GNSS监测大桥技术方案

上海司南卫星导航技术有限公司某大桥安全监测巡检管理系统之GNSS变形监测子系统上海司南导航技术有限公司2013年6月目录1. GNSS工作原理和应用概况 31.1 GNSS工作原理 31.2 GNSS应用概况 41.3 GNSS实时变形监测系统的优点 41.4 实施GNSS监测的必要性 71.5 GNSS在国内外已建成桥梁健康监测系统中的应用 71.6 总结 92. 某大桥项目概况 103. 某大桥GNSS实时监测的目标 104. 某大桥GNSS变形监测系统总体设计 104.1 系统设计依据 104.2 系统设计原则 114.3 监测方法 114.4 系统工作的原理 125. 某大桥系统监测设计 125.1 系统设计与功能介绍 155.1.1 GNSS参考点及监测点布设 155.1.2 主要产品选择依据 235.1.3 辅助支持系统 255.2 主要设备选型 285.2.1 司南GNSS接收机 285.2.2 GNSS天线 305.2.3 GNSS天线罩 325.2.4 串口服务器 345.2.5 光电转换器 365.2.6 避雷设备 385.3 CDMonitor监测软件介绍 405.3.1 CDMonitor的系统结构 425.3.2 基本功能和指标 435.3.3 CDMonitor算法特点（与RTK比较） 476.设备清单 52GNSS工作原理和应用概况GNSS工作原理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。GPS系统是美国国防部研制组建的新一代的军民两用的卫星导航定位系统。该系统从本世纪七十年代初开始研制，美国政府于1995年4月宣布该系统已组建完毕并投入运行。全球定位系统是美国继阿波罗登月计划和航天飞机计划之后的又一庞大的空间计划。它的出现不仅使导航技术和定位技术产生了根本性的变革，而且对交通运输﹑空间技术﹑地学研究﹑军事等诸多领域及社会生活的各个方面都将产生重大影响。全球卫星定位系统卫星星座，设计由24颗卫星（事实上目前经常保持27至32颗卫星）组成。它们分布间距为60度的6个轨道上，轨道倾角55度，每个轨道面上均匀分布4颗卫星。卫星的地面高度为20200公里。这样分布的卫星星座，可以保证任意时间任意位置的接受机可同时收到4颗以上卫星信号，以便进行瞬时的定位观测。差分是2个或更多个测站之间的相对定位，如图1－1所示，如果A和B两点在同一时间内观测了相同的一组卫星（至少四颗）。而且A是一个已知点，通过某种数据链，把原始改正信息传到B点，那么B点的位置就可以加以确定。差分GNSS示意图GNSS应用概况由于GNSS定位技术具有速度快﹑精度高﹑全天侯﹑费用省﹑自动化程度高等优点，因而近年来在我国也已迅速得以推广。据统计目前我国引进的测量型GNSS接收机的数量已超过数千台。GNSS定位这一高新技术已在大地测量﹑精密工程测量﹑地壳形变监测﹑石油勘探﹑资源调查﹑城市测量等领域内成功地得以应用和普及，极大地推动了上述行业的技术进步。GNSS精密定位基本上都是以毫米级精度（在数公里的短边上）和厘米级精度（在数百公里或数千公里的长边上）为目标的。早在1984年美国已在斯坦福粒子加速器的工程测量中采用了GNSS定位技术，平差后控制点的平面位置精度为1一2MM，高程精度为2一3MM。90年代初，我国在控制面积和平均边长都要大得多的大港油田地面垂直形变监测网中也采用了GNSS定位技术，大地高的测定精度为3.4MM。上述精度可以认为是这一时期利用GNSS定位技术进行精密工程测量和大地测量时所能达到的典型精度。98年3月，武汉大学（原武汉测绘科技大学）在清江隔河岩水利枢纽成功地建成了大坝外观变形与高边坡GNSS自动化安全监测系统；当年清江流域普降暴雨，长江的防汛形势也极为严峻，为了减轻长江防汛的压力，防汛部门将隔河岩的蓄水位提高到204M，超正常蓄水位4M；防汛部门能作出如此英明决策，是由于利用了高性能的GNSS系统，对大坝进行连续观测与数据的实时动态处理，及时地掌握了大坝的运行状态。隔河岩建成的GNSS系统定位精度在水平方向为0.5MM，垂直方向为1MM，这一精度水平已在国内居领先地位。事实证明GNSS监测技术在隔河岩大坝已取得成功，并在1998年长江全流域特大洪水期间经受了考验，发挥了重要作用。GNSS实时变形监测系统的优点GNSS（全球卫星定位系统）自八十年代中期投入民用后，已广泛地在导航、定位等各领域应用，尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用。正因为是它在静态相对定位中的高精度、高效益、全天候、不需通视等优点，使人们普遍采用其来代替（逐渐地）常规的三角、三边、边角等方法，并在理论、实践中取得了可喜的成果。