GPS在變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用PPT總結(jié)(37頁)

1、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

2、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5-1 GPS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5-3 GPS工作衛(wèi)星圖5-2 GPS衛(wèi)星星座圖5-4 GPS地面監(jiān)控系統(tǒng)分布圖圖5-5 GPS接收機(jī)5.2 GPS定位基本原理略5.3 GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù)基本原理實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)（RTK）測(cè)量系統(tǒng)，是GPS測(cè)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(cè)量技術(shù)發(fā)展中的一個(gè)新的突破。RTK測(cè)

3、量技術(shù)，是以載波相位為根據(jù)的實(shí)時(shí)差分GPS（RTD GPS）測(cè)量技術(shù)。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量的基本思想是，在基準(zhǔn)站上安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，對(duì)所有可見GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，并將其觀測(cè)數(shù)據(jù)通過無線電傳輸設(shè)備，接收基準(zhǔn)站傳輸?shù)挠^測(cè)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)相對(duì)定位的原理，實(shí)時(shí)地計(jì)算并顯示用戶站的三維坐標(biāo)及其精度。 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)。GPS RTK實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是由GPS基準(zhǔn)站、GPS監(jiān)測(cè)站、光纖通信鏈路和數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)中心等部分組成，而數(shù)據(jù)處理與監(jiān)測(cè)中心主要由工作站、服務(wù)器和局域網(wǎng)組成?；鶞?zhǔn)站將接收到的衛(wèi)星差分信息經(jīng)過光纖實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)測(cè)站，監(jiān)測(cè)站接收衛(wèi)星

4、信號(hào)及GPS基準(zhǔn)站信息，進(jìn)行實(shí)時(shí)差分后，可實(shí)時(shí)測(cè)得站點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。 基準(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5-7 GPS實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成系統(tǒng)各個(gè)部分功能(1) GPS基準(zhǔn)站。輸出差分信號(hào)和原始數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)站應(yīng)設(shè)在測(cè)區(qū)內(nèi)地勢(shì)較高，視野開闊，且坐標(biāo)已知的點(diǎn)上。(2) GPS監(jiān)測(cè)站。輸出RTK 差分結(jié)果和原始數(shù)據(jù)。(3) 工控機(jī)。采集GPS 流動(dòng)站的原始數(shù)據(jù)和RTK差分結(jié)果，向GPS 流動(dòng)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(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)，處理工控機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)供工作站顯示和分析。(5) 遠(yuǎn)程控制器。遠(yuǎn)程啟動(dòng)和復(fù)位GPS 監(jiān)測(cè)站。(6) 共享、分配器

5、。把差分信號(hào)由1路分成多路，每路差分信號(hào)和對(duì)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(kù)存取和文件操作的通道。基準(zhǔn)站光 纖共享、分配光 纖流動(dòng)站圖5-8 GPS差分信號(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5-10 RTK數(shù)據(jù)、原始數(shù)據(jù)流程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)(1) 由于GPS 是接收衛(wèi)星信號(hào)來進(jìn)行定位，所以各監(jiān)測(cè)點(diǎn)只要能接收5顆以上GPS衛(wèi)星及基準(zhǔn)站傳來的GPS差分信號(hào)，即可進(jìn)行GPS RTK差分定位。各監(jiān)測(cè)站之間無需通視，是相互獨(dú)立的觀測(cè)

6、值；(2) GPS可以實(shí)現(xiàn)全天候定位，可以在暴風(fēng)雨中進(jìn)行監(jiān)測(cè)；(3) GPS測(cè)定位移自動(dòng)化程度高。從接收信號(hào)，捕捉衛(wèi)星，到完成RTK差分位移都可由儀器自動(dòng)完成。所測(cè)三維坐標(biāo)可直接存入監(jiān)控中心服務(wù)器，并進(jìn)行安全性分析；(4) GPS定位速度快、精度高。GPS RTK 最快可達(dá)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(jī)多天線監(jiān)測(cè)技術(shù) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則(1) 先進(jìn)性。即選用的儀器設(shè)備性能應(yīng)是當(dāng)今世界上最先進(jìn)的。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)先進(jìn)，反應(yīng)速度快，監(jiān)測(cè)精度必須達(dá)到相應(yīng)的國(guó)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

7、率低；數(shù)據(jù)處理、分析結(jié)果必須準(zhǔn)確；整個(gè)系統(tǒng)故障率低。(3) 自動(dòng)化。即從數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)椒治觥@示、打印、報(bào)警等實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。(4) 易維護(hù)。即系統(tǒng)中各監(jiān)測(cè)單元互相獨(dú)立，并行工作。系統(tǒng)采取開放式模塊結(jié)構(gòu)，便于增加、更新、擴(kuò)充、維護(hù)。(5) 經(jīng)濟(jì)性。即在保證先進(jìn)、可靠、自動(dòng)化程度高的前提下，采取各種有效方法，力求功效高、成本低。多天線控制器天 線 組GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)處理 中心GPS一機(jī)多天線接收單元 GPS一機(jī)多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成在不改變已有GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過一個(gè)附加的GPS信號(hào)分時(shí)器連接開關(guān)將多個(gè)天線陣列與同一臺(tái)接收機(jī)連接；通過這樣一個(gè)GPS多天線轉(zhuǎn)換開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)一臺(tái)接收機(jī)與多個(gè)天

