單頻靜態(tài)GPS進(jìn)行大壩變形觀測(cè)的可行性.docx

單頻靜態(tài)GPS進(jìn)行大壩變形觀測(cè)的可行性單頻靜態(tài)GPS與數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行大壩 變形觀測(cè)的方案 所謂變形，是指工程建筑物由于某種原因而產(chǎn)生形狀、大小和位置的變化。具體來(lái)說(shuō)，變形觀測(cè)就是定期對(duì)建筑物的有關(guān)幾何量進(jìn)行測(cè)量，并從觀測(cè)成果中整理、分析出變形規(guī)律的過(guò)程。 工程建筑物的變形觀測(cè)，對(duì)于工程建筑物在施工、營(yíng)運(yùn)過(guò)程中的安全，避免災(zāi)害，具有重大意義。通過(guò)變形觀測(cè)，亦可為設(shè)計(jì)積累資料，作為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法和修改、制定設(shè)計(jì)方案的依據(jù)。 一、 單頻靜態(tài)GPS與數(shù)傳電臺(tái)的工作原理及可行性分析 隨著科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展,新的監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷引入到大壩的變形監(jiān)測(cè)中。GPS作為現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)的代表,因其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，精度高、自動(dòng)化程度高等，也逐漸在大壩變形監(jiān)測(cè)領(lǐng)域發(fā)揮作用。 全球定位系統(tǒng)GPS是美國(guó)國(guó)防部研制組建的新一代精密衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，用于測(cè)定全球目標(biāo)的空間三維坐標(biāo)和授時(shí)。GPS大壩變形監(jiān)測(cè)主要用于測(cè)定水平位移、垂直位移(沉陷)。通常在大壩兩岸不受壩體變形影響的地方設(shè)置GPS基準(zhǔn)站(通過(guò)國(guó)家精密大地控制網(wǎng)和天文水準(zhǔn)測(cè)定并轉(zhuǎn)換為WGS-84參考坐標(biāo)下)，在大壩上合理布置幾個(gè)位移觀測(cè)點(diǎn)，然后在各點(diǎn)架設(shè)GPS接收機(jī)進(jìn)行接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)把各點(diǎn)的GPS數(shù)據(jù)送到中心服務(wù)器結(jié)合基準(zhǔn)站的坐標(biāo)進(jìn)行GPS網(wǎng)平差，得出位移觀測(cè)點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)，兩歷元(周期)的空間三維坐標(biāo)之差就是大壩相對(duì)水平位移、垂直位移(沉陷)。國(guó)內(nèi)最早的GPS大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是原武漢測(cè)繪科技大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的清江隔河巖大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由5個(gè)壩體監(jiān)測(cè)點(diǎn)和兩岸2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組成，其精度達(dá)亞毫米級(jí)。在1998年長(zhǎng)江流域特大洪水期間，讓水庫(kù)超量攔洪蓄水，減輕了中下游的防汛抗洪壓力以及避免了荊江分洪，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。另外我國(guó)也在小浪底等工程成功進(jìn)行了GPS大壩變形監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)工作。 單頻靜態(tài)GPS接收機(jī)與數(shù)傳電臺(tái)相結(jié)合，進(jìn)行變形觀測(cè)的方法，由于使用了數(shù)傳電代替費(fèi)用較大的光纖，避免了使用光纖可能帶來(lái)的故障，所以不僅提高了效率，也降低了成本。該種變形觀測(cè)方法包含:一個(gè)中心控制站和N個(gè)單頻靜態(tài)觀測(cè)站。中心控制站包含一臺(tái)GPS接收機(jī)，主控制機(jī)(裝有控制程序的電腦)，數(shù)傳電臺(tái)?？刂浦行恼究稍O(shè)立于離大壩3,5KM遠(yuǎn)，較易建立控制站的地方建立主觀測(cè)室，可以方便操作，但是中心控制站一定要建立在基巖上，保證其穩(wěn)固性。單頻靜態(tài)觀測(cè)站，建立在壩基上，可以很好地監(jiān)測(cè)大壩的變形情況。每一個(gè)單頻觀測(cè)站包括一臺(tái)GPS接收機(jī)和一個(gè)數(shù)傳電臺(tái)。此款類(lèi)型的儀器可以采用南方公司自主生產(chǎn)研發(fā)的一整套設(shè)備，包含系統(tǒng)控制軟件。此外，由于在該系統(tǒng)的運(yùn)作過(guò)程中要對(duì)每個(gè)觀測(cè)站發(fā)送指令，所以每個(gè)數(shù)傳電臺(tái)都必須具備收發(fā)功能，而不是單向的。 