GS在变形监测中的应用

第5章GPS在变形监测中的应用主要内容概述GPS定位基本原理GPS实时监测技术GPS一机多天线监测技术5.1概述全球定位系统(GPS)作为20世纪一项高新技术，具有速度快、全天候、自动化、测站间无需通视、可同时测定点的三位坐标及精度高等优点，因而获得了广泛应用。目前，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到经济建设和科学技术的许多领域，对经典大地测量学的各个方面产生了极其深刻的影响。它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力学、海洋大地测量、地球物理探测、资源勘探、航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显示了卫星定位技术的高精度与高效益。GPS定位系统的组成GPS定位系统实现了全球覆盖、全天候、高精度、实时连续定位。它由GPS卫星组成的空间部分、若干个地面监控站组成的地面监控系统和以接收机为主体的用户定位设备三部分组成。三者有各自独立的功能和作用，但又是有机地配合而缺一不可的整体系统。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定位基本原理略5.3GPS实时监测测技术基本原理理实时动态态（RTK）测量系系统，是是GPS测量技术术与数据据传输技技术相结结合而构构成的组组合系统统。它是是GPS测量技术术发展中中的一个个新的突突破。RTK测量技术术，是以以载波相相位为根根据的实实时差分分GPS（RTDGPS）测量技技术。实时动态态测量的的基本思思想是，，在基准准站上安安置一台台GPS接收机，，对所有有可见GPS卫星进行行连续观观测，并并将其观观测数据据通过无无线电传传输设备备，接收收基准站站传输的的观测数数据，然然后根据据相对定定位的原原理，实实时地计计算并显显示用户户站的三三维坐标标及其精精度。实时监测测系统的的构成清华大学学已成功功将GPSRTK技术应用用于虎门门大桥的的实时安安全监测测。GPSRTK实时监测测系统主主要是由由GPS基准站、、GPS监测站、、光纤通通信链路路和数据据处理与与监测中中心等部部分组成成，而数数据处理理与监测测中心主主要由工工作站、、服务器器和局域域网组成成。基准站将将接收到到的卫星星差分信信息经过过光纤实实时传递递到监测测站，监监测站接接收卫星星信号及及GPS基准站信信息，进进行实时时差分后后，可实实时测得得站点的的三维空空间坐标标。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各个个部分功功能(1)GPS基准站。。输出差差分信号号和原始始数据，，基准站站应设在在测区内内地势较较高，视视野开阔阔，且坐坐标已知知的点上上。(2)GPS监测站。。输出RTK差分结果果和原始始数据。。(3)工控机。。采集GPS流动站的的原始数数据和RTK差分结果果，向GPS流动站发发送控制制命令。。通过切切换开关关控制共共享、分分配器的的工作。。(4)服务器。。运行数数据库，，处理工工控机发发送来的的数据供供工作站站显示和和分析。。(5)远程控制制器。远远程启动动和复位位GPS监测站。。(6)共享、分分配器。。把差分分信号由由1路分成多多路，每每路差分分信号和和对应的的控制命命令通过过切换开开关共享享一路。。(7)局域网。。网络包包括调制制解调器器、光纤纤、集线线器和网网线等，，提供数数据库存存取和文文件操作作的通道道。基准站光纤共享、分配光纤流动站图5-8GPS差分信号号流程工作站网络工控机共享器GPS接收机图5-9控制命令令流程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、原原始数据据流程实时监测测的特点点(1)由于GPS是接收卫卫星信号号来进行行定位，，所以各各监测点点只要能能接收5颗以上GPS卫星及基基准站传传来的GPS差分信号号，即可可进行GPSRTK差分定位位。各监监测站之之间无需需通视，，是相互互独立的的观测值值；(2)GPS可以实现现全天候候定位，，可以在在暴风雨雨中进行行监测；；(3)GPS测定位移移自动化化程度高高。从接接收信号号，捕捉捉卫星，，到完成成RTK差分位移移都可由由仪器自自动完成成。所测测三维坐坐标可直直接存入入监控中中心服务务器，并并进行安安全性分分析；(4)GPS定位速度度快、精精度高。。GPSRTK最快可达达10～20Hz速率输出出定位结结果，定定位精度度平面为为±10mm，高程为为±20mm。5.4GPS一机多天天线监测测技术系统设计计原则(1)先进性。。即选用用的仪器器设备性性能应是是当今世世界上最最先进的的。系统统结构先先进，反反应速度度快，监监测精度度必须达达到相应应的国家家规范要要求。(2)可靠性。。即系统统采集的的GPS原始数据据必须完完善、正正确；数数据传输输网络结结构可靠靠，传输输误码率率低；数数据处理理、分析析结果必必须准确确；整个个系统故故障率低低。