8、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、多天線控制器和野外供電系統(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(kù)報(bào) 告變形分析模型圖5-11 GPS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對(duì)GPS多天線控制器微波開關(guān)各信號(hào)通道進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，包括各通道的開關(guān)的選擇，各通道的時(shí)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(duì)采集數(shù)據(jù)的傳送方式（實(shí)時(shí)或事后）進(jìn)行控制，并將由現(xiàn)場(chǎng)傳來的GPS原始數(shù)據(jù)，通過相關(guān)的數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)精確定位。數(shù)據(jù)通訊(1）利用電話線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于有現(xiàn)成的電話線，只需購(gòu)置相關(guān)的調(diào)制解調(diào)器即可。該通訊方

9、式成本較低，傳輸距離不受限制，實(shí)時(shí)性可以保證，工作時(shí)，由于占用電話網(wǎng)費(fèi)用較高，有些場(chǎng)合可以考慮使用內(nèi)部小總機(jī)分機(jī)方式進(jìn)行通信。(2）利用無線方式進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，方便、可靠、通用性強(qiáng)，不需購(gòu)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(shí)，實(shí)時(shí)性可能難以保證。 GPS多天線控制器多天線控制器包括計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)和大地測(cè)量數(shù)據(jù)處理理論及算法的有機(jī)結(jié)合，僅用

10、1臺(tái)GPS接收機(jī)互不干擾地接收多個(gè)GPS天線傳輸來的信號(hào)，通過軟件處理實(shí)現(xiàn)精確定位。 GPS一機(jī)多天線控制器 野外供電系統(tǒng)由于GPS多天線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作在野外，需要長(zhǎng)時(shí)間工作并且不能間斷，實(shí)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(jì)有電源供電檢測(cè)系統(tǒng)，當(dāng)檢測(cè)到電源電壓不足時(shí)，給CPU發(fā)出警告，CPU會(huì)立即進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)保存處理。 隔河巖大壩外觀變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 工程概況隔河巖水電站總裝機(jī)容量為120萬kw，年發(fā)電30.4億kw.h，水庫(kù)正常蓄水位為200m，總庫(kù)容量為34億m3，是清江三個(gè)梯級(jí)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(duì)于緩解華中地區(qū)的

11、電力緊張狀況，保證華中電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行；對(duì)于消除清江中下游的洪澇災(zāi)害，避免清江洪峰與長(zhǎng)江洪峰相遇以減輕長(zhǎng)江荊江段及下游的防洪壓力；對(duì)于打通清江航道，為鄂西山區(qū)提供便捷的交通動(dòng)脈，促進(jìn)商品流通和資源開發(fā)；對(duì)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(zhǎng)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(fù)雜。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)大壩變形GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)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(gè)部分組成的。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理、分析、管理采用

12、局域網(wǎng)絡(luò)來完成。大壩外部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集工作是在GPSlGPS7這7個(gè)GPS站上進(jìn)行的。其中GPSl和GPS2為位于兩岸的基淮點(diǎn)，GPS3GPS7為位于大壩上的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。 數(shù)據(jù)傳輸及時(shí)準(zhǔn)確地傳輸觀測(cè)資料及有關(guān)信息是建立GPS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。壩面工控機(jī)通過RS-232多串口遠(yuǎn)距離通訊方式將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的接收機(jī)面板信息實(shí)時(shí)傳送到總控室，同時(shí)又通過多路開關(guān)方式，按總控室所設(shè)置的時(shí)間間隔定時(shí)將上述各臺(tái)接收機(jī)所采集到的數(shù)據(jù)(觀測(cè)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(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有重要作用，是整個(gè)系統(tǒng)能自動(dòng)運(yùn)行的關(guān)鍵。主要由總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)庫(kù)管理等四個(gè)模塊組成?？偪厥钦麄€(gè)系統(tǒng)中各模塊的數(shù)據(jù)交換中心，也是系統(tǒng)的主要用戶接口。數(shù)據(jù)處理模塊的主要功能是：時(shí)段自動(dòng)定義與選取；自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；對(duì)成果可靠性進(jìn)行判斷；對(duì)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤進(jìn)行控制和處理，保存結(jié)果和清理數(shù)據(jù)。變形分析模塊部分在PC機(jī)上運(yùn)行，部分在工作站上運(yùn)行。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模