2023/7/161變形監測與數據處理第八章

GPS在變形監測中的應用2023/7/162主要內容概述GPS定位基本原理GPS實時監測技術GPS一機多天線監測技術第八章GPS在變形監測中的應用2023/7/163§1概述第八章GPS在變形監測中的應用2023/7/164全球定位系統(GPS)作為20世紀一項高新技術，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點，因而獲得了廣泛應用。目前，GPS精密定位技術已經廣泛地滲透到經濟建設和科學技術的許多領域，對經典大地測量學的各個方面產生了極其深刻的影響。它在大地測量學及其相關學科領域，如地球動力學、海洋大地測量、地球物理探測、資源勘探、航空與衛星遙感、工程變形監測、運動目標的測速以及精密時間傳遞等方面的廣泛應用，充分顯示了衛星定位技術的高精度與高效益。GPS定位系統第1節概述2023/7/165GPS定位系統的組成GPS定位系統實現了全球覆蓋、全天候、高精度、實時連續定位。它由GPS衛星組成的空間部分、若干個地面監控站組成的地面監控系統和以接收機為主體的用戶定位設備三部分組成。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。第1節概述2023/7/166空間部分地面監控部分用戶設備部分GPS定位系統的組成第1節概述2023/7/167GPS衛星星座第1節概述2023/7/168GPS工作衛星第1節概述2023/7/169GPS地面監控系統分布圖第1節概述2023/7/1610GPS接收機第1節概述2023/7/1611§2

GPS定位基本原理第八章GPS在變形監測中的應用2023/7/1612§3

GPS實時監測技術第八章GPS在變形監測中的應用2023/7/16132023/7/1614基本原理實時動態（RTK）測量系統，是GPS測量技術與數據傳輸技術相結合而構成的組合系統。它是GPS測量技術發展中的一個新的突破。RTK測量技術，是以載波相位為根據的實時差分GPS（RTDGPS）測量技術。實時動態測量的基本思想是，在基準站上安置一臺GPS接收機，對所有可見GPS衛星進行連續觀測，并將其觀測數據通過無線電傳輸設備，接收基準站傳輸的觀測數據，然后根據相對定位的原理，實時地計算并顯示用戶站的三維坐標及其精度。第3節GPS實時監測技術2023/7/1615實時監測系統的構成清華大學已成功將GPSRTK技術應用于虎門大橋的實時安全監測。GPSRTK實時監測系統主要是由GPS基準站、GPS監測站、光纖通信鏈路和數據處理與監測中心等部分組成，而數據處理與監測中心主要由工作站、服務器和局域網組成。基準站將接收到的衛星差分信息經過光纖實時傳遞到監測站，監測站接收衛星信號及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。

第3節GPS實時監測技術2023/7/1616基準站監測站監測站數據處理與監測中心光纖通訊GPS衛星GPS實時監測系統的構成第3節GPS實時監測技術2023/7/1617系統各個部分功能(1)GPS基準站。輸出差分信號和原始數據，基準站應設在測區內地勢較高，視野開闊，且坐標已知的點上。(2)GPS監測站。輸出RTK差分結果和原始數據。(3)工控機。采集GPS流動站的原始數據和RTK差分結果，向GPS流動站發送控制命令。通過切換開關控制共享、分配器的工作。(4)服務器。運行數據庫，處理工控機發送來的數據供工作站顯示和分析。(5)遠程控制器。遠程啟動和復位GPS監測站。(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的控制命令通過切換開關共享一路。(7)局域網。網絡包括調制解調器、光纖、集線器和網線等，提供數據庫存取和文件操作的通道。第3節GPS實時監測技術2023/7/1618基準站光纖共享、分配光纖流動站GPS差分信號流程第3節GPS實時監測技術2023/7/1619工作站網絡工控機共享器GPS接收機控制命令流程第3節GPS實時監測技術2023/7/1620GPS接收機工控機接收、處理原始數據網絡網絡原始數據服務器分析工作站RTK數據、原始數據流程第3節GPS實時監測技術2023/7/1621實時監測的特點(1)由于GPS是接收衛星信號來進行定位，所以各監測點只要能接收5顆以上GPS衛星及基準站傳來的GPS差分信號，即可進行GPSRTK差分定位。各監測站之間無需通視，是相互獨立的觀測值；(2)GPS可以實現全天候定位，可以在暴風雨中進行監測；(3)GPS測定位移自動化程度高。從接收信號，捕捉衛星，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控中心服務器，并進行安全性分析；(4)GPS定位速度快、精度高。GPSRTK最快可達10～20Hz速率輸出定位結果，定位精度平面為±10mm，高程為±20mm。第3節GPS實時監測技術2023/7/1622§4

