GPS在变形监测中的应用

第5章GPS在变形监测测中的应用用主要内容概述GPS定位基本原原理GPS实时监测技技术GPS一机多天线线监测技术术5.1概述全球定位系系统(GPS)作为20世纪一项高高新技术，，具有速度度快、全天天候、自动动化、测站站间无需通通视、可同同时测定点点的三位坐坐标及精度度高等优点点，因而获获得了广泛泛应用。目前，GPS精密定位技技术已经广广泛地渗透透到经济建建设和科学学技术的许许多领域，，对经典大大地测量学学的各个方方面产生了了极其深刻刻的影响。。它在大地测测量学及其其相关学科科领域，如如地球动力力学、海洋洋大地测量量、地球物物理探测、、资源勘探探、航空与与卫星遥感感、工程变变形监测、、运动目标标的测速以以及精密时时间传递等等方面的广广泛应用，，充分显示示了卫星定定位技术的的高精度与与高效益。。GPS定位系统的的组成GPS定位系统实实现了全球球覆盖、全全天候、高高精度、实实时连续定定位。它由GPS卫星组成的的空间部分分、若干个个地面监控控站组成的的地面监控控系统和以以接收机为为主体的用用户定位设设备三部分分组成。三者有各自自独立的功功能和作用用，但又是是有机地配配合而缺一一不可的整整体系统。。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定位位基基本本原原理理略5.3GPS实时时监监测测技技术术基本本原原理理实时时动动态态（（RTK）测测量量系系统统，，是是GPS测量量技技术术与与数数据据传传输输技技术术相相结结合合而而构构成成的的组组合合系系统统。。它它是是GPS测量量技技术术发发展展中中的的一一个个新新的的突突破破。。RTK测量量技技术术，，是是以以载载波波相相位位为为根根据据的的实实时时差差分分GPS（RTDGPS）测测量量技技术术。。实时时动动态态测测量量的的基基本本思思想想是是，，在在基基准准站站上上安安置置一一台台GPS接收收机机，，对对所所有有可可见见GPS卫星星进进行行连连续续观观测测，，并并将将其其观观测测数数据据通通过过无无线线电电传传输输设设备备，，接接收收基基准准站站传传输输的的观观测测数数据据，，然然后后根根据据相相对对定定位位的的原原理理，，实实时时地地计计算算并并显显示示用用户户站站的的三三维维坐坐标标及及其其精精度度。。实时时监监测测系系统统的的构构成成清华华大大学学已已成成功功将将GPSRTK技术术应应用用于于虎虎门门大大桥桥的的实实时时安安全全监监测测。。GPSRTK实时时监监测测系系统统主主要要是是由由GPS基准准站站、、GPS监测测站站、、光光纤纤通通信信链链路路和和数数据据处处理理与与监监测测中中心心等等部部分分组组成成，，而而数数据据处处理理与与监监测测中中心心主主要要由由工工作作站站、、服服务务器器和和局局域域网网组组成成。。基准准站站将将接接收收到到的的卫卫星星差差分分信信息息经经过过光光纤纤实实时时传传递递到到监监测测站站，，监监测测站站接接收收卫卫星星信信号号及及GPS基准准站站信信息息，，进进行行实实时时差差分分后后，，可可实实时时测测得得站站点点的的三三维维空空间间坐坐标标。。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统各各个个部部分分功功能能(1)GPS基准准站站。。输输出出差差分分信信号号和和原原始始数数据据，，基基准准站站应应设设在在测测区区内内地地势势较较高高，，视视野野开开阔阔，，且且坐坐标标已已知知的的点点上上。。(2)GPS监测测站站。。输输出出RTK差分分结结果果和和原原始始数数据据。。(3)工控控机机。。采采集集GPS流动动站站的的原原始始数数据据和和RTK差分分结结果果，，向向GPS流动动站站发发送送控控制制命命令令。。