在精密工程变形监测中也逐步得到广泛的应用。随着国民经济的发展,越来越多的特大型桥梁进入了人们的视野，桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展，与此同时桥梁的载重、跨径和桥面宽度不断增长，结构型式不断变化。这些交通基础设施在人们的经济生活中发挥着巨大的作用。为确保特大型桥梁在使用寿命期的安全运营，必须对这些桥梁的运行状况进行检测。监测桥梁形变可以有效反映桥梁结构的工作状况，因此,以形变监测提供桥梁的健康状况及预警,就是一项必须长期进行和不断提高的工作,然而,采用常规方法进行大型桥梁的形变监测,存在诸多限制和不便。如对全站仪而言，存在以下缺点：各测点不同步;大变形比较难以测量;实时性较差；观测条件受天气条件影响较大，不能满足恶劣天气情况下的监测要求；测站到辅助目标的距离有限。对位移传感器而言，缺点是:对于难以接近的点无法测量;对横向位移测量有困难；受大气环境条件的影响。对加速度传感器而言,缺点是：对于低频静态位移鉴别效果差,为获得位移必须对它进行两次积分,精度不高。除上述不足外,各种方法对桥梁的扭角(以大桥中心线为基准,左右摆动的角度)测量也力不从心。相比之下，利用全球卫星定位系统（GlobalPositionSystem，GNSS）进行形变监测具有显著的优势，其优点可概括如下：不受气候的影响，可实现全天候、不间断的三维高精度测量；量程大；参考站和监测点距离几乎不受限制；延迟短、实时性强，且各测点可实现同步测量。目前，随着GNSS技术的不断成熟，GNSS自动化监测系统已经在桥梁、建筑、地震、大坝等行业中应用并取得很好的效益。GNSS自动化监测系统仪器以其卓越的性能受到专家的好评。采用GNSS技术用于桥梁等工程变形监测的手段已经被广泛的应用于世界各地。例如：英国Humber桥的GNSS监测系统、日本明石海峡大桥的GNSS监测系统、虎门大桥GNSS监测系统、青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GNSS监测系统、东海大桥GNSS监测系统、润扬大桥GNSS监测系统、湖北阳逻长江大桥监测系统等等。从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的桥梁监测技术，GNSS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。目前GNSS在桥梁监测中的常见精度为1到2厘米，最高数据采样频率为20Hz。大部分的桥梁监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示。而采用变形监测软件系统方案，即将基准站和监测站的GNSS原始观测数据直接发给监控中心，在监控中心的服务器中对原始数据进行差分解算。这种方案具有如下优点：精度高。计算时，针对形变监测的特点，综合各方面的信息，建立误差改正模型，有效地剔除粗差，提高监测的精度。例如，根据监测点的地理位置和相对基准站的距离，选择采用的组合观测值类型；为提高系统的健壮性，采用三差扩展Kalman滤波模型；将测站周围的遮挡情况输入软件，以减少多路径的影响等。基准站的数据不需要发给监测站，而是和监测站一样，将原始数据直接送给服务器，降低了数据传输量，也提高了实时性。数据处理软件采用同时刻的监测站和基准站原始数据进行差分解算，提高了精度；通过在服务器上运行的数据处理软件，用户可以了解到各种信息，便于系统维护。当然，要达到这个目的，需要开发在服务器中运行的复杂的GNSS形变监测数据处理软件。目前，采用这种新方案的形变监测系统已经设计、安装、调试完成，并且在东海大桥、润扬大桥GNSS监测系统、上海长江隧桥、贵州坝陵河大桥、山东胶州湾大桥、闵浦大桥、湖北阳逻长江大桥监测系统桥梁变形监测工程中稳定运行。实施GNSS监测的必要性变形监测是桥梁安全监测系统中的关键项目。传统变形监测系统在保证工程正常运行方面发挥了重要作用，但存在如下缺陷：大量采用手工采集数据的方法，自动化测点少，自动化程度低，工作量大，观测易受气候和其它外界条件的影响，容易漏过重要和危险的信号；各监测点的变形量在时间上不是同步的；平面位移和垂直位移数据是在不同的测点上﹑不同的时间里采集的；精密水准网路线长。利用GNSS监测系统对桥梁进行变形监测，能克服传统监测系统所存在的缺陷，精度能满足规范要求，而且可以更全面地了解桥梁各时期的变化，甚至瞬时变化，实现连续观测与数据的自动处理。可以更有效地掌握桥梁的运行状态，及时发现问题，确保桥梁的安全，并为桥梁提供更可靠的安全监测资料。