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1、 概述

GPS衛(wèi)星定位技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測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)施長距離的精確定位。此外，GPS可以進(jìn)行實(shí)時(shí)測量，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)測和滿足較大工程區(qū)域內(nèi)現(xiàn)代施工所需的復(fù)雜測量工作。近年來GPS以其特有的優(yōu)勢在形變監(jiān)測和精密工程測量領(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)測中，受GPS定位精度和監(jiān)測系統(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，研究適合我國國情的大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)和滑坡等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測防治系統(tǒng)，對(duì)促進(jìn)我國水利水電事業(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)測中，如果每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上都安放高精度GPS接收機(jī)，尤其是當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)很多時(shí)，會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測系統(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、山體滑坡監(jiān)測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)測的范圍比較廣，各監(jiān)測點(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)我們的測定，當(dāng)電纜傳輸距離超過30米時(shí)，信號(hào)的損失已經(jīng)相當(dāng)大。要解決這個(gè)問題，一方面應(yīng)提高傳輸介質(zhì)的性能，如采用低損耗電纜或者光纖傳輸；另一方面也可進(jìn)行適當(dāng)?shù)男盘?hào)增強(qiáng)，為此我們專門研制了相應(yīng)的GPS信號(hào)低噪聲放大器，取得了良好的效果。

1、 基于GPS一機(jī)多天線技術(shù)的變形監(jiān)測系統(tǒng)

采用GPS一機(jī)多天線控制器的變形監(jiān)測系統(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。技術(shù)人員不必親臨現(xiàn)場，只需在辦公室打開電腦，就可以實(shí)時(shí)得到監(jiān)測數(shù)據(jù)，完全實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(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。

根據(jù)形變監(jiān)測系統(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)和太陽能供電系統(tǒng)。正常工作時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)和太陽能發(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)測中的應(yīng)用

⑴小浪底大壩變形監(jiān)測試驗(yàn)

圖3   GPS一機(jī)多天線監(jiān)測網(wǎng)布局

我們?cè)谛±说状髩沃鲏紊线x擇了其中一條測線，來布置GPS多天線控制器連接方案： GPS天線安裝在各監(jiān)測點(diǎn)的觀測墩上，各天線通過電纜連接多天線控制器。監(jiān)測網(wǎng)的GPS基準(zhǔn)站設(shè)在附近永久觀測點(diǎn)上。監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)站組成的GPS監(jiān)測網(wǎng)如圖3所示。

觀測試驗(yàn)持續(xù)進(jìn)行了兩天，將傳統(tǒng)的GPS監(jiān)測方法和采用GPS一機(jī)多天線的監(jiān)測方法進(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)測系統(tǒng)與常規(guī)GPS監(jiān)測方法精度相當(dāng)，誤差在1－3 mm。

 

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		GPS常規(guī)監(jiān)測
	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		GPS常規(guī)監(jiān)測
		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

⑵東江大壩變形監(jiān)測試驗(yàn)

東江大壩安全監(jiān)測網(wǎng)由大、小東江壩面監(jiān)測點(diǎn)、兩岸山體滑坡監(jiān)測點(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)測點(diǎn)的觀測條件極不理想。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)測點(diǎn)。而且每

個(gè)時(shí)段靜態(tài)觀測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

本試驗(yàn)中有部分觀測點(diǎn)因山體、樹木遮擋而出現(xiàn)周跳過多, 這樣難以確定GPS整周模糊度。為了準(zhǔn)確地進(jìn)行點(diǎn)位三維坐標(biāo)的解算，在現(xiàn)有的觀測條件下，基線解算前進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，保證基線具有較高的精度。表3列出了基線解算結(jié)果。

 

表3    基線解算結(jié)果比較

基 線     內(nèi) 容	Djs3 ~ Xdj4 (m)	Djs3 ~ Xdj3 (m)	Djs3 ~ Xdj1 (m)
由坐標(biāo)推算出的理論長度	345.0879	358.3914	399.7825
實(shí)際觀測解算的基線長度	345.0820	358.3930	399.78270

 

⑶浦東新區(qū)海堤防汛墻位移監(jiān)測試驗(yàn)

大壩斷面

圖5     試驗(yàn)現(xiàn)場及GPS多天線系統(tǒng)天線組示意圖

浦東海塘GPS位移監(jiān)測系統(tǒng)一期工程選擇了位于三甲港海濱浴場和向陽圩碼頭附近的兩處進(jìn)行監(jiān)測。GPS基準(zhǔn)站選在海塘大堤的張家浜控制點(diǎn)，在大堤斷面選取3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)并精確丈量距離。根據(jù)海塘大壩段面的特點(diǎn)， GPS天線分別安裝在不同的位置，如圖5所示。

實(shí)驗(yàn)觀測了3個(gè)小時(shí)，進(jìn)行了4輪回試驗(yàn)，考慮在觀測過程中衛(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

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)測試驗(yàn)

天荒坪電站的形變監(jiān)測系統(tǒng)包括上水庫、下水庫二部分。我們首先對(duì)天荒坪電站上水庫進(jìn)行的GPS監(jiān)測網(wǎng)精度研究，得到了一些有益結(jié)論：①觀測時(shí)間達(dá)到45分鐘時(shí)，觀測精度基本能達(dá)到監(jiān)測的要求；②采用GPS監(jiān)測網(wǎng)，GPS觀測中誤差在3毫米左右；③在觀測條件較好的測點(diǎn)上，兩種接收機(jī)的效果相當(dāng)；但在觀測條件較差的測點(diǎn)上，雙頻機(jī)比單頻機(jī)的效果好。

我們?cè)谔旎钠弘娬镜纳纤畮齑髩紊线M(jìn)行了GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)形變監(jiān)測試驗(yàn)。取TS07作為基準(zhǔn)點(diǎn)，TPZ8、PZ10、PZ11為觀測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖7所示。

基準(zhǔn)點(diǎn)TS07

監(jiān)測點(diǎn)TPZ8

監(jiān)測點(diǎn)PZ10

監(jiān)測點(diǎn)PZ11

圖7   天荒坪電站GPS多天線監(jiān)測基線示意圖

我們利用自行開發(fā)的軟件分割和組合GPS觀測數(shù)據(jù)，將切割后合并的O文件以及其對(duì)應(yīng)的N文件一起進(jìn)行基線解算，并且在解算過程中考慮剔除GDOP不好的衛(wèi)星。

 

表5列出了天荒坪GPS一機(jī)多天線監(jiān)測基線解算結(jié)果。

表5  GPS多天線方法基線解算結(jié)果

基線向量	基線長（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�東江大壩、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)2-3毫米的定位精度。

采用GPS一機(jī)多天線監(jiān)測系統(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)測中的系統(tǒng)成本，并確保監(jiān)測的定位精度。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)測和山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測與防治。