GPS在變形監(jiān)測中的應用

第5章GPS在變形監(jiān)測測中的應用用主要內容概述GPS定位基本原原理GPS實時監(jiān)測技技術GPS一機多天線線監(jiān)測技術術5.1概述全球定位系系統(tǒng)(GPS)作為20世紀一項高高新技術，，具有速度度快、全天天候、自動動化、測站站間無需通通視、可同同時測定點點的三位坐坐標及精度度高等優(yōu)點點，因而獲獲得了廣泛泛應用。目前，GPS精密定位技技術已經(jīng)廣廣泛地滲透透到經(jīng)濟建建設和科學學技術的許許多領域，，對經(jīng)典大大地測量學學的各個方方面產(chǎn)生了了極其深刻刻的影響。。它在大地測測量學及其其相關學科科領域，如如地球動力力學、海洋洋大地測量量、地球物物理探測、、資源勘探探、航空與與衛(wèi)星遙感感、工程變變形監(jiān)測、、運動目標標的測速以以及精密時時間傳遞等等方面的廣廣泛應用，，充分顯示示了衛(wèi)星定定位技術的的高精度與與高效益。。GPS定位系統(tǒng)的的組成GPS定位系統(tǒng)實實現(xiàn)了全球球覆蓋、全全天候、高高精度、實實時連續(xù)定定位。它由GPS衛(wèi)星組成的的空間部分分、若干個個地面監(jiān)控控站組成的的地面監(jiān)控控系統(tǒng)和以以接收機為為主體的用用戶定位設設備三部分分組成。三者有各自自獨立的功功能和作用用，但又是是有機地配配合而缺一一不可的整整體系統(tǒng)。。圖5-1GPS定位系統(tǒng)的組成空間部分地面監(jiān)控部分用戶設備部分圖5-3GPS工作衛(wèi)星圖5-2GPS衛(wèi)星星座圖5-4GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)分布圖圖5-5GPS接收機5.2GPS定位位基基本本原原理理略5.3GPS實時時監(jiān)監(jiān)測測技技術術基本本原原理理實時時動動態(tài)態(tài)（（RTK）測測量量系系統(tǒng)統(tǒng)，，是是GPS測量量技技術術與與數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)傳傳輸輸技技術術相相結結合合而而構構成成的的組組合合系系統(tǒng)統(tǒng)。。它它是是GPS測量量技技術術發(fā)發(fā)展展中中的的一一個個新新的的突突破破。。RTK測量量技技術術，，是是以以載載波波相相位位為為根根據(jù)據(jù)的的實實時時差差分分GPS（RTDGPS）測測量量技技術術。。實時時動動態(tài)態(tài)測測量量的的基基本本思思想想是是，，在在基基準準站站上上安安置置一一臺臺GPS接收收機機，，對對所所有有可可見見GPS衛(wèi)星星進進行行連連續(xù)續(xù)觀觀測測，，并并將將其其觀觀測測數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)通通過過無無線線電電傳傳輸輸設設備備，，接接收收基基準準站站傳傳輸輸?shù)牡挠^觀測測數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，然然后后根根據(jù)據(jù)相相對對定定位位的的原原理理，，實實時時地地計計算算并并顯顯示示用用戶戶站站的的三三維維坐坐標標及及其其精精度度。。實時時監(jiān)監(jiān)測測系系統(tǒng)統(tǒng)的的構構成成清華華大大學學已已成成功功將將GPSRTK技術術應應用用于于虎虎門門大大橋橋的的實實時時安安全全監(jiān)監(jiān)測測。。GPSRTK實時時監(jiān)監(jiān)測測系系統(tǒng)統(tǒng)主主要要是是由由GPS基準準站站、、GPS監(jiān)測測站站、、光光纖纖通通信信鏈鏈路路和和數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)處處理理與與監(jiān)監(jiān)測測中中心心等等部部分分組組成成，，而而數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)處處理理與與監(jiān)監(jiān)測測中中心心主主要要由由工工作作站站、、服服務務器器和和局局域域網(wǎng)網(wǎng)組組成成。?