GNSS在国内外已建成桥梁健康监测系统中的应用英国Humber桥的GNSS监测系统英国的Humber悬索桥全长2220米，主跨1410米，南跨530米，北跨280米(图1－1)。英国诺丁汉大学于1996年使用2台双频GNSS接收机，一对甚高频数据链对该桥进行了动态监测试验。该试验以2Hz采样频率，分别测量了中跨1／2、边跨1／2和支撑塔顶的位移。数据处理采用随机RTK软件。该试验显示桥面垂直位移最大为40厘米，大多数时间位移量为15厘米左右，桥面横向位移最大为14厘米，塔顶纵向位移1—2厘米，横向0.5—1厘米。1998年，英国Bmnel大学使用双频GNSS接收机对该桥进行了动载和静载试验，采样率为5Hz。本次试验动用5辆货车，进行了若干动、静载试验。结果表明，GNSS测量的三维位移结果与该桥的有限元模型的计算结果相当吻合。英国Humber大桥日本明石海峡大桥的GNSS监测系统明石海峡大桥是目前世界最长的悬索桥，其跨度全长3911米，中跨为1991米，两个边跨均为960米，如图1－2所示。从1998年开始，采用GNSS监测系统对该桥进行连续三维位移测量。该桥安装了3个GNSS接收机，分别位于左桥台、中跨1／2和左塔顶，如图1－3所示。因为温度是产生桥面垂直位移的主要因素，为了分析垂直位移与温度的相关性，同时还进行了缆索温度和空气温度测量。试验结果表明，垂直方向位移与温度的相关性在0．97以上，位移与温度的关系为－6．4厘米／度。中跨1／2位移范围为0至168厘米。日本明石海峡大桥日本明石海峡大桥GNSS和温度传感器位置青马大桥、汲水门大桥和汀九大桥的GNSS监测系统等青马大桥、汲水门大桥、汀九大桥GNSS监测系统总结从国内外的有关研究和应用可以看出GNSS是一个非常有效的桥梁监测技术，GNSS与其它传感器结合用于桥梁健康监测已形成了趋势。它的观测方法主要分为两个流派：单基站RTK模式和控制中心实时统一解算模式。目前单基站RTK模式的GNSS监测方法在桥梁监测中的常见精度为1到3厘米，数据采样频率一般为1Hz。另外、目前大部分的桥梁监测系统已经做到数据自动传输、自动解算处理、准实时测量结果和测量结果图形演示。利用控制中心实时统一解算模式的监测方法虽然难度较大，但精度较好。本方案中推荐的就是这种模式。某大桥项目概况某大桥GNSS实时监测的目标由于桥梁在运营期间会受到气候、氧化、腐蚀或老化等因素，及长期在恒载和活载的作用下遭受损坏，其强度和刚度会随时间的增加而降低，这不仅影响了安全行车，更会使该桥的使用寿命缩短。采用GNSS技术实时监测大桥的空间位移，确定大桥的变形状况、几何线形等，为研究索塔位移与环境变化(如温度、风等)的关系，为大桥结构健康与安全状况分析提供可靠数据支持。某大桥GNSS变形监测系统总体设计系统设计依据GNSS变形监测系统是一个集结构分析计算、计算机技术、通信技术、网络技术、传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程。本监测系统的作用是成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足固体建筑物管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，遵循如下设计原则：遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素；各传感器的布置、安装要合理，力求用最少的传感器和最小的数据量完成工作；系统应具有可扩展性。GNSS监测系统的技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相关行业标准进行，本设计书中所引用的部分技术规范参见表1。表1：名称编号批准单位年份全球定位系统测量规范GBT18314-201国家测绘局2001精密工程测量规范GB/T15314-1994国家技术监督局1994全球定位系统城市测量技术规程CJJ73-97中国建设部1997UNAVCO基准站建立规范国际UNAVCO组织IGS基准站建立规范国际IGS委员会混凝土结构设计规范GB50010-2002中华人民共和国建设部2002系统设计原则根据大桥的结构﹑工程规模、工程特点以及工程所在地的气象地质条件，结合国内外发展现状，其设计的总体构想是突出重点，兼顾全面，仪器布置力求少而精，使监测系统形成一个统一的整体。可靠性：为确保桥梁安全监测系统能真正发挥应有的作用，系统必须稳定可靠，系统所采集的数据必须准确，必须正确反映各建筑物及其基础在不同时期的变化情况，系统故障率低，发生故障时能及时排除。