通通过过切切换换开开关关控控制制共共享享、、分分配配器器的的工工作作。。(4)服务务器器。。运运行行数数据据库库，，处处理理工工控控机机发发送送来来的的数数据据供供工工作作站站显显示示和和分分析析。。(5)远程程控控制制器器。。远远程程启启动动和和复复位位GPS监测测站站。。(6)共享享、、分分配配器器。。把把差差分分信信号号由由1路分分成成多多路路，，每每路路差差分分信信号号和和对对应应的的控控制制命命令令通通过过切切换换开开关关共共享享一一路路。。(7)局域域网网。。网网络络包包括括调调制制解解调调器器、、光光纤纤、、集集线线器器和和网网线线等等，，提提供供数数据据库库存存取取和和文文件件操操作作的的通通道道。。基准站光纤共享、分配光纤流动站图5-8GPS差分分信信号号流流程程工作站网络工控机共享器GPS接收机图5-9控制制命命令令流流程程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数据据、、原原始始数数据据流流程程实时时监监测测的的特特点点(1)由于于GPS是接接收收卫卫星星信信号号来来进进行行定定位位，，所所以以各各监监测测点点只只要要能能接接收收5颗以以上上GPS卫星星及及基基准准站站传传来来的的GPS差分分信信号号，，即即可可进进行行GPSRTK差分分定定位位。。各各监监测测站站之之间间无无需需通通视视，，是是相相互互独独立立的的观观测测值值；；(2)GPS可以以实实现现全全天天候候定定位位，，可可以以在在暴暴风风雨雨中中进进行行监监测测；；(3)GPS测定定位位移移自自动动化化程程度度高高。。从从接接收收信信号号，，捕捕捉捉卫卫星星，，到到完完成成RTK差分分位位移移都都可可由由仪仪器器自自动动完完成成。。所所测测三三维维坐坐标标可可直直接接存存入入监监控控中中心心服服务务器器，，并并进进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最快可达10～20Hz速率输出定位位结果，定位位精度平面为为±10mm，高程为±20mm。5.4GPS一机多天线监监测技术系统设计原则则(1)先进性。即选选用的仪器设设备性能应是是当今世界上上最先进的。。系统结构先先进，反应速速度快，监测测精度必须达达到相应的国国家规范要求求。(2)可靠性。即系系统采集的GPS原始数据必须须完善、正确确；数据传输输网络结构可可靠，传输误误码率低；数数据处理、分分析结果必须须准确；整个个系统故障率率低。(3)自动化。即从从数据采集、、传输到分析析、显示、打打印、报警等等实现全自动动化。(4)易维护。即系系统中各监测测单元互相独独立，并行工工作。系统采采取开放式模模块结构，便便于增加、更更新、扩充、、维护。(5)经济性。即在在保证先进、、可靠、自动动化程度高的的前提下，采采取各种有效效方法，力求求功效高、成成本低。多天线控制器天线组GPS接收机数据处理中心GPS一机多天线接接收单元GPS一机多天线监监测系统的组组成在不改变已有有GPS接收机结构的的基础上，通通过一个附加加的GPS信号分时器连连接开关将多多个天线阵列列与同一台接接收机连接；；通过这样一个个GPS多天线转换开开关可以实现现一台接收机机与多个天线线相连，通过过GPS数据处理后同同样可以获得得变形体的形形变规律；该系统包括控控制中心、数数据通信、多多天线控制器器和野外供电电系统等4部分组成。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控制中心控制中心可以以对GPS多天线控制器器微波开关各各信号通道进进行参数设定定，包括各通通道的开关的的选择，各通通道的时间参参数设定等，，还可以设定定系统的工作作方式，例如如对采集数据据的传送方式式（实时或事事后）进行控控制，并将由由现场传来的的GPS原始数据，通通过相关的数数据处理，实实现精确定位位。