；鶞蕼收菊緦⒔咏邮帐盏降降牡男l(wèi)衛(wèi)星星差差分分信信息息經(jīng)經(jīng)過過光光纖纖實實時時傳傳遞遞到到監(jiān)監(jiān)測測站站，，監(jiān)監(jiān)測測站站接接收收衛(wèi)衛(wèi)星星信信號號及及GPS基準準站站信信息息，，進進行行實實時時差差分分后后，，可可實實時時測測得得站站點點的的三三維維空空間間坐坐標標。。基準站監(jiān)測站監(jiān)測站數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測中心光纖通訊GPS衛(wèi)星圖5-7GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的構成系統(tǒng)統(tǒng)各各個個部部分分功功能能(1)GPS基準準站站。。輸輸出出差差分分信信號號和和原原始始數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，基基準準站站應應設設在在測測區(qū)區(qū)內內地地勢勢較較高高，，視視野野開開闊闊，，且且坐坐標標已已知知的的點點上上。。(2)GPS監(jiān)測測站站。。輸輸出出RTK差分分結結果果和和原原始始數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)。。(3)工控控機機。。采采集集GPS流動動站站的的原原始始數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)和和RTK差分分結結果果，，向向GPS流動動站站發(fā)發(fā)送送控控制制命命令令。。通通過過切切換換開開關關控控制制共共享享、、分分配配器器的的工工作作。。(4)服務務器器。。運運行行數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫，，處處理理工工控控機機發(fā)發(fā)送送來來的的數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)供供工工作作站站顯顯示示和和分分析析。。(5)遠程程控控制制器器。。遠遠程程啟啟動動和和復復位位GPS監(jiān)測測站站。。(6)共享享、、分分配配器器。。把把差差分分信信號號由由1路分分成成多多路路，，每每路路差差分分信信號號和和對對應應的的控控制制命命令令通通過過切切換換開開關關共共享享一一路路。。(7)局域域網(wǎng)網(wǎng)。。網(wǎng)網(wǎng)絡絡包包括括調調制制解解調調器器、、光光纖纖、、集集線線器器和和網(wǎng)網(wǎng)線線等等，，提提供供數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)庫庫存存取取和和文文件件操操作作的的通通道道。?；鶞收竟饫w共享、分配光纖流動站圖5-8GPS差分分信信號號流流程程工作站網(wǎng)絡工控機共享器GPS接收機圖5-9控制制命命令令流流程程GPS接收機工控機接收、處理原始數(shù)據(jù)網(wǎng)絡網(wǎng)絡原始數(shù)據(jù)服務器分析工作站圖5-10RTK數(shù)據(jù)據(jù)、、原原始始數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)流流程程實時時監(jiān)監(jiān)測測的的特特點點(1)由于于GPS是接接收收衛(wèi)衛(wèi)星星信信號號來來進進行行定定位位，，所所以以各各監(jiān)監(jiān)測測點點只只要要能能接接收收5顆以以上上GPS衛(wèi)星星及及基基準準站站傳傳來來的的GPS差分分信信號號，，即即可可進進行行GPSRTK差分分定定位位。。各各監(jiān)監(jiān)測測站站之之間間無無需需通通視視，，是是相相互互獨獨立立的的觀觀測測值值；；(2)GPS可以以實實現(xiàn)現(xiàn)全全天天候候定定位位，，可可以以在在暴暴風風雨雨中中進進行行監(jiān)監(jiān)測測；；(3)GPS測定定位位移移自自動動化化程程度度高高。。