先进性：数据采集速度快，精度高，系统具备数据快速采集处理、管理和预报等功能。选用稳定可靠且先进的观测设备，实现自动化观测与数据处理。经济性：应尽可能力求功能好而成本低。监测方法GNSS实时变形监测系统配备一台服务器（或工控机），用于控制GNSS接收机，数据分析和图形处理，以及终端服务。在本系统中，基准站GNSS接收机、监测站GNSS接收机与控制中心计算机之间采用稳定、可靠、高速的光纤通讯。监测站和基准站GNSS接收机的观测数据通过光纤实时的传输到控制中心计算机，并由核心软件统一解算出毫米级的结果、记录并实时显示出来。按照预设的参数进行评估和发出预警。系统工作的原理GNSS变形监测系统中的每台GNSS接收机都同时输出GNSS的原始数据，原始数据包含了GNSS解算的所有必要的载波相位数据、星历等数据。通过光纤局域网络传到控制中心。控制中心根据每台GNSS接收机对应的IP地址，获得每个监测点的原始实时数据流，并进行统一解算。司南M300C监测专用双星四频GNSS接收接收机的原始数据输出频率可以达到10HZ，实现桥梁的高频动态三维变形监测。控制中心示意图：GNSS接收机接入光纤通讯网络示意图根据上图，数据通讯和接收机控制方案：数据通讯：所有数据直接通过RJ45接口接入计算机，即各站（包括参考站和检测站）的原始数据格式发送到控制中心，然后控制中心的软件就可以实现对数据的处理，并自动生成相应的图形和表格数据。系统具有防死机功能，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。某大桥系统监测设计某大桥GNSS实时变形监测系统是一个集计算机技术、通信技术、网络技术、GNSS技术等高新技术于一体的综合系统工程。为使某大桥实时变形监测系统成为一个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估，满足桥梁管理和运营的需要，同时又具经济效益的结构健康安全监控系统，本监测系统根据监测区域的地质地貌﹑工程规模和工程特点，结合国内外发展现状，其设计的总体构想是突出重点，兼顾全面，仪器布置力求少而精，使监测系统形成一个统一的整体遵循如下设计原则：遵循简洁、实用、性能可靠、经济合理的指导思想；系统设置立足实用性原则第一，兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素；可靠性：为确保桥梁安全监测系统能真正发挥应有的作用，系统必须稳定可靠，系统所采集的数据必须准确，必须正确反映各建筑物及其基础在不同时期的变化情况，系统故障率低，发生故障时能及时排除；先进性：数据采集速度快，精度高，系统具备数据快速采集处理、管理和预报等功能。选用稳定可靠且先进的观测设备，实现自动化观测与数据处理；经济性：应尽可能力求功能好而成本低；系统应具有可扩展性。系统设计与功能介绍某大桥GNSS实时变形监测系统由四大部分组成：传感器子系统：由布置在桥面、塔顶及参考站的GNSS接收天线与接收机组成；数据传输子系统：主要指桥上交换机到控制中心数据通讯、桥上GNSS传输GNSS原始观测数据到桥上交换机；数据处理与控制子系统：由布置在监控中心的小型机系统、服务器系统及软件系统组成；辅助支持系统：由某大桥外场及监控中心辅助上述系统正常运行的设备组成，包括外场机柜、配电及UPS、防雷、综合布线等子系统GNSS参考点及监测点布设GNSS参考站关于某大桥GNSS实时变形监测系统的参考站选址由设计方根据实际情况指定，但是参考站具体位置需实地信号测定后确认，但是参考站位置条件必须满足下面条件：参考站的选址依据参考站要求建立在地基稳定的地点，同时GNSS参考站场地应满足以下要求：a)站址应选在基础坚实稳定，易于长期保存，并有利于安全作业的地方,年平均下沉和位移小于3mm；b)站址与周围大功率无线电发射源（如电视台、电台、微波站、通讯基站、变电所等）的距离应大于200m；与高压输电线、微波通道的距离应大于100m；c)站址附近不应有强烈干扰接收卫星信号的物体，如大型建筑物、玻璃幕墙及大面积水域等；d)站址视场内高度角大于10º的障碍物遮挡角累积不应超过30º；e)站址应避开地质构造不稳定区域，如：断层破碎带，易于发生滑坡、沉陷等局部变形的地点（如采矿区、油气开采区、地下水漏斗沉降区等），地下水位变化较大的地点；f)站址应可方便地架设市电线路或具有可靠的电力供应；并应便于接入公共通信网络或专用通信网络；g)屋顶观测墩应选在坚固稳定的建筑物上，建筑物高度不宜超过30m；h)站址选定后，应用场强仪进行实地场强测试，在L1、L2中心频点上的噪声场强宜分别低于-180db/mv和-160db/mv。