GNSS在變形監(jiān)測中的應用

GPS定位系統(tǒng)全球定位系統(tǒng)(GPS)作為20世紀一項高新技術，具有速度快、全天候、自動化、測站間無需通視、可同時測定點的三位坐標及精度高等優(yōu)點，因而獲得了廣泛應用。目前，GPS精密定位技術已經(jīng)廣泛地滲透到經(jīng)濟建設和科學技術的許多領域，對經(jīng)典大地測量學的各個方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在大地測量學及其相關學科領域，如地球動力學、海洋大地測量、地球物理探測、資源勘探、航空與衛(wèi)星遙感、工程變形監(jiān)測、運動目標的測速以及精密時間傳遞等方面的廣泛應用，充分顯示了衛(wèi)星定位技術的高精度與高效益。GPS定位系統(tǒng)的組成GPS定位系統(tǒng)實現(xiàn)了全球覆蓋、全天候、高精度、實時連續(xù)定位。它由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、若干個地面監(jiān)控站組成的地面監(jiān)控系統(tǒng)和以接收機為主體的用戶定位設備三部分組成。三者有各自獨立的功能和作用，但又是有機地配合而缺一不可的整體系統(tǒng)?？臻g部分地面監(jiān)控部分用戶設備部分GPS定位系統(tǒng)的組成GPS衛(wèi)星星座GPS工作衛(wèi)星GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)分布圖GPS接收機§2

GPS定位基本原理§3

GPS實時監(jiān)測技術基本原理實時動態(tài)（RTK）測量系統(tǒng)，是GPS測量技術與數(shù)據(jù)傳輸技術相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)。它是GPS測量技術發(fā)展中的一個新的突破。RTK測量技術，是以載波相位為根據(jù)的實時差分GPS（RTDGPS）測量技術。實時動態(tài)測量的基本思想是，在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛(wèi)星進行連續(xù)觀測，并將其觀測數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設備，接收基準站傳輸?shù)挠^測數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及其精度。實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成GPSRTK實時監(jiān)測系統(tǒng)主要是由GPS基準站、GPS監(jiān)測站、光纖通信鏈路和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測中心等部分組成，而數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測中心主要由工作站、服務器和局域網(wǎng)組成?；鶞收緦⒔邮盏降男l(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實時傳遞到監(jiān)測站，監(jiān)測站接收衛(wèi)星信號及GPS基準站信息，進行實時差分后，可實時測得站點的三維空間坐標。

GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成基準站監(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)星系統(tǒng)各個部分功能(1)GPS基準站。輸出差分信號和原始數(shù)據(jù)，基準站應設在測區(qū)內(nèi)地勢較高，視野開闊，且坐標已知的點上。(2)GPS監(jiān)測站。輸出RTK差分結(jié)果和原始數(shù)據(jù)。(3)工控機。采集GPS流動站的原始數(shù)據(jù)和RTK差分結(jié)果，向GPS流動站發(fā)送控制命令。通過切換開關控制共享、分配器的工作。(4)服務器。運行數(shù)據(jù)庫，處理工控機發(fā)送來的數(shù)據(jù)供工作站顯示和分析。(5)遠程控制器。遠程啟動和復位GPS監(jiān)測站。(6)共享、分配器。把差分信號由1路分成多路，每路差分信號和對應的控制命令通過切換開關共享一路。(7)局域網(wǎng)。網(wǎng)絡包括調(diào)制解調(diào)器、光纖、集線器和網(wǎng)線等，提供數(shù)據(jù)庫存取和文件操作的通道。GPS差分信號流程基準站光纖共享、分配光纖流動站GPS差分信號流程基準站光纖共享、分配光纖流動站基準站光纖共享、分配光纖流動站GPS差分信號流程工作站網(wǎng)絡工控機共享器GPS接收機控制命令流程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RTK數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)流程實時監(jiān)測的特點(1)由于GPS是接收衛(wèi)星信號來進行定位，所以各監(jiān)測點只要能接收5顆以上GPS衛(wèi)星及基準站傳來的GPS差分信號，即可進行GPSRTK差分定位。各監(jiān)測站之間無需通視，是相互獨立的觀測值；(2)GPS可以實現(xiàn)全天候定位，可以在暴風雨中進行監(jiān)測；(3)GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動完成。所測三維坐標可直接存入監(jiān)控中心服務器，并進行安全性分析；(4)GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可達10～20Hz速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為±10mm，高程為±20mm?！?