数据通讯(1）利用电话线线进行数据通通信，由于有有现成的电话话线，只需购购置相关的调调制解调器即即可。该通讯讯方式成本较较低，传输距距离不受限制制，实时性可可以保证，工工作时，由于于占用电话网网费用较高，，有些场合可可以考虑使用用内部小总机机分机方式进进行通信。(2）利用无线方方式进行数据据通信，如利利用现有的GSM信道。(3）组网方式。。构成局域网网，从而可以以利用网上的的相关资源进进行数据通信信，这种方式式进行数据通通信时，方便便、可靠、通通用性强，不不需购置专用用设备，但组组网成本较高高，如果不是是具备现成的的网络条件，，不太适宜采采用，数据传传送时，实时时性可能难以以保证。GPS多天线控制器器多天线控制器器包括计算机机系统、天线线开关阵列和和控制电路，，其主要由硬硬件和软件两两部分组成，，它是无线电电通信中的微微波开关技术术、计算机实实时控制技术术和大地测量量数据处理理理论及算法的的有机结合，，仅用1台GPS接收机互不干干扰地接收多多个GPS天线传输来的的信号，通过过软件处理实实现精确定位位。GPS一机多天线控控制器野外供电系统统由于GPS多天线监测系系统工作在野野外，需要长长时间工作并并且不能间断断，实际系统统中，为防备备电源断电而而引起数据丢丢失，在电路路控制板上设设计有电源供供电检测系统统，当检测到到电源电压不不足时，给CPU发出警告，CPU会立即进行相相关的数据保保存处理。隔河岩大坝外外观变形GPS自动化监测系系统工程概况隔河岩水电站站总装机容量量为120万kw，年发电30.4亿kw.h，水库正常蓄蓄水位为200m，总库库容量量为34亿m3，是清清江三三个梯梯级水水电站站之一一。隔河岩岩水电电站是是华中中电网网重要要的调调峰调调频电电站，，它的的建成成对于于缓解解华中中地区区的电电力紧紧张状状况，，保证证华中中电网网的安安全稳稳定运运行；；对于于消除除清江江中下下游的的洪涝涝灾害害，避避免清清江洪洪峰与与长江江洪峰峰相遇遇以减减轻长长江荆荆江段段及下下游的的防洪洪压力力；对对于打打通清清江航航道，，为鄂鄂西山山区提提供便便捷的的交通通动脉脉，促促进商商品流流通和和资源源开发发；对对于发发展清清江流流域的的旅游游事业业等都都具有有十分分重要要的意意义。。大坝情情况隔河岩岩水电电站大大坝为为三圆圆心变变截面面重力力拱坝坝，最最大坝坝高151m，坝顶顶弧线线全长长为653m，坝顶顶高程程为206m。高程150m以下为为拱坝坝，高高程150m以上为为重力力坝。。坝址为为凹形形河谷谷，地地形条条件比比较复复杂。。监测系系统的的总体体结构构大坝变变形GPS自动化化监测测系统统是由由数据据采集集、数数据传传输及及数据据处理理、分分析和和管理理三个个部分分组成成的。。整个系系统的的数据据采集集、传传输、、处理理、分分析、、管理理采用用局域域网络络来完完成。。大坝外外部变变形监监测系系统的的数据据采集集工作作是在在GPSl～GPS7这7个GPS站上进进行的的。其其中GPSl和GPS2为位于于两岸岸的基基淮点点，GPS3～GPS7为位于于大坝坝上的的变形形监测测点。。数据传传输及时准准确地地传输输观测测资料料及有有关信信息是是建立立GPS自动化化监测测系统统中的的一个个重要要环节节。坝面工工控机机通过过RS----232多串口口远距距离通通讯方方式将将各监监测点点的接接收机机面板板信息息实时时传送送到总总控室室，同同时又又通过过多路路开关关方式式，按按总控控室所所设置置的时时间间间隔定定时将将上述述各台台接收收机所所采集集到的的数据据(观测值值、卫卫星星星历等等)传回服服务器器。数据分分析数据处处理、、分析析、管管理部部分在在隔河河岩大大坝外外观变变形GPS自动化化监测测系统统中具具有重重要作作用，，是整整个