1、第5章GPS在變形監(jiān)測中的應(yīng)用主要內(nèi)容 概述 GPS定位基本原理 GPS實時監(jiān)測技術(shù) GPS一機多天線監(jiān)測技術(shù)5.1 概述 全球定位系統(tǒng)(GPS)作為20世紀一項高新技術(shù)，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(yīng)用。 目前，GPS精密定位技術(shù)已經(jīng)廣泛地滲透到經(jīng)濟建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，對經(jīng)典大地測量學(xué)的各個方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在大地測量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，如地球動力學(xué)、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(yīng)用，充分顯示了衛(wèi)星定位技術(shù)的高精度與高效益。 G

2、PS定位系統(tǒng)的組成定位系統(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(shè)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)。 圖圖5-1 GPS定位系統(tǒng)的組成定位系統(tǒng)的組成空間部分地面監(jiān)控部分用戶設(shè)備部分圖圖5-3 GPS工作衛(wèi)星工作衛(wèi)星圖圖5-2 GPS衛(wèi)星星座衛(wèi)星星座圖圖5-4 GPS5-4 GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)分布圖地面監(jiān)控系統(tǒng)分布圖圖圖5-5 GPS5-5 GPS接收機接收機5.2 GPS定位基本原理定位基本原理略5.3 GPS實時監(jiān)測技術(shù)實時

3、監(jiān)測技術(shù)基本原理基本原理 實時動態(tài)（RTK）測量系統(tǒng)，是GPS測量技術(shù)與數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合而構(gòu)成的組合系統(tǒng)。它是GPS測量技術(shù)發(fā)展中的一個新的突破。 RTK測量技術(shù)，是以載波相位為根據(jù)的實時差分GPS（RTD GPS）測量技術(shù)。 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(shè)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)成實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成清華大學(xué)已成功將GPS RTK技術(shù)應(yīng)用于虎門大橋的實時安全監(jiān)測。GPS RTK實時監(jiān)測系統(tǒng)主要是由GPS基準站、G

4、PS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(wù)器和局域網(wǎng)組成。 基準站將接收到的衛(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。 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)星圖圖5-7 GPS實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成實時監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成系統(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(yīng)設(shè)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GP

5、S 流動站發(fā)送控制命令。通過切換開關(guān)控制共享、分配器的工作。(4) 服務(wù)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(fù)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(yīng)的控制命令通過切換開關(guān)共享一路。(7) 局域網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)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?；鶞收净鶞收竟夤?纖纖共享、分配共享、分配光光 纖纖流動站流動站圖圖5-8 GPS差分信號流程差分信號流程工作站工作站網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)工工 控控 機機共享器共享器GPS接收機接收機圖圖5-9 控制命令流程控制命令流程 GPS接收機接收機工控

6、機接收、處理工控機接收、處理原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò)網(wǎng)網(wǎng) 絡(luò)絡(luò)原始數(shù)據(jù)原始數(shù)據(jù)服務(wù)器服務(wù)器分析工作站分析工作站圖圖5-10 RTK數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)流程數(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GPS RTK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(fēng)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(wù)器，并進行安全性分析；(4) GPS定

7、位速度快、精度高。GPS RTK 最快可達1020Hz速率輸出定位結(jié)果，定位精度平面為10mm，高程為20mm。5.4 GPS一機多天線監(jiān)測技術(shù)一機多天線監(jiān)測技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計原則系統(tǒng)設(shè)計原則(1) 先進性。即選用的儀器設(shè)備性能應(yīng)是當(dāng)今世界上最先進的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進，反應(yīng)速度快，監(jiān)測精度必須達到相應(yīng)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(luò)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)

8、，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。多天線控制器多天線控制器天天 線線 組組GPSGPS接收機接收機數(shù) 據(jù) 處數(shù) 據(jù) 處理理 中心中心GPS一機多天線接收單元一機多天線接收單元 GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的組成一機多天線監(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(chǔ)上，通過一個附加的GPS信號分時器連接開關(guān)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(guān)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

9、外供電系統(tǒng)等4部分組成。 多 用 轉(zhuǎn) 換多 用 轉(zhuǎn) 換開關(guān)開關(guān)基準站接收機基準站接收機監(jiān)測站接收機監(jiān)測站接收機數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)庫報報 告告變形分析模型變形分析模型圖圖5-11 GPSGPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成控制中心控制中心 控制中心可以對GPS多天線控制器微波開關(guān)各信號通道進行參數(shù)設(shè)定，包括各通道的開關(guān)的選擇，各通道的時間參數(shù)設(shè)定等，還可以設(shè)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(guān)的數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)精確定位。數(shù)據(jù)通訊數(shù)據(jù)通訊(1）利用 線進行數(shù)據(jù)通信，由于有現(xiàn)成的 線，只需購置相關(guān)的

10、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 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(guān)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(shè)備，但組網(wǎng)成本較高，如果不是具備現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)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 多天線控制器包括計算機系統(tǒng)、天線開關(guān)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(guān)技術(shù)、計算機實時控制技術(shù)和大地測

11、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一機多天線控制器一機多天線控制器 野外供電系統(tǒng)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(shè)計有電源供電檢測系統(tǒng)，當(dāng)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(guān)的數(shù)據(jù)保存處理。 DC-DC DC-AC 蓄電池 存儲 -5V/0.5A +12V/0.5A -12V/0.5A +5V/2.0A 風(fēng)力發(fā)電和 太陽能發(fā)電 隔河巖大壩外觀變形隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監(jiān)

12、測系統(tǒng)自動化監(jiān)測系統(tǒng) 工程概況工程概況 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(zāi)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

13、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(fù)雜。監(jiān)測系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)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(luò)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GPSlGPS7這7個GPS站上進行的。其中GPSl和GPS2為位于兩岸的基淮點，GPS3GPS7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(guān)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(guān)方式，按總控室所設(shè)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(wù)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(guān)