從從接接收收信信號號，，捕捕捉捉衛(wèi)衛(wèi)星星，，到到完完成成RTK差分分位位移移都都可可由由儀儀器器自自動動完完成成。。所所測測三三維維坐坐標標可可直直接接存存入入監(jiān)監(jiān)控控中中心心服服務務器器，，并并進進行行安安全全性性分分析析；；(4)GPS定位位速速度度快快、、精精度度高高。。GPSRTK最快可達10～20Hz速率輸出定位位結果，定位位精度平面為為±10mm，高程為±20mm。5.4GPS一機多天線監(jiān)監(jiān)測技術系統(tǒng)設計原則則(1)先進性。即選選用的儀器設設備性能應是是當今世界上上最先進的。。系統(tǒng)結構先先進，反應速速度快，監(jiān)測測精度必須達達到相應的國國家規(guī)范要求求。(2)可靠性。即系系統(tǒng)采集的GPS原始數(shù)據(jù)必須須完善、正確確；數(shù)據(jù)傳輸輸網(wǎng)絡結構可可靠，傳輸誤誤碼率低；數(shù)數(shù)據(jù)處理、分分析結果必須須準確；整個個系統(tǒng)故障率率低。(3)自動化。即從從數(shù)據(jù)采集、、傳輸?shù)椒治鑫?、顯示、打打印、報警等等實現(xiàn)全自動動化。(4)易維護。即系系統(tǒng)中各監(jiān)測測單元互相獨獨立，并行工工作。系統(tǒng)采采取開放式模模塊結構，便便于增加、更更新、擴充、、維護。(5)經(jīng)濟性。即在在保證先進、、可靠、自動動化程度高的的前提下，采采取各種有效效方法，力求求功效高、成成本低。多天線控制器天線組GPS接收機數(shù)據(jù)處理中心GPS一機多天線接接收單元GPS一機多天線監(jiān)監(jiān)測系統(tǒng)的組組成在不改變已有有GPS接收機結構的的基礎上，通通過一個附加加的GPS信號分時器連連接開關將多多個天線陣列列與同一臺接接收機連接；；通過這樣一個個GPS多天線轉換開開關可以實現(xiàn)現(xiàn)一臺接收機機與多個天線線相連，通過過GPS數(shù)據(jù)處理后同同樣可以獲得得變形體的形形變規(guī)律；該系統(tǒng)包括控控制中心、數(shù)數(shù)據(jù)通信、多多天線控制器器和野外供電電系統(tǒng)等4部分組成。多用轉換開關基準站接收機監(jiān)測站接收機數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫報告變形分析模型圖5-11GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的構成控制中心控制中心可以以對GPS多天線控制器器微波開關各各信號通道進進行參數(shù)設定定，包括各通通道的開關的的選擇，各通通道的時間參參數(shù)設定等，，還可以設定定系統(tǒng)的工作作方式，例如如對采集數(shù)據(jù)據(jù)的傳送方式式（實時或事事后）進行控控制，并將由由現(xiàn)場傳來的的GPS原始數(shù)據(jù)，通通過相關的數(shù)數(shù)據(jù)處理，實實現(xiàn)精確定位位。數(shù)據(jù)通訊(1）利用電話線線進行數(shù)據(jù)通通信，由于有有現(xiàn)成的電話話線，只需購購置相關的調調制解調器即即可。該通訊訊方式成本較較低，傳輸距距離不受限制制，實時性可可以保證，工工作時，由于于占用電話網(wǎng)網(wǎng)費用較高，，有些場合可可以考慮使用用內部小總機機分機方式進進行通信。(2）利用無線方方式進行數(shù)據(jù)據(jù)通信，如利利用現(xiàn)有的GSM信道。(3）組網(wǎng)方式。。構成局域網(wǎng)網(wǎng)，從而可以以利用網(wǎng)上的的相關資源進進行數(shù)據(jù)通信信，這種方式式進行數(shù)據(jù)通通信時，方便便、可靠、通通用性強，不不需購置專用用設備，但組組網(wǎng)成本較高高，如果不是是具備現(xiàn)成的的網(wǎng)絡條件，，不太適宜采采用，數(shù)據(jù)傳傳送時，實時時性可能難以以保證。