并应连续进行24小时的GNSS建站条件测试和数据分析，其中数据有效率应高于90％，多路径影响MP1<0.35，MP2<0.4；钢筋砼观测墩设计和施工方案a)钢筋混凝土观测墩尺寸设计应做到美观实用。建议长、宽为400mm，高度根据周围环境设计，一般在1.5~2m之间。b)采用现浇混凝土施工工艺，混凝土强度等级推荐C30。因为混凝土用量很少，可以采用现场人工拌合，但现场必须配有合格的称量器具,严格按照设计配合比下料。c)观测墩的配筋可以参考附图中的配筋图。钢筋采用钢筋混凝土用热轧带肋钢筋HRB335。钢筋保护层厚度不小于30mm。钢筋的加工、连接及安装应按照《混凝土结构工程施工质量验收规范》标准严格施工。d)观测墩应刷涂料，做到美观耐用，在允许的位置印制“司南导航”司标。e)如果同轴电缆从观测墩内部布线，浇筑前要预埋直径不小于25mm的PVC管。亦可后期在观测墩外部加装钢管进行布线。f)为了防雨淋、日晒，防风，延长天线使用寿命，双星四频天线的保护罩采用司南生产的全封闭式GNSS专用天线罩。g)观测墩应安装强制对中标志，并严格整平。h)双星四频天线的保护罩要采用全封闭式（如下图2），以起到防水、防风等效果，同时天线罩的衰竭率不大于1%。GNSS天线观测墩安装实例1和2混凝土施工要求a)材料要求：普通硅酸盐水泥，强度等级P.O42.5；5～40mm级配良好的石子，中砂，水须宜采用饮用水，不得使用海水。考虑到耐久性要求，混凝土按C30强度设计，根据以往施工经验，推荐以下配合比：表一每立方米混凝土材料参考用量表材料名称水水泥中砂石子（最大粒径40mm）单位kgkgkgkg用量1803006001226单位m3m3m3m3用量0.180.300.440.82注：上述配合比是根据以往施工经验编写的，仅供参考。如手边有质监部门提供的C30混凝土配合比，可以采用。b)模板的接缝不应漏浆，浇筑前要清理模板内侧杂物并刷隔离剂，采用木模时应浇水湿润。拆模时间可根据气温和外加剂性能决定，一般条件下，平均气温在0℃以上时，拆模时间不得少于12h；气温在0℃以下时，必须加入防冻剂，拆模时间不得少于24h。参考站观测墩的验收标准观测墩属于混凝土结构工程，其外观和质量验收标准可以参照《混凝土结构工程施工质量验收规范》，并应参照《工程测量规范》、《城市测量规范》等其他验收标准。我们拟按照以下标准验收：a)测墩外观平整、美观，有20度以上高度角的开阔天空；b)观测墩尽量垂直，严格说倾斜应小于8分。顶部要预埋的强制对中器。c)预埋、铺设的PVC管应保证通畅、不变形。d)观测墩距高压线、发射台等电磁干扰源的距离满足《工程测量规范》、《城市测量规范》等技术规范的要求；e)天线罩安装平整、稳固，能够防风、防雨雪、防盐雾，且不增加信号的延迟。GNSS监测站各GNSS监测站的布设方案某大桥GNSS监测点的数量为4个，分别布设于，同时采用单参考站技术下图：注：以上各GNSS监测点布设方案是根据桥梁结构而设计的，但是更精确的位置必须通过详细测试，然后通过专用软件分析后确认具体位置。各监测点立柱的设计方案考虑桥面通车及人行道人流量，桥面监测点立柱设计高度为4米；塔顶立柱的高度必须考虑到塔顶的倾斜度及实际安装位置（由于安装的位置不同，如果立柱不够高塔顶最高部分可能遮挡卫星，但是如果太高立柱会自振，而且塔顶避雷针有可能对GNSS天线起不到保护的作用），我们初定高度为1.0米；立柱顶部安装天线罩的位置采用材料为不锈钢，同时预留通线孔和固定天线罩孔；立柱的材料要有刚性，以尽量减小风、桥梁自振引起的立柱振动幅度等。桥面监测点立杆概略图（如下图所示），根据设计要求，桥面的立杆长度是4m，塔顶立杆长度为1.0m，但立杆的设计必须要考虑GNSS天线电缆走线的方便。桥面立柱参考设计图主要产品选择依据GNSS接收机为了提高系统的实用性、先进性及运行稳定性，本系统选用M300C接收机跟踪我国自主导航系统北斗二代的功能，这样可保证系统在特殊情况下仍能够正常工作，特别是其同步卫星，保证跟踪卫星的连续性。同时、BD2与GPS等系统的联合解算将突破传统GNSS变形监测的局限性，适应遮挡及其严重的环境，如下表所示：不同遮挡条件下单GPS系统与BD2/GPS系统全天正常工作时间对比表（上海地区，高度角15°，2011年10月）卫星系统遮挡20%遮挡30%遮挡40%GPS（解算效果）95%61%10%BD2+GPS（解算效果）100%99%95%系统软件根据某大桥健康监测系统GNSS实时监测要求，软件部分共分三个模块：数据采集工作站软件：完成数据采集、传输和本地存储的工作；数据处理服务器软件：完成数据接收、控制、数据处理、数据显示、数据评估及预警等工作；数据存储：完成数据存储和管理工作。