變形監(jiān)測(cè)課件之五GS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用37

第5章GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用主要內(nèi)容概述GPS定位基本原理GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)技術(shù)5.1概述全球定位系統(tǒng)(GPS)作為20世紀(jì)一項(xiàng)高新技術(shù)，具有速度快、全天候、自動(dòng)化、測(cè)站間無需通視、可同時(shí)測(cè)定點(diǎn)的三位坐標(biāo)及精度高等優(yōu)點(diǎn)，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(jì)建設(shè)和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域，對(duì)經(jīng)典大地測(cè)量學(xué)的各個(gè)方面產(chǎn)生了極其深刻的影響。它在大地測(cè)量學(xué)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，如地球動(dòng)力學(xué)、海洋大地測(cè)量、地球物理探測(cè)、資源勘探、航空與衛(wèi)星遙感、工程變形監(jiān)測(cè)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的測(cè)速以及精密時(shí)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。GPS定位系統(tǒng)的組成GPS定位系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全球覆蓋、全天候、高精度、實(shí)時(shí)連續(xù)定位。它由GPS衛(wèi)星組成的空間部分、若干個(gè)地面監(jiān)控站組成的地面監(jiān)控系統(tǒng)和以接收機(jī)為主體的用戶定位設(shè)備三部分組成。三者有各自獨(dú)立的功能和作用，但又是有機(jī)地配合而缺一不可的整體系統(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(shè)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(jī)5.2GPS定位基本原理略5.3GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)技術(shù)基本原理理實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)態(tài)（RTK）測(cè)量系系統(tǒng)，是是GPS測(cè)量技術(shù)術(shù)與數(shù)據(jù)據(jù)傳輸技技術(shù)相結(jié)結(jié)合而構(gòu)構(gòu)成的組組合系統(tǒng)統(tǒng)。它是是GPS測(cè)量技術(shù)術(shù)發(fā)展中中的一個(gè)個(gè)新的突突破。RTK測(cè)量技術(shù)術(shù)，是以以載波相相位為根根據(jù)的實(shí)實(shí)時(shí)差分分GPS（RTDGPS）測(cè)量技技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)態(tài)測(cè)量的的基本思思想是，，在基準(zhǔn)準(zhǔn)站上安安置一臺(tái)臺(tái)GPS接收機(jī)，，對(duì)所有有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行行連續(xù)觀觀測(cè)，并并將其觀觀測(cè)數(shù)據(jù)據(jù)通過無無線電傳傳輸設(shè)備備，接收收基準(zhǔn)站站傳輸?shù)牡挠^測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)，然然后根據(jù)據(jù)相對(duì)定定位的原原理，實(shí)實(shí)時(shí)地計(jì)計(jì)算并顯顯示用戶戶站的三三維坐標(biāo)標(biāo)及其精精度。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)的的構(gòu)成清華大學(xué)學(xué)已成功功將GPSRTK技術(shù)應(yīng)用用于虎門門大橋的的實(shí)時(shí)安安全監(jiān)測(cè)測(cè)。GPSRTK實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)主主要是由由GPS基準(zhǔn)站、、GPS監(jiān)測(cè)站、、光纖通通信鏈路路和數(shù)據(jù)據(jù)處理與與監(jiān)測(cè)中中心等部部分組成成，而數(shù)數(shù)據(jù)處理理與監(jiān)測(cè)測(cè)中心主主要由工工作站、、服務(wù)器器和局域域網(wǎng)組成成?