监测；(3)GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕获卫星，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效劳器，并进展安全性分析；(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。系统构造先进，反响速度快，监测精度必需到达相应的国家标准要求。(2)牢靠性。即系统采集的GPS原始数据必需完善、正确；数据传输网络构造牢靠，传输误码率低；数据处理、分析结果必需准确；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相互独立，并行工作。系统实行开放式模块构造，便于增加、更新、扩大、维护。(5)经济性。即在保证先进、牢靠、自动化程度高的前提下，实行各种有效方法，力求成效高、本钱低。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转变已有GPS接收机构造的根底上，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；该系统包括把握中心、数据通信、多天线把握器和野外供电系统等4局部组成。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把握中心把握中心可以对GPS多天线把握器微波开关各信号通道进展参数设定，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〕进展把握，并将由现场传来的GPS原始数据，通过相关的数据处理，实现准确定位。数据通讯(1〕利用线进展数据通信，由于有现成的线，只需购置相关的调制解调器即可。该通讯方式本钱较低，传输距离不受限制，实时性可以保证，工作时，由于占用网费用较高，有些场合可以考虑使用内部小总机分机方式进展通信。(2〕利用无线方式进展数据通信，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展数据通信，这种方式进展数据通信时，便利、牢靠、通用性强，不需购置专用设备，但组网本钱较高，假设不是具备现成的网络条件，不太适宜承受，数据传送时，实时性可能难以保证。GPS多天线把握器多天线把握器包括计算机系统、天线开关阵列和把握电路，其主要由硬件和软件两局部组成，它是无线电通信中的微波开关技术、计算机实时把握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，通过软件处理实现准确定位。GPS一机多天线把握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连续，实际系统中，为防范电源断电而引起数据丧失，在电路把握板上设计有电源供电检测系统，当检测到电源电压缺乏时，给CPU发出警告，CPU会立刻进展相关的数据保存处理。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急状况，保证华中电网的安全稳定运行；对于消退清江中下游的洪涝灾难，避开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，为鄂西山区供给便捷的交通动脉，促进商品流通和资源开发；对于进展清江流域的旅游事业等都具有特殊重要的意义。大坝状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，地形条件比较简洁。监测系统的总体构造大坝变形GPS自动化监测系统是由数据采集、数据传输及数据处理、分析和治理三个局部组成的。整个系统的数据采集、传输、处理、分析、治理承受局域网络来完成。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站上进展的。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。数据传输准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)传回效劳器。数据分析数据处理、分析、治理局部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、数据分析和数据库治理等四个模块组成。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；自动进展数据处理；对成果牢靠性进展推断；对运行过程中可能消逝的错误进展把握和处理，保存结果和清理数据。变形分析模块局部在PC机上运行，局部在工作站上运行。数据