GPS一機多天線監測技術

第八章GPS在變形監測中的應用2023/7/1623系統設計原則(1)先進性。即選用的儀器設備性能應是當今世界上最先進的。系統結構先進，反應速度快，監測精度必須達到相應的國家規范要求。(2)可靠性。即系統采集的GPS原始數據必須完善、正確；數據傳輸網絡結構可靠，傳輸誤碼率低；數據處理、分析結果必須準確；整個系統故障率低。(3)自動化。即從數據采集、傳輸到分析、顯示、打印、報警等實現全自動化。(4)易維護。即系統中各監測單元互相獨立，并行工作。系統采取開放式模塊結構，便于增加、更新、擴充、維護。(5)經濟性。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。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1624多天線控制器天線組GPS接收機數據處理中心GPS一機多天線接收單元第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1625GPS一機多天線監測系統的組成在不改變已有GPS接收機結構的基礎上，通過一個附加的GPS信號分時器連接開關將多個天線陣列與同一臺接收機連接；通過這樣一個GPS多天線轉換開關可以實現一臺接收機與多個天線相連，通過GPS數據處理后同樣可以獲得變形體的形變規律；該系統包括控制中心、數據通信、多天線控制器和野外供電系統等4部分組成。

第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1626多用轉換開關基準站接收機監測站接收機數據處理中心數據庫報告變形分析模型GPS一機多天線監測系統的構成第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1627控制中心控制中心可以對GPS多天線控制器微波開關各信號通道進行參數設定，包括各通道的開關的選擇，各通道的時間參數設定等，還可以設定系統的工作方式，例如對采集數據的傳送方式（實時或事后）進行控制，并將由現場傳來的GPS原始數據，通過相關的數據處理，實現精確定位。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1628數據通訊(1）利用電話線進行數據通信，由于有現成的電話線，只需購置相關的調制解調器即可。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，由于占用電話網費用較高，有些場合可以考慮使用內部小總機分機方式進行通信。(2）利用無線方式進行數據通信，如利用現有的GSM信道。(3）組網方式。構成局域網，從而可以利用網上的相關資源進行數據通信，這種方式進行數據通信時，方便、可靠、通用性強，不需購置專用設備，但組網成本較高，如果不是具備現成的網絡條件，不太適宜采用，數據傳送時，實時性可能難以保證。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1629GPS多天線控制器多天線控制器包括計算機系統、天線開關陣列和控制電路，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技術、計算機實時控制技術和大地測量數據處理理論及算法的有機結合，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，通過軟件處理實現精確定位。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1630GPS一機多天線控制器第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1631野外供電系統由于GPS多天線監測系統工作在野外，需要長時間工作并且不能間斷，實際系統中，為防備電源斷電而引起數據丟失，在電路控制板上設計有電源供電檢測系統，當檢測到電源電壓不足時，給CPU發出警告，CPU會立即進行相關的數據保存處理。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1632第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1633隔河巖大壩外觀變形

GPS自動化監測系統

第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1634工程概況隔河巖水電站總裝機容量為120萬kw，年發電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重要的調峰調頻電站，它的建成對于緩解華中地區的電力緊張狀況，保證華中電網的安全穩定運行；對于消除清江中下游的洪澇災害，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，為鄂西山區提供便捷的交通動脈，促進商品流通和資源開發；對于發展清江流域的旅游事業等都具有十分重要的意義。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1635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，地形條件比較復雜。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1636監測系統的總體結構大壩變形GPS自動化監測系統是由數據采集、數據傳輸及數據處理、分析和管理三個部分組成的。整個系統的數據采集、傳輸、處理、分析、管理采用局域網絡來完成。大壩外部變形監測系統的數據采集工作是在GPSl～GPS7這7個GPS站上進行的。其中GPSl和GPS2為位于兩岸的基淮點，GPS3～GPS7為位于大壩上的變形監測點。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1637第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1638數據傳輸及時準確地傳輸觀測資料及有關信息是建立GPS自動化監測系統中的一個重要環節。壩面工控機通過RS----232多串口遠距離通訊方式將各監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方式，按總控室所設置的時間間隔定時將上述各臺接收機所采集到的數據(觀測值、衛星星歷等)傳回服務器。第4節GPS一機多天線監測技術2023/7/1639數據分析數據處理、分析、管理部分在隔河巖大壩外觀變形GPS自動化監測系統中具有重要作用，是整個系統能自動運行的關鍵。主要由總控、數據處理、數據分析和數據庫管理等四個模塊組成。總控是整個系統中各模塊的數據交換中心，也是系統的主要用戶接口。數據處理模塊的主要功能是：時段自動定義與選取；自動進行數據處理；對成果可靠性進行判斷；對運行過程中可能出現的錯誤進行控制和處理，保存結果和清理數據。變形分析模塊部分在PC機上運行，部分在工