1、 概述
GPS衛(wèi)星定位技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測(cè)繪方法有著顯著的特點(diǎn)和優(yōu)越性。它不受天氣的干擾，點(diǎn)位間不需通視，容易實(shí)施長(zhǎng)距離的精確定位。此外，GPS可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，具備良好的自動(dòng)化和集成化性能，特別適用于動(dòng)、靜態(tài)的安全監(jiān)測(cè)和滿足較大工程區(qū)域內(nèi)現(xiàn)代施工所需的復(fù)雜測(cè)量工作。近年來GPS以其特有的優(yōu)勢(shì)在形變監(jiān)測(cè)和精密工程測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
由于水利水電工程特有的地形及環(huán)境條件，工程區(qū)域常位于深山峽谷，GPS衛(wèi)星信號(hào)的接收受到限制，造成人們對(duì)GPS定位精度的疑慮。目前，GPS技術(shù)雖在我國(guó)水利水電工程獲得了一些應(yīng)用，但是深層次的開發(fā)和推廣尚有待進(jìn)一步的努力。此外，在大壩安全監(jiān)測(cè)中，受GPS定位精度和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成本的影響，GPS技術(shù)應(yīng)用較少，是個(gè)十分薄弱的環(huán)節(jié)。因此，將GPS推廣應(yīng)用到水利水電工程中，研究適合我國(guó)國(guó)情的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)防治系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)我國(guó)水利水電事業(yè)的發(fā)展將有很重要的意義。
GPS一機(jī)多天線技術(shù)研究是針對(duì)GPS在工程應(yīng)用中存在的問題而開展的。 在水利水電工程、地質(zhì)災(zāi)害等大規(guī)模工程監(jiān)測(cè)中，如果每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)上都安放高精度GPS接收機(jī)，尤其是當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)很多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本十分昂貴。基于這個(gè)問題，我們采用GPS一機(jī)多天線技術(shù)，通過課題組自行研制開發(fā)的GPS多天線控制器，僅用一部GPS接收機(jī)互不干擾地接收到多個(gè)GPS天線傳輸來的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)用一個(gè)天線代替一臺(tái)高精度GPS接收機(jī)，這樣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的成本可大幅度下降。本項(xiàng)研究成果為GPS技術(shù)在大壩安全監(jiān)測(cè)、山體滑坡監(jiān)測(cè)等水利水電工程的應(yīng)用創(chuàng)造了極為良好的條件。
2、 GPS一機(jī)多天線方法
GPS 一機(jī)多天線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如圖1所示，它是將無線電通訊的微波開關(guān)技術(shù)與計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，僅用一部GPS接收機(jī)同時(shí)互不干擾的接收到8個(gè)GPS天線傳輸來的信號(hào)。實(shí)現(xiàn)這一思路的關(guān)鍵是開發(fā)GPS 一機(jī)多天線控制器，需要解決的技術(shù)問題是確保多天線控制器微波開關(guān)中各通道的高隔離度和最大限度地減少GPS信號(hào)衰減。
圖1 GPS一機(jī)多天線方法示意圖
GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)中要解決的另一個(gè)關(guān)鍵問題是GPS天線信號(hào)的傳輸。由于監(jiān)測(cè)的范圍比較廣，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的距離可能很遠(yuǎn)，天線信號(hào)傳輸至控制器時(shí)將不可避免地產(chǎn)生GPS信號(hào)衰減過大的問題。根據(jù)我們的測(cè)定，當(dāng)電纜傳輸距離超過
1、 基于GPS一機(jī)多天線技術(shù)的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
采用GPS一機(jī)多天線控制器的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖2所示,它包括下面幾個(gè)主要部分：數(shù)據(jù)處理中心,數(shù)據(jù)傳輸,GPS多天線控制器,天線陣列,基準(zhǔn)站,野外供電系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)處理中心包括微機(jī)總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理四大部分。采用Microsoft Visual C++或其它相關(guān)高級(jí)語(yǔ)言編程，具有良好的人-機(jī)界面。一旦該系統(tǒng)安裝完畢，中心可實(shí)現(xiàn)一天二十四小時(shí)監(jiān)測(cè)。技術(shù)人員不必親臨現(xiàn)場(chǎng)，只需在辦公室打開電腦，就可以實(shí)時(shí)得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，完全實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)讀取、存儲(chǔ)和發(fā)送。數(shù)據(jù)處理中心的另一個(gè)功能是安全監(jiān)控綜合分析。通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)傳輸來的GPS數(shù)據(jù)的處理、計(jì)算與綜合分析，做出預(yù)報(bào)和預(yù)測(cè)。