软件控制系统软件控制示意CDMoniter软件界面图标准特性Windows95/NT32bit结构；多线程，多任务设计；先进的GNSS数据算法，具有OTF解算，卡尔曼滤波，三差解算等，实时解算，同时支持后处理；图形用户界面，实时显示基准站、监测站的工作状态；具有防死机功能，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；软件上有各个GNSS接收机的模拟串口，可以向GNSS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角、时段长度等）；软件记录原始数据后，可以任意截取其中部分数据；可以调整各个监测站的位置更新率；支持有线、无线多种通讯方式；可以提供接口源代码，支持用户二次开发。辅助支持系统雷电防护系统雷电由于瞬间可以产生高电压电磁脉冲，对没有相应保护措施的电缆（如：同轴电缆，天线，数据通讯电缆，电源电缆等）会产生强烈的毁坏作用，最终导致损坏所连接的电子设备。而电涌是微秒量级的异常大电流脉冲，产生瞬间过压会完全破坏高集成度的半导体元器件，或大大缩短使用寿命。所以GNSS实时变形监测系统各GNSS站点必须安装防雷电系统，以保证设备的安全运行。直击雷防护对于本GNSS监测系统，基准站和桥面监测点需要架设独立提前放电避雷针，南北塔可以利用大桥现有直接雷防护系统。安装避雷针要求避雷针与天线横向距离不小于3m，避雷针高度按照“滚球法”确定，粗略计算可以按照45度角考虑。同时做好接地网。直击雷预防示意图电涌防护监测站内设备必须加装电力线电涌防护设备，通信线（数据线）电涌防护设备、射频线电涌防护设备在电源进入GNSS之前安装电源单项避雷器；GNSS天线进入主机前，加装电涌防护设备；电力线电涌防护设备射频线避雷装置注：不论是电源避雷还是馈线避雷，避雷器必须接地良好，接地电阻不得大于4欧姆，但是二者可以是同一个地。外场机柜根据本系统的布设以及便于保护、安装、维护等原则，大桥监测站机柜设置在桥梁结合处箱梁里，为四个。机柜位置的摆放，也要考虑GNSS天线电缆长度不宜过长，小于150m，避免GNSS信号过度损耗。同时，基准站处机柜放置在基准站观测墩附近。外场机柜的设计要依据以下原则：材料必须采用不锈钢；机柜分为上下两层，中间用隔板隔开，目的是要把强电和弱电隔开；机柜要预留通线孔。综合布线参考站电缆布设要求：GNSS天线电缆室外部分必须穿PVC管或蛇皮管到达GNSS天线；电缆从天线接下后，埋入地表下入室；进入室内后，布局合理；不允许有小于90°扭折监测点电缆布设要求：全部电缆必须穿PVC管或蛇皮管；塔顶监测点电缆沿走线槽布设，但必须间隔3米有一个捆扎；不允许有小于90°扭折；各接插口要插紧，同时用扎带或绝缘胶带固定。综合布线示意图主要设备选型司南GNSS接收机司南M300CGNSS监测型接收机主要特点采用北斗二代与GPS双星四频GNSS模块；高度灵活的分体式接收机、天线设计，适用于变形监测、网络参考站等系统集成应用；内置2000伏光电隔离，对接收机有效进行过流过压保护，预防雷击；使用AutoBase技术，一按钮即可快速实现参考站的日常设置；450MHz超高频无线电台适用基准站和流动站作业，确保现场工作的电台信号覆盖范围以及数据安全性；支持以太网、GSM/GPRS通讯；支持GPS信号和L2C现代化改造后的GPS信号；时间同步1PPS实时输出。关键技术司南M300CGNSS监测型接收机采用自主知识产权GPS+北斗二代多模多频模块，紧跟国际卫星定位发展的步伐，为GNSS产业革命性产品，特别在变形监测中的应用，其特点：可跟踪我国自主知识产权北斗二代导航定位系统；GPS+北斗二代跟踪能力，增多跟踪卫星数量，增加GNSS变形监测的可用性及可靠性，使在高遮挡地区进行变形监测成为可能，特别是北斗二代组网卫星的不断增多，可用性与可靠性不断加强；北斗二代卫星定位系统的独有功能，8颗地球同步卫星，可大大降低接收机跟踪卫星的PDOP，提高解算精度。产品性能信号：350通道，GPSL1C/A码L1/L2P码，北斗二代B1\B2；更新率：1Hz、2Hz、5Hz；定位精度：静态精度水平±(2.5+1×10-6×D)mm垂直±(5+1×10-6×D)mm动态差分水平±(10+1×10-6×D)mm垂直±(20+1×10-6×D)mmRTK初始化：时间＜20s可靠性＞99.9%信号跟踪时间：冷启动＜70s温启动＜30s热启动＜15s信号重捕获＜3s环境：工作温度-40℃—+70℃存储温度-45℃—+80℃GNSS天线司南AT300GNSS天线（1）产品介绍司南AT300扼流圈天线是一款具有极低相位中心误差的GNSS双星四频测量天线，主要用于一些对测量精度有极高要求的场合，如GNSS地面基准站、地震预测等。