GPS接收機(jī)與數(shù)傳電臺(tái)的工作原理圖，如下圖所示。在工作過(guò)程中，由中心控制站利用數(shù)傳電臺(tái)對(duì)每一個(gè)單觀測(cè)站首先發(fā)送指令，當(dāng)然為了避免數(shù)據(jù)流的沖突，這些指令的發(fā)送是依次進(jìn)行的。單觀測(cè)站在接收到這些指令之后，開(kāi)始采集數(shù)據(jù)并記錄，在經(jīng)過(guò)設(shè)定的時(shí)間之后(一般為30分鐘左右)，由單觀測(cè)站的數(shù)傳電臺(tái)把機(jī)內(nèi)的數(shù)據(jù)文件傳輸給中心控制站，中心控制站再利用主控制機(jī)內(nèi)的控制系統(tǒng)和程序?qū)斡^測(cè)站發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)與中心控制站采集的數(shù)據(jù)，進(jìn)行基線結(jié)算，這樣就可以得到一個(gè)基線向量值，由于每天可以采集N個(gè)這樣的數(shù)據(jù)，因此可以得到N個(gè)這樣的基線向量值。這樣就可以比對(duì)這些基線向量，來(lái)統(tǒng)計(jì)大壩變形的情況，找出變形的規(guī)律。這種方法不需要已知點(diǎn)坐標(biāo)信息，只需要得到各個(gè)單觀測(cè)站到中心控制站的位置變化，即三維的基線向量值即可。如果想要得到更高精度的變形觀測(cè)參數(shù)，可以考慮建立兩個(gè)中心控制站，這樣可以把中心控制站也用絕對(duì)基線向量值控制下來(lái)，參與變形觀測(cè)。 圖1 GPS接收機(jī)與數(shù)傳電臺(tái)進(jìn)行變形觀測(cè)原理圖 此外，使用數(shù)傳電臺(tái)要比一般光纖節(jié)省大量的開(kāi)支，一般光纖具有一下缺點(diǎn)，這些都是數(shù)傳電臺(tái)不具備的。 1、 光纖投資花費(fèi)巨大。 2、 在應(yīng)用光纖測(cè)量位移時(shí)， 用光速乘以傳播時(shí)間的方法誤差較大。因?yàn)橛妹}沖波進(jìn)行時(shí)間測(cè)量難度較大。 3、 光纖要具有一定的強(qiáng)度和柔韌性才能適用。 4、 光纖與GPS的接口也是一大問(wèn)題。 二、 資金預(yù)算 1、 硬件設(shè)備 建立該變形觀測(cè)系統(tǒng)，硬件設(shè)備包含單頻靜態(tài)GPS接收機(jī)和數(shù)傳電臺(tái)，主控電腦一臺(tái)，以及觀測(cè)墩和觀測(cè)室。靜態(tài)GPS接收機(jī)的造價(jià)為3.5萬(wàn)元一臺(tái)，主機(jī)2萬(wàn)左右，由于需要長(zhǎng)時(shí)間的供電，要采用持久的電源系統(tǒng)，保證工作的實(shí)時(shí)進(jìn)行。在主機(jī)數(shù)據(jù)觀測(cè)的同時(shí)，并不是像RTK一樣實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給中心控制站，這樣就需要一個(gè)管理系統(tǒng)，每個(gè)一定的時(shí)間向中心控制站發(fā)送數(shù)據(jù)一次，這個(gè)時(shí)間是可以設(shè)定的。這樣管理系統(tǒng)和電源系統(tǒng)則需要1.5萬(wàn)左右。數(shù)傳電臺(tái)1萬(wàn)元一臺(tái)、主控電腦1.2萬(wàn)元一臺(tái)。觀測(cè)墩每個(gè)造價(jià)3萬(wàn)元(包含防護(hù)罩和避雷系統(tǒng))，中心控制室造價(jià)3萬(wàn)元。這樣首期的硬件設(shè)備預(yù)算為80萬(wàn)左右(按共10個(gè)觀測(cè)站計(jì)算)。 2、 系統(tǒng)軟件 主控系統(tǒng)主要用來(lái)控制每個(gè)觀測(cè)站，控制數(shù)傳電臺(tái)發(fā)送制令，接收數(shù)據(jù)以及對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解算分析。其中主控制系統(tǒng)價(jià)格約為5元，主要控制整個(gè)系統(tǒng)的工作運(yùn)轉(zhuǎn)情況。數(shù)據(jù)解算軟件部分價(jià)格約為5萬(wàn)元，主要用于解算單觀測(cè)站發(fā)送得數(shù)據(jù)，得到所要基線向量值，從中分析得出成果報(bào)表和變形預(yù)報(bào)。一整套的系統(tǒng)的首期預(yù)算約為10萬(wàn)元左右。 3、 設(shè)備維護(hù) 在使用過(guò)程中，各個(gè)硬件設(shè)備要定期進(jìn)行維護(hù)清理檢查一次，這個(gè)是非常重要和必要的，包括系統(tǒng)在內(nèi)。維護(hù)的目的是為了預(yù)防即將發(fā)生問(wèn)題，保證這個(gè)設(shè)備的運(yùn)行的可靠性，避免可能出現(xiàn)的隱患，增加設(shè)備的壽命。首期預(yù)算的設(shè)備維護(hù)費(fèi)用為5萬(wàn)元左右。 對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員的培養(yǎng)也是十分重要的。熟悉操作每個(gè)操作過(guò)程，可以減少錯(cuò)誤的發(fā)生，提高對(duì)大壩的變形觀測(cè)的效率。這樣，整套系統(tǒng)設(shè)備的首期預(yù)算將為90萬(wàn)元左右。 該種進(jìn)行變形觀測(cè)的方法，也是自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中一種最新的方法，利用GPS觀測(cè)值進(jìn)行基線解算，可