根據(jù)形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)際情況的不同，我們?cè)O(shè)計(jì)了四種數(shù)據(jù)傳輸方式：①電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信②無線GMS、GPRS方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信③光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)通信④組網(wǎng)方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這四種方式各有特點(diǎn)，可根據(jù)實(shí)際情況和成本靈活選擇其一。
GPS多天線變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集部分安裝在野外，工作時(shí)供電系統(tǒng)不能間斷。如果現(xiàn)場(chǎng)不能提供220V的電源，我們?cè)O(shè)計(jì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。正常工作時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)所發(fā)的電直接給一個(gè)蓄電池充電，保證變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)電力供應(yīng)。
1、 GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)在工程形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用
⑴小浪底大壩變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)
圖3 GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)網(wǎng)布局
觀測(cè)試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行了兩天，將傳統(tǒng)的GPS監(jiān)測(cè)方法和采用GPS一機(jī)多天線的監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了完整的對(duì)比性試驗(yàn)。表1和表2分別表示一個(gè)時(shí)段的基線和測(cè)點(diǎn)位置的解算結(jié)果。表中的解算結(jié)果表明，GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與常規(guī)GPS監(jiān)測(cè)方法精度相當(dāng)，誤差在1－
表1 基線解算結(jié)果比較
|
基線向量 |
GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè) |
GPS常規(guī)監(jiān)測(cè) |
||
|
基線解算結(jié)果 （米） |
RMS （米） |
基線解算結(jié)果 （米） |
RMS （米） |
|
|
0004-0047 |
21.579 |
0.000 |
21.575 |
0.001 |
|
0004-0021 |
37.515 |
0.001 |
37.515 |
0.001 |
|
0004-0003 |
34.558 |
0.002 |
34.558 |
0.003 |
|
0004-0019 |
143.375 |
0.001 |
143.373 |
0.002 |
|
0003-0019 |
152.693 |
0.002 |
152.692 |
0.002 |
|
0021-0019 |
120.180 |
0.001 |
120.178 |
0.001 |
|
0004-0049 |
139.102 |
0.001 |
－ |
－ |
|
0003-0049 |
126.923 |
0.003 |
－ |
－ |
|
0021-0049 |
159.147 |
0.002 |
－ |
－ |
|
0049-0047 |
122.514 |
0.000 |
－ |
－ |
表2 點(diǎn)位平差結(jié)果比較
|
點(diǎn)號(hào) |
坐標(biāo) 分量 |
GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè) |
GPS常規(guī)監(jiān)測(cè) |
||
|
點(diǎn)位平差結(jié)果 （米） |
RMS （米） |
點(diǎn)位平差結(jié)果 （米） |
RMS （米） |
||
|
47 |
X |
4357.160 |
0.001 |
4357.157 |
0.001 |
|
Y |
1792.533 |
0.001 |
1792.531 |
0.001 |
|
|
21 |
X |
4317.561 |
0.001 |
4317.559 |
0.001 |
|
Y |
1793.782 |
0.001 |
1793.783 |
0.001 |
|
|
4 |
X |
4348.580 |
0.001 |
4348.579 |
0.001 |
|
Y |
1772.820 |
0.001 |
1772.820 |
0.001 |
|
|
49 |
X |
4469.163 |
0.001 |
－ |
－ |
|
Y |
1842.151 |
0.002 |
－ |
－ |
|
注：“－”為未觀測(cè)
⑵東江大壩變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)