该天线采用多馈点微带天线技术，保证天线相位中心与几何中心的重合。内置采用前置滤波技术的低噪声放大器，提高系统抗干扰能力，内置防雷保护电路可长期在户外安装使用。天线外罩采用玻璃钢材料，耐用性能好。（2）主要特点3～15V工作电压低噪声系数，小于2.0dB低噪放增益为39±2dB电流一般小于60mA（3）电气性能频率范围：1575±10MHz/1227±10MHz极化方式：右旋圆极化RHCP输入阻抗：50Ohm驻波比：＜2.0天线轴比：＜3dB水平覆盖范围：360°垂直覆盖范围：90°相位中心误差：±0.5mm（3σ）天线单元增益：5.5dBi低噪放增益：39±2dB低噪放噪声系数：＜2.0dB工作电压：3～15VDC工作电流：＜60mA(4）机械性能射频接头：TNC阴头重量：0.5kg外罩颜色：白色工作温度：-40℃～+85℃抗风：50-100mph防雷级别：2KV，1.2/50μS冲击电压，仪器内阻为2欧姆GNSS天线罩GNSS天线罩针对GNSS工作频段（1575±25MHz）建议采用司南定制产品。司南GNSS天线罩产品特性防酸、防盐雾、防紫外线、耐冲击。防腐，抗老化性能佳，寿命长。电绝缘性佳,透波性强。在高温，低寒等恶劣环境中使用性能更加突出。外型美观、高档。大大提高了天线的优良物理特性。技术参数天线罩在全方位的相位误差为±1°透波率见下图：GNSS天线罩透波率串口服务器NPort5100串口设备联网服务器是专为串口设备立即联网而设计的。NPort5100串口设备联网服务器结构紧凑，是连接RS-232/422/485设备到以太网的理想选择。兼容Microsoft和Linux的操作系统。产品优势体积小巧支持Windows/LinuxCOM串口驱动程序模式标准TCP/IP接口和多种操作模式易于使用、可用于批量安装的Windows工具所有串口内置15KVESD保护支持网络管理协议SNMPMIB-II可通过网络Web/Telnet/控制器端口进行配置RS-485口终端电阻可调规格以太网口数量1速率10/100M接头8-pinRJ45电磁隔离保护内建1.5KV串口数量1串口标准RS-232端口类型DB9针式串行通讯参数串口线性保护15KVESD数据位5，6，7，8停止位1，1.5，2校验位None,Even,Odd,Space,Mark流控RTS/CTS,DTR/DSR(仅RS-232),XON/XOFF物理特性材料铝质（1mm）尺寸无挂耳52×80×22mm环境参数工作温度标准型号0-55℃宽温型号-40-75℃工作湿度5-95%RH存储温度-20-85℃电源要求电源输入12-48VDC电源线保护4KVEFT保护，EN61000-4-4,2KV电涌保护，EN61000-4-5.最具性价比的串口联网解决方案。终端电阻和PullHigh/Low电阻可调，在一些特殊环境中，串口信号的反射及干扰较大，经常会影响到通讯效果，这时我们需要使用终端电阻可阻止串口信号的反射。同时信号损耗及匹配是另一个难题，正确的设置pullhigh/low电阻可以有效防止这些问题的产生。但在这些不同的环境中，电阻的阻值没有一个固定的值，而NPort标准TCP/IP接口和多样的操作模式为现有的软件提供COM/TTY实端驱动。光电转换器MOXA工业级光电转换器IMC-101，其除了具有支持10/100BaseT(X)及100BaseFX间工业级媒介的转换外，特别适用于严苛的工业环境，能提供系统信赖且稳定性的运作。IMC-101可靠完善的工业设计，让工业自动化应用持续顺畅，同时备有relay输出警告功能以防止各种损害及损失。IMC-101是一种低成本的解决方案，电源输入可以使用12~45VDC或者18~30VAC。可以在-10~60°C的温度范围可靠的工作，波浪形的硬件设计能够使您的以太网适应苛刻的工业环境。DC/AC电源输入您可以选择12~45VDC或者18~30VAC作为EDS-205A的输入电源。24V交流电源输入特别适合楼宇自动化应用，因为这些场合的电源输入经常会受到限制。LinkFaultPass-ThroughIMC-101光电转换器的LinkFaultPass-Through功能解决了传统光电转换器的光口和电口一侧出现断线，而另外一侧仍然保持连接的问题。当其中一侧连接断开时，IMC-101会主动切断另外一侧的连接，显示线路已经中断，可以使其它应用软件对此做出反应。特点灵活的介质功能多模,单模光纤,可选配SC和ST接口可通过DIP开关来选择TP端口连接速率,FDX/HDX/10/100/自动/强制LinkFaultPass-Through(LFP)工业级设计,稳定可靠操作温度范围:-10~60°CIP30防护等级外壳设计电源输入支持24VDC/24VAC支持导轨安装避雷设备■天线防雷设备天线防雷设备选用四川中光天馈浪涌保护器ZGWT20N-10型号。