；鶞?zhǔn)站將將接收到到的衛(wèi)星星差分信信息經(jīng)過過光纖實(shí)實(shí)時(shí)傳遞遞到監(jiān)測(cè)測(cè)站，監(jiān)監(jiān)測(cè)站接接收衛(wèi)星星信號(hào)及及GPS基準(zhǔn)站信信息，進(jìn)進(jìn)行實(shí)時(shí)時(shí)差分后后，可實(shí)實(shí)時(shí)測(cè)得得站點(diǎn)的的三維空空間坐標(biāo)標(biāo)?；鶞?zhǔn)站監(jiān)測(cè)站監(jiān)測(cè)站數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)中心光纖通訊GPS衛(wèi)星圖5-7GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)各個(gè)個(gè)部分功功能(1)GPS基準(zhǔn)站。。輸出差差分信號(hào)號(hào)和原始始數(shù)據(jù)，，基準(zhǔn)站站應(yīng)設(shè)在在測(cè)區(qū)內(nèi)內(nèi)地勢(shì)較較高，視視野開闊闊，且坐坐標(biāo)已知知的點(diǎn)上上。(2)GPS監(jiān)測(cè)站。。輸出RTK差分結(jié)果果和原始始數(shù)據(jù)。。(3)工控機(jī)。。采集GPS流動(dòng)站的的原始數(shù)數(shù)據(jù)和RTK差分結(jié)果果，向GPS流動(dòng)站發(fā)發(fā)送控制制命令。。通過切切換開關(guān)關(guān)控制共共享、分分配器的的工作。。(4)服務(wù)器。。運(yùn)行數(shù)數(shù)據(jù)庫，，處理工工控機(jī)發(fā)發(fā)送來的的數(shù)據(jù)供供工作站站顯示和和分析。。(5)遠(yuǎn)程控制制器。遠(yuǎn)遠(yuǎn)程啟動(dòng)動(dòng)和復(fù)位位GPS監(jiān)測(cè)站。。(6)共享、分分配器。。把差分分信號(hào)由由1路分成多多路，每每路差分分信號(hào)和和對(duì)應(yīng)的的控制命命令通過過切換開開關(guān)共享享一路。。(7)局域網(wǎng)。。網(wǎng)絡(luò)包包括調(diào)制制解調(diào)器器、光纖纖、集線線器和網(wǎng)網(wǎng)線等，，提供數(shù)數(shù)據(jù)庫存存取和文文件操作作的通道道?；鶞?zhǔn)站光纖共享、分配光纖流動(dòng)站圖5-8GPS差分信號(hào)號(hào)流程工作站網(wǎng)絡(luò)工控機(jī)共享器GPS接收機(jī)圖5-9控制命令令流程GPS接收機(jī)工控機(jī)接收、處理原始數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)原始數(shù)據(jù)服務(wù)器分析工作站圖5-10RTK數(shù)據(jù)、原原始數(shù)據(jù)據(jù)流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)測(cè)的特點(diǎn)點(diǎn)(1)由于GPS是接收衛(wèi)衛(wèi)星信號(hào)號(hào)來進(jìn)行行定位，，所以各各監(jiān)測(cè)點(diǎn)點(diǎn)只要能能接收5顆以上GPS衛(wèi)星及基基準(zhǔn)站傳傳來的GPS差分信號(hào)號(hào)，即可可進(jìn)行GPSRTK差分定位位。各監(jiān)監(jiān)測(cè)站之之間無需需通視，，是相互互獨(dú)立的的觀測(cè)值值；(2)GPS可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)全天候候定位，，可以在在暴風(fēng)雨雨中進(jìn)行行監(jiān)測(cè)；；(3)GPS測(cè)定位移移自動(dòng)化化程度高高。從接接收信號(hào)號(hào)，捕捉捉衛(wèi)星，，到完成成RTK差分位移移都可由由儀器自自動(dòng)完成成。所測(cè)測(cè)三維坐坐標(biāo)可直直接存入入監(jiān)控中中心服務(wù)務(wù)器，并并進(jìn)行安安全性分分析；(4)GPS定位速度度快、精精度高。。GPSRTK最快可達(dá)達(dá)10～20Hz速率輸出出定位結(jié)結(jié)果，定定位精度度平面為為±10mm，高程為為±20mm。5.4GPS一機(jī)多天天線監(jiān)測(cè)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)原則(1)先進(jìn)性。。即選用用的儀器器設(shè)備性性能應(yīng)是是當(dāng)今世世界上最最先進(jìn)的的。系統(tǒng)統(tǒng)結(jié)構(gòu)先先進(jìn)，反反應(yīng)速度度快，監(jiān)監(jiān)測(cè)精度度必須達(dá)達(dá)到相應(yīng)應(yīng)的國家家規(guī)范要要求。(2)可靠性。。