GPS多天線控制器器多天線控制器器包括計算機機系統(tǒng)、天線線開關陣列和和控制電路，，其主要由硬硬件和軟件兩兩部分組成，，它是無線電電通信中的微微波開關技術術、計算機實實時控制技術術和大地測量量數(shù)據(jù)處理理理論及算法的的有機結合，，僅用1臺GPS接收機互不干干擾地接收多多個GPS天線傳輸來的的信號，通過過軟件處理實實現(xiàn)精確定位位。GPS一機多天線控控制器野外供電系統(tǒng)統(tǒng)由于GPS多天線監(jiān)測系系統(tǒng)工作在野野外，需要長長時間工作并并且不能間斷斷，實際系統(tǒng)統(tǒng)中，為防備備電源斷電而而引起數(shù)據(jù)丟丟失，在電路路控制板上設設計有電源供供電檢測系統(tǒng)統(tǒng)，當檢測到到電源電壓不不足時，給CPU發(fā)出警告，CPU會立即進行相相關的數(shù)據(jù)保保存處理。隔河巖大壩外外觀變形GPS自動化監(jiān)測系系統(tǒng)工程概況隔河巖水電站站總裝機容量量為120萬kw，年發(fā)電30.4億kw.h，水庫正常蓄蓄水位為200m，總庫庫容量量為34億m3，是清清江三三個梯梯級水水電站站之一一。隔河巖巖水電電站是是華中中電網(wǎng)網(wǎng)重要要的調調峰調調頻電電站，，它的的建成成對于于緩解解華中中地區(qū)區(qū)的電電力緊緊張狀狀況，，保證證華中中電網(wǎng)網(wǎng)的安安全穩(wěn)穩(wěn)定運運行；；對于于消除除清江江中下下游的的洪澇澇災害害，避避免清清江洪洪峰與與長江江洪峰峰相遇遇以減減輕長長江荊荊江段段及下下游的的防洪洪壓力力；對對于打打通清清江航航道，，為鄂鄂西山山區(qū)提提供便便捷的的交通通動脈脈，促促進商商品流流通和和資源源開發(fā)發(fā)；對對于發(fā)發(fā)展清清江流流域的的旅游游事業(yè)業(yè)等都都具有有十分分重要要的意意義。。大壩情情況隔河巖巖水電電站大大壩為為三圓圓心變變截面面重力力拱壩壩，最最大壩壩高151m，壩頂頂弧線線全長長為653m，壩頂頂高程程為206m。高程150m以下為為拱壩壩，高高程150m以上為為重力力壩。。壩址為為凹形形河谷谷，地地形條條件比比較復復雜。。監(jiān)測系系統(tǒng)的的總體體結構構大壩變變形GPS自動化化監(jiān)測測系統(tǒng)統(tǒng)是由由數(shù)據(jù)據(jù)采集集、數(shù)數(shù)據(jù)傳傳輸及及數(shù)據(jù)據(jù)處理理、分分析和和管理理三個個部分分組成成的。。整個系系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)據(jù)采集集、傳傳輸、、處理理、分分析、、管理理采用用局域域網(wǎng)絡絡來完完成。。大壩外外部變變形監(jiān)監(jiān)測系系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)據(jù)采集集工作作是在在GPSl～GPS7這7個GPS站上進進行的的。其其中GPSl和GPS2為位于于兩岸岸的基基淮點點，GPS3～GPS7為位于于大壩壩上的的變形形監(jiān)測測點。。數(shù)據(jù)傳傳輸及時準準確地地傳輸輸觀測測資料料及有有關信信息是是建立立GPS自動化化監(jiān)測測系統(tǒng)統(tǒng)中的的一個個重要要環(huán)節(jié)節(jié)。壩面工工控機機通過過RS----232多串口口遠距距離通通訊方方式將將各監(jiān)監(jiān)測點點的接接收機機面板板信息息實時時傳送送到總總控室室，同同時又又通過過多路路開關關方式式，按按總控控室所所設置置的時時間間間隔定定時將將上述述各臺臺接收收機所所采集集到的的數(shù)據(jù)據(jù)(觀測值值、衛(wèi)衛(wèi)星星星歷等等)傳回服服務器器。數(shù)據(jù)分分析數(shù)據(jù)處處理、、分析析、管管理部部分在在隔河河巖大大壩外外觀變變形GPS自動化化監(jiān)測測系統(tǒng)統(tǒng)中具具有重重要作作用，，是整整個