天馈浪涌保护器技术参数接口：N（K/J）特性抗阻Ω：50频率范围MHz：1500～2000适用功率W：60驻波系数：≤1.2插入损耗dB：≤0.2标称放电电流8/20μskA：5最大放电电流8/20μskA：10限值电压10/700μskA：≤40外形尺寸L×B×Hmm：φ22×73■电源防雷设备电源防雷设备选用四川中光单项电源避雷器ZGG40-385型号。单项电源避雷器技术参数最大持续运行电压UCV：385标称放电电流In8/20μskA：20最大放电电流Imax8/20μskA：40限值电压8/20μs3kAkV：≤1保护模式：可组成各种保护模式外形尺寸mm：90×18×62安装尺寸mm：35mm导轨安装■避雷针避雷针选用四川中光ZGZ-200-2.1型号避雷针。避雷针技术参数雷电通流容量kA：200电阻Ω：≤1高度m：2.1质量kg：4.8最大抗风强度m/s：40安装尺寸mm：φ70±0.26CDMonitor监测软件介绍本章介绍了上海司南导航技术有限公司研制的CDMonitor变形监测系统专用软件采用的算法、软件的系统结构、软件实现的各项功能、以及与RTK方法进行比较后的特点。要用滤波方法消除GPS动态定位数据中的随机误差，人们首先想到应用最优估计的方法（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。但应用Kalman滤波器进行最优估计（滤波），需建立较准确的系统模型和观测模型，因而，不仅要对运动载体建立准确合理的动态模型，而且要对各种随机误差准确建模。GPS动态定位的离散状态空间模型如下：式中为维状态向量，为关于状态的维非线性函数，为维输出量，为维系统转移矩阵。，分别为,维随机向量序列，并满足如下统计特性：为维半正定对称阵，为维正定对称阵。进一步设初始状态为满足如下统计特性的随机向量：当非线性系统在其标称轨线上进行泰勒展开，近似取其线性部分，并用通常的Kalman滤波器进行状态估计时，便得到著名的扩展Kalman滤波器如下：CDMonitor的系统结构软件结构CDMonitor软件通过网络或串口（RS232，或者CAN总线）获得GPS的原始数据（载波相位和伪距），对其进行差分处理和滤波，并根据系统设置，实现图形显示、记录、报警、输出、分析。另外软件还提供了一个远程组件，方便用户的二次开发。CDMonitor软件结构软硬件平台硬件平台：至强服务器2CPU，2G内存（GPS专用）软件平台：Windows2003数据库平台：Oracle或SQL网络平台：十兆或百兆以太网；GPS所有的应用软件均部署在上述的硬件平台上。必须保证软件在正常工作时CPU的平均使用率不超过60％。系统架构整个软件系统技术实现构架图：CDMonitor系统架构其中：数据传输中间件可在远程运行，可以封装在用户的应用程序内，是实现数据传输的软件，封装了数据传输的细节。可以实现实时数据发送和反向控制和服务器事件响应基本功能和指标可对GPS原始数据进行实时差分处理，数据更新率可达1Hz、5Hz、10Hz、20Hz；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；最多可同时处理多个基站和32个监测站的数据；输入接口协议：RS232、CAN、TCP/IP；输出接口协议：TCP/IP；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。原始数据、解算结果的自动保存功能，可根据用户需求进行设置；对监测站、基站接收机的远程设置功能，软件上有各个GPS接收机的独立监控模块，可以向GPS接收机发送用户更改参数的命令（如采样间隔、高度截止角等）；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；每个监控站的监控范围可根据用户设置，相应的精度可从1毫米到1厘米(根据解算时段的长短)。回放功能。回放功能分为两个层次：原始数据层，软件记录原始数据后，可以任意截取其中部分数据，并根据原始数据重新解算并回放的功能；历史状态层，即根据所选择的时段，对系统的实际工作状态进行回放。实时的数据采集的延迟不大于1秒。可以调整各个监测站的位置更新率；连接数据库，记录用户需要保留的各项信息；记录的内容如下：GPS定位数据坐标；精度（水平和垂直）；PDOP值；使用卫星颗数；解类型。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；基线解信