東江大壩安全監(jiān)測(cè)網(wǎng)由大、小東江壩面監(jiān)測(cè)點(diǎn)、兩岸山體滑坡監(jiān)測(cè)點(diǎn)和兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)構(gòu)成。壩區(qū)四周山體陡峭, 整個(gè)大壩位于Ｖ型峽谷之間，壩區(qū)觀測(cè)條件不理想，尤其是小東江壩區(qū)的滑坡峽谷一側(cè)樹木濃密，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)條件極不理想。針對(duì)以上情況, 我們采用圖4的基線布局來測(cè)定GPS多天線系統(tǒng)定位精度。其中Djs 3為基準(zhǔn)站，其余各點(diǎn)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)。而且每
個(gè)時(shí)段靜態(tài)觀測(cè)3小時(shí)以上，以滿足所需的精度要求。
Djs 3 Xdj 4 3 Xdj 3 3 Xdj 1 3 圖4 東江大壩試驗(yàn)基線布局
表3 基線解算結(jié)果比較
|
內(nèi) 容 |
Djs3 ~ Xdj4 (m) |
Djs3 ~ Xdj3 (m) |
Djs3 ~ Xdj1 (m) |
|
由坐標(biāo)推算出的理論長(zhǎng)度 |
345.0879 |
358.3914 |
399.7825 |
|
實(shí)際觀測(cè)解算的基線長(zhǎng)度 |
345.0820 |
358.3930 |
399.78270 |
⑶浦東新區(qū)海堤防汛墻位移監(jiān)測(cè)試驗(yàn)
大壩斷面 圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及GPS多天線系統(tǒng)天線組示意圖
實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了3個(gè)小時(shí)，進(jìn)行了4輪回試驗(yàn)，考慮在觀測(cè)過程中衛(wèi)星分布狀況的變化和外界條件的干擾，最后的解算結(jié)果取平均值，這樣可以保證解算結(jié)果的可靠性。圖6顯示了基線布局，結(jié)果如表4所示。
表4 基線已知值和解算均值的比較
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基線向量 |
已知值（m） |
解算均值(m) |
差值(mm) |
|
O - B |
4.221 |
4.225 |
+4 |
|
O - A |
7.884 |
7.885 |
+1 |
|
O - C |
12.319 |
12.323 |
+4 |
⑷天荒坪電站GPS變形監(jiān)測(cè)試驗(yàn)
天荒坪電站的形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括上水庫(kù)、下水庫(kù)二部分。我們首先對(duì)天荒坪電站上水庫(kù)進(jìn)行的GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)精度研究，得到了一些有益結(jié)論：①觀測(cè)時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí)，觀測(cè)精度基本能達(dá)到監(jiān)測(cè)的要求；②采用GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，GPS觀測(cè)中誤差在
我們?cè)谔旎钠弘娬镜纳纤畮?kù)大壩上進(jìn)行了GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)形變監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。取TS07作為基準(zhǔn)點(diǎn)，TPZ8、PZ10、PZ11為觀測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。
基準(zhǔn)點(diǎn)TS07 監(jiān)測(cè)點(diǎn)TPZ8 監(jiān)測(cè)點(diǎn)PZ10 監(jiān)測(cè)點(diǎn)PZ11 圖7 天荒坪電站GPS多天線監(jiān)測(cè)基線示意圖
表5列出了天荒坪GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)基線解算結(jié)果。
表5 GPS多天線方法基線解算結(jié)果
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基線向量 |
基線長(zhǎng)（m） |
中誤差（m） |
|
TS07 - TPZ8 |
457.818 |
0.003 |
|
TS07 - PZ10 |
357.252 |
0.002 |
|
TS07 - PZ11 |
306.797 |
0.002 |
5、 結(jié)論
根據(jù)我們?cè)谛±说状髩巍|江大壩、浦東新區(qū)海堤、天荒坪抽水蓄能電站等地進(jìn)行的試驗(yàn)結(jié)果表明，GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：⑴開發(fā)的GPS一機(jī)多天線控制器，使得一臺(tái)GPS接收機(jī)能接收并處理8個(gè)GPS天線的傳來的信號(hào)，并且確保多天線控制器中微波開關(guān)各通道的高隔離度和最大限度地減少GPS信號(hào)衰減；（2）實(shí)現(xiàn)2
采用GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了用一個(gè)天線代替一臺(tái)高精度GPS接收機(jī)，從而可以10倍、20倍地降低GPS在大規(guī)模工程形變監(jiān)測(cè)中的系統(tǒng)成本，并確保監(jiān)測(cè)的定位精度。此外，靈活的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案還十分便于系統(tǒng)的更新和升級(jí)。GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還可應(yīng)用到大型建筑物（高樓、特大橋梁）的安全監(jiān)測(cè)和山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治。