(3)自动化。。即从数数据采集集、传输输到分析析、显示示、打印印、报警警等实现现全自动动化。(4)易维护。。即系统统中各监监测单元元互相独独立，并并行工作作。系统统采取开开放式模模块结构构，便于于增加、、更新、、扩充、、维护。。(5)经济性。。即在保保证先进进、可靠靠、自动动化程度度高的前前提下，，采取各各种有效效方法，，力求功功效高、、成本低低。多天线控制器天线组GPS接收机数据处理中心GPS一机多天天线接收收单元GPS一机多天天线监测测系统的的组成在不改变变已有GPS接收机结结构的基基础上，，通过一一个附加加的GPS信号分时时器连接接开关将将多个天天线阵列列与同一一台接收收机连接接；通过这样样一个GPS多天线转转换开关关可以实实现一台台接收机机与多个个天线相相连，通通过GPS数据处理理后同样样可以获获得变形形体的形形变规律律；该系统包包括控制制中心、、数据通通信、多多天线控控制器和和野外供供电系统统等4部分组成成。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心控制中心心可以对对GPS多天线控控制器微微波开关关各信号号通道进进行参数数设定，，包括各各通道的的开关的的选择，，各通道道的时间间参数设设定等，，还可以以设定系系统的工工作方式式，例如如对采集集数据的的传送方方式（实实时或事事后）进进行控制制，并将将由现场场传来的的GPS原始数据据，通过过相关的的数据处处理，实实现精确确定位。。数据通讯讯(1）利用电电话线进进行数据据通信，，由于有有现成的的电话线线，只需需购置相相关的调调制解调调器即可可。该通通讯方式式成本较较低，传传输距离离不受限限制，实实时性可可以保证证，工作作时，由由于占用用电话网网费用较较高，有有些场合合可以考考虑使用用内部小小总机分分机方式式进行通通信。(2）利用无无线方式式进行数数据通信信，如利利用现有有的GSM信道。(3）组网方方式。构构成局域域网，从从而可以以利用网网上的相相关资源源进行数数据通信信，这种种方式进进行数据据通信时时，方便便、可靠靠、通用用性强，，不需购购置专用用设备，，但组网网成本较较高，如如果不是是具备现现成的网网络条件件，不太太适宜采采用，数数据传送送时，实实时性可可能难以以保证。。GPS多天线控控制器多天线控控制器包包括计算算机系统统、天线线开关阵阵列和控控制电路路，其主主要由硬硬件和软软件两部部分组成成，它是是无线电电通信中中的微波波开关技技术、计计算机实实时控制制技术和和大地测测量数据据处理理理论及算算法的有有机结合合，仅用用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，总库容量为为34亿m3，是清江三个个梯级水电站站之一。隔河岩水电站站是华中电网网重要的调峰峰调频电站，，它的建成对对于缓解华中中地区的电力力紧张状况，，保证华中电电网的安全稳稳定运行；对对于消除清江江中下游的洪洪涝灾害，避避免清江洪峰峰与长江洪峰峰相遇以减轻轻长江荆江段段及下游的防防洪压力；对对于打通清江江航道，为鄂鄂西山区提供供便捷的交通通动脉，促进进商品流通和和资源开发；；对于发展清清江流域的旅旅游事业等都都具有十分重重要的意义。。大坝情况隔河岩水电站站大坝为三圆圆心变截面重重力拱坝，最最大坝高151m，坝顶弧线全全长为653m，坝顶高程为为206m。高程150m以下为拱坝，，高程150m以上为重力坝坝。坝址为凹形河河谷，地形条条件比较复杂杂。监测系统的总总体结构大坝变形GPS自动化监测系系统是由数据据采集、数据据传输及数据据处理、分析析和管理三个个部分组成的的。整个系统的数数据采集、传传输、处理、、分析、管理理采用局域网网络来完成。。大坝外部变形形监测系统的的数据采集工工作是在GPSl～GPS7这7个GPS站上进行的。。其中GPSl和GPS2为位于两岸的的基淮点，GPS3～GPS7为位于大坝上上的变形监测测点。数据传输及时准确地传传输观测资料料及有关信息息是建立GPS自动化监测系系统中的一个个重要环节。。坝面工控机通通过RS----232多串口远距离离通讯方式将将各监测点的的接收机面板板信息实时传传送到总控室室，同时又通通过多路开关关方式，按总总控室所设置置的时间间隔隔定时将上述述各台接收机机所采集到的的数据(观测值、卫星星星历等)传回服务器。。数据分析数据处理、分分析、管理部部分在隔河岩岩大坝外观变变形GPS自动化监测系系统中具有重重要作用，是是整个系统能能自动运行的的关键。主要由总控、、数据处理、、数据分析和和数据库管理理等四个模块块组成。总控是整个系系统中各模块块的数据交换换中心，也是是系统的主要要用户接口。。数据处理模块块的主要功能能是：时段自自动定义与选选取；自动进进行数据处理理；对成果可可靠性进行判判断；对运行行过程中可能能出现的错误误进行控制和和处理，保存存结果和清理理数据。变形形分析模块部部分在PC机上运行，部部分在工作站站上运行。数据库管