即系統(tǒng)統(tǒng)采集的的GPS原始數(shù)據(jù)據(jù)必須完完善、正正確；數(shù)數(shù)據(jù)傳輸輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)結(jié)構(gòu)可靠靠，傳輸輸誤碼率率低；數(shù)數(shù)據(jù)處理理、分析析結(jié)果必必須準(zhǔn)確確；整個(gè)個(gè)系統(tǒng)故故障率低低。(3)自動(dòng)化。。即從數(shù)數(shù)據(jù)采集集、傳輸輸?shù)椒治鑫?、顯示示、打印印、報(bào)警警等實(shí)現(xiàn)現(xiàn)全自動(dòng)動(dòng)化。(4)易維護(hù)。。即系統(tǒng)統(tǒng)中各監(jiān)監(jiān)測(cè)單元元互相獨(dú)獨(dú)立，并并行工作作。系統(tǒng)統(tǒng)采取開開放式模模塊結(jié)構(gòu)構(gòu)，便于于增加、、更新、、擴(kuò)充、、維護(hù)。。(5)經(jīng)濟(jì)性。。即在保保證先進(jìn)進(jìn)、可靠靠、自動(dòng)動(dòng)化程度度高的前前提下，，采取各各種有效效方法，，力求功功效高、、成本低低。多天線控制器天線組GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)處理中心GPS一機(jī)多天天線接收收單元GPS一機(jī)多天天線監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)的的組成在不改變變已有GPS接收機(jī)結(jié)結(jié)構(gòu)的基基礎(chǔ)上，，通過一一個(gè)附加加的GPS信號(hào)分時(shí)時(shí)器連接接開關(guān)將將多個(gè)天天線陣列列與同一一臺(tái)接收收機(jī)連接接；通過這樣樣一個(gè)GPS多天線轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)關(guān)可以實(shí)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)臺(tái)接收機(jī)機(jī)與多個(gè)個(gè)天線相相連，通通過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(zhuǎn)換開關(guān)基準(zhǔn)站接收機(jī)監(jiān)測(cè)站接收機(jī)數(shù)據(jù)處理中心數(shù)據(jù)庫報(bào)告變形分析模型圖5-11GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成控制中心控制中心可以以對(duì)GPS多天線控制器器微波開關(guān)各各信號(hào)通道進(jìn)進(jìn)行參數(shù)設(shè)定定，包括各通通道的開關(guān)的的選擇，各通通道的時(shí)間參參數(shù)設(shè)定等，，還可以設(shè)定定系統(tǒng)的工作作方式，例如如對(duì)采集數(shù)據(jù)據(jù)的傳送方式式（實(shí)時(shí)或事事后）進(jìn)行控控制，并將由由現(xiàn)場(chǎng)傳來的的GPS原始數(shù)據(jù)，通通過相關(guān)的數(shù)數(shù)據(jù)處理，實(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位位。數(shù)據(jù)通訊(1）利用電話線線進(jìn)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(guān)的調(diào)調(diào)制解調(diào)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(shí)時(shí)性可可以保證，工工作時(shí)，由于于占用電話網(wǎng)網(wǎng)費(fèi)用較高，，有些場(chǎng)合可可以考慮使用用內(nèi)部小總機(jī)機(jī)分機(jī)方式進(jìn)進(jìn)行通信。(2）利用無線方方式進(jìn)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(gòu)成局域網(wǎng)網(wǎng)，從而可以以利用網(wǎng)上的的相關(guān)資源進(jìn)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信信，這種方式式進(jìn)行數(shù)據(jù)通通信時(shí)，方便便、可靠、通通用性強(qiáng)，不不需購置專用用設(shè)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(luò)條件，，不太適宜采采用，數(shù)據(jù)傳傳送時(shí)，實(shí)時(shí)時(shí)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(jì)算機(jī)機(jī)系統(tǒng)、天線線開關(guān)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(guān)技術(shù)術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)實(shí)時(shí)控制技術(shù)術(shù)和大地測(cè)量量數(shù)據(jù)處理理理論及算法的的有機(jī)結(jié)合，，僅用1臺(tái)GPS接收機(jī)互不干干擾地接收多多個(gè)GPS天線傳輸來的的信號(hào)，通過過軟件處理實(shí)實(shí)現(xiàn)精確定位位。