GPS一機多天線監(jiān)測技術

系統(tǒng)設計原則(1)先進性。即選用的儀器設備性能應是當今世界上最先進的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進，反應速度快，監(jiān)測精度必須達到相應的國家規(guī)范要求。(2)可靠性。即系統(tǒng)采集的GPS原始數(shù)據(jù)必須完善、正確；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)可靠，傳輸誤碼率低；數(shù)據(jù)處理、分析結(jié)果必須準確；整個系統(tǒng)故障率低。(3)自動化。即從數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)椒治?、顯示、打印、報警等實現(xiàn)全自動化。(4)易維護。即系統(tǒng)中各監(jiān)測單元互相獨立，并行工作。系統(tǒng)采取開放式模塊結(jié)構(gòu)，便于增加、更新、擴充、維護。(5)經(jīng)濟性。即在保證先進、可靠、自動化程度高的前提下，采取各種有效方法，力求功效高、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一機多天線接收單元GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的組成在不改變已有GPS接收機結(jié)構(gòu)的基礎上，通過一個附加的GPS信號分時器連接開關將多個天線陣列與同一臺接收機連接；通過這樣一個GPS多天線轉(zhuǎn)換開關可以實現(xiàn)一臺接收機與多個天線相連，通過GPS數(shù)據(jù)處理后同樣可以獲得變形體的形變規(guī)律；該系統(tǒng)包括控制中心、數(shù)據(jù)通信、多天線控制器和野外供電系統(tǒng)等4部分組成。多用轉(zhuǎn)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GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成控制中心控制中心可以對GPS多天線控制器微波開關各信號通道進行參數(shù)設定，包括各通道的開關的選擇，各通道的時間參數(shù)設定等，還可以設定系統(tǒng)的工作方式，例如對采集數(shù)據(jù)的傳送方式（實時或事后）進行控制，并將由現(xiàn)場傳來的GPS原始數(shù)據(jù)，通過相關的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)精確定位。數(shù)據(jù)通訊(1）利用電話線進行數(shù)據(jù)通信，由于有現(xiàn)成的電話線，只需購置相關的調(diào)制解調(diào)器即可。該通訊方式成本較低，傳輸距離不受限制，實時性可以保證，工作時，由于占用電話網(wǎng)費用較高，有些場合可以考慮使用內(nèi)部小總機分機方式進行通信。(2）利用無線方式進行數(shù)據(jù)通信，如利用現(xiàn)有的GSM信道。(3）組網(wǎng)方式。構(gòu)成局域網(wǎng)，從而可以利用網(wǎng)上的相關資源進行數(shù)據(jù)通信，這種方式進行數(shù)據(jù)通信時，方便、可靠、通用性強，不需購置專用設備，但組網(wǎng)成本較高，如果不是具備現(xiàn)成的網(wǎng)絡條件，不太適宜采用，數(shù)據(jù)傳送時，實時性可能難以保證。GPS多天線控制器多天線控制器包括計算機系統(tǒng)、天線開關陣列和控制電路，其主要由硬件和軟件兩部分組成，它是無線電通信中的微波開關技術、計算機實時控制技術和大地測量數(shù)據(jù)處理理論及算法的有機結(jié)合，僅用1臺GPS接收機互不干擾地接收多個GPS天線傳輸來的信號，通過軟件處理實現(xiàn)精確定位。GPS一機多天線控制器野外供電系統(tǒng)由于GPS多天線監(jiān)測系統(tǒng)工作在野外，需要長時間工作并且不能間斷，實際系統(tǒng)中，為防備電源斷電而引起數(shù)據(jù)丟失，在電路控制板上設計有電源供電檢測系統(tǒng)，當檢測到電源電壓不足時，給CPU發(fā)出警告，CPU會立即進行相關的數(shù)據(jù)保存處理。隔河巖大壩外觀變形

GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)

工程概況隔河巖水電站總裝機容量為120萬kw，年發(fā)電30.4億kw.h，水庫正常蓄水位為200m，總庫容量為34億m3，是清江三個梯級水電站之一。隔河巖水電站是華中電網(wǎng)重要的調(diào)峰調(diào)頻電站，它的建成對于緩解華中地區(qū)的電力緊張狀況，保證華中電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行；對于消除清江中下游的洪澇災害，避免清江洪峰與長江洪峰相遇以減輕長江荊江段及下游的防洪壓力；對于打通清江航道，為鄂西山區(qū)提供便捷的交通動脈，促進商品流通和資源開發(fā)；對于發(fā)展清江流域的旅游事業(yè)等都具有十分重要的意義。大壩情況隔河巖水電站大壩為三圓心變截面重力拱壩，最大壩高151m，壩頂弧線全長為653m，壩頂高程為206m。高程150m以下為拱壩，高程150m以上為重力壩。壩址為凹形河谷，地形條件比較復雜。監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)大壩變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)是由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)處理、分析和管理三個部分組成的。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、管理采用局域網(wǎng)絡來完成。大壩外部變形監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作是在GPSl～GPS7這7個GPS站上進行的。其中GPSl和GPS2為位于兩岸的基淮點，GPS3～GPS7為位于大壩上的變形監(jiān)測點。數(shù)據(jù)傳輸及時準確地傳輸觀測資料及有關信息是建立GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。壩面工控機通過RS----232多串口遠距離通訊方式將各監(jiān)測點的接收機面板信息實時傳送到總控室，同時又通過多路開關方式，按總控室所設置的時間間隔定時將上述各臺接收機所采集到的數(shù)據(jù)(觀測值、衛(wèi)星星歷等)傳回服務器。數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)處理、分析、管理部分在隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)測系統(tǒng)中具有重要作用，是整個系統(tǒng)能自動運行的關鍵。主要由總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫管理等四個模塊組成?？偪厥钦麄€系統(tǒng)中各模塊的數(shù)據(jù)交換中心，也是系統(tǒng)的主要用戶接口。數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是：時段自動定義與選?。蛔詣舆M行數(shù)據(jù)處理；對成果可靠性進行判斷；對運行過程中可能出現(xiàn)的錯誤進行控制和處理，保存結(jié)果和清理數(shù)據(jù)。變形分析模塊部分在PC機上運行，部分在工作站上運行。