GPS一機(jī)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(cè)系系統(tǒng)工作在野野外，需要長長時(shí)間工作并并且不能間斷斷，實(shí)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(shè)設(shè)計(jì)有電源供供電檢測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到到電源電壓不不足時(shí)，給CPU發(fā)出警告，CPU會(huì)立即進(jìn)行相相關(guān)的數(shù)據(jù)保保存處理。隔河巖大壩外外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)工程概況隔河巖水電站站總裝機(jī)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，總庫容量為為34億m3，是清江三個(gè)個(gè)梯級(jí)水電站站之一。隔河巖水電站站是華中電網(wǎng)網(wǎng)重要的調(diào)峰峰調(diào)頻電站，，它的建成對(duì)對(duì)于緩解華中中地區(qū)的電力力緊張狀況，，保證華中電電網(wǎng)的安全穩(wěn)穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)對(duì)于消除清江江中下游的洪洪澇災(zāi)害，避避免清江洪峰峰與長江洪峰峰相遇以減輕輕長江荊江段段及下游的防防洪壓力；對(duì)對(duì)于打通清江江航道，為鄂鄂西山區(qū)提供供便捷的交通通動(dòng)脈，促進(jìn)進(jìn)商品流通和和資源開發(fā)；；對(duì)于發(fā)展清清江流域的旅旅游事業(yè)等都都具有十分重重要的意義。。大壩情況隔河巖水電電站大壩為為三圓心變變截面重力力拱壩，最最大壩高151m，壩頂弧線線全長為653m，壩頂高程程為206m。高程150m以下為拱壩壩，高程150m以上為重力力壩。壩址為凹形形河谷，地地形條件比比較復(fù)雜。。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的的總體結(jié)構(gòu)構(gòu)大壩變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)是由由數(shù)據(jù)采集集、數(shù)據(jù)傳傳輸及數(shù)據(jù)據(jù)處理、分分析和管理理三個(gè)部分分組成的。。整個(gè)系統(tǒng)的的數(shù)據(jù)采集集、傳輸、、處理、分分析、管理理采用局域域網(wǎng)絡(luò)來完完成。大壩外部變變形監(jiān)測(cè)系系統(tǒng)的數(shù)據(jù)據(jù)采集工作作是在GPSl～GPS7這7個(gè)GPS站上進(jìn)行的的。其中GPSl和GPS2為位于兩岸岸的基淮點(diǎn)點(diǎn)，GPS3～GPS7為位于大壩壩上的變形形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。。數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)準(zhǔn)確地地傳輸觀測(cè)測(cè)資料及有有關(guān)信息是是建立GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)中的的一個(gè)重要要環(huán)節(jié)。壩面工控機(jī)機(jī)通過RS----232多串口遠(yuǎn)距距離通訊方方式將各監(jiān)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接接收機(jī)面板板信息實(shí)時(shí)時(shí)傳送到總總控室，同同時(shí)又通過過多路開關(guān)關(guān)方式，按按總控室所所設(shè)置的時(shí)時(shí)間間隔定定時(shí)將上述述各臺(tái)接收收機(jī)所采集集到的數(shù)據(jù)據(jù)(觀測(cè)值、衛(wèi)衛(wèi)星星歷等等)傳回服務(wù)器器。數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)處理、、分析、管管理部分在在隔河巖大大壩外觀變變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)系統(tǒng)中具具有重要作作用，是整整個(gè)系統(tǒng)能能自動(dòng)運(yùn)行行的關(guān)鍵。。主要由總控控、