gps一機多天線技術(shù)在大壩

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1、GPS一機多天線技術(shù)在大壩、邊坡形變監(jiān)測中的應(yīng)用何秀鳳(河海大學(xué)衛(wèi)星及空間信息應(yīng)用研究所,南京,210098)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和優(yōu)越性。它不受天氣的干擾，點位間不需通視，容易實施長距離的精確定位。此外，GPS可以進行實時測量，具備良好的自動化和集成化性能，特別適用于動、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

2、衛(wèi)星信號的接收受到限制，造成人們對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)，對促進我國水利水電事業(yè)的發(fā)展將有很重要的意義。GPS一機多天線技術(shù)研究是針對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，

3、如果每個監(jiān)測點上都安放高精度GPS接收機，尤其是當監(jiān)測點很多時，會導(dǎo)致監(jiān)測系統(tǒng)的成本十分昂貴?；谶@個問題，我們采用GPS一機多天線技術(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接收機互不干擾地接收到多個GPS天線傳輸來的信號，實現(xiàn)用一個天線代替一臺高精度GPS接收機，這樣監(jiān)測系統(tǒng)的成本可大幅度下降。本項研究成果為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一機多天線方法GPS一機多天線控制系統(tǒng)的設(shè)計思路如圖1所示，它是將無線電通訊的微波開關(guān)技術(shù)

4、與計算機實時控制技術(shù)有機的結(jié)合，僅用一部GPS接收機同時互不干擾的接收到8個GPS天線傳輸來的信號。實現(xiàn)這一思路的關(guān)鍵是開發(fā)GPS一機多天線控制器，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信號衰減。7圖1GPS一機多天線方法示意圖GPS一機多天線系統(tǒng)中要解決的另一個關(guān)鍵問題是GPS天線信號的傳輸。由于監(jiān)測的范圍比較廣，各監(jiān)測點之間的距離可能很遠，天線信號傳輸至控制器時將不可避免地產(chǎn)生GPS信號衰減過大的問題。根據(jù)我們的測定，當電纜傳輸距離超過30米時，信號的損失已經(jīng)

5、相當大。要解決這個問題，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；另一方面也可進行適當?shù)男盘栐鰪?，為此我們專門研制了相應(yīng)的GPS信號低噪聲放大器，取得了良好的效果。1、基于GPS一機多天線技術(shù)的變形監(jiān)測系統(tǒng)采用GPS一機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,基準站,野外供電系統(tǒng)。圖2GPS一機多天線變形監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖7數(shù)據(jù)處理中心包括微機總控、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)管理四大部分。采用MicrosoftVisualC

6、++或其它相關(guān)高級語言編程，具有良好的人-機界面。一旦該系統(tǒng)安裝完畢，中心可實現(xiàn)一天二十四小時監(jiān)測。技術(shù)人員不必親臨現(xiàn)場，只需在辦公室打開電腦，就可以實時得到監(jiān)測數(shù)據(jù)，完全實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動讀取、存儲和發(fā)送。數(shù)據(jù)處理中心的另一個功能是安全監(jiān)控綜合分析。通過對現(xiàn)場傳輸來的GPS數(shù)據(jù)的處理、計算與綜合分析，做出預(yù)報和預(yù)測。根據(jù)形變監(jiān)測系統(tǒng)實際情況的不同，我們設(shè)計了四種數(shù)據(jù)傳輸方式：①電話線進行數(shù)據(jù)通信②無線GMS、GPRS方式進行數(shù)據(jù)通信③光纖進行數(shù)據(jù)通信④組網(wǎng)方式進行數(shù)據(jù)通信。這四種方式各有特點，可根據(jù)實際情況

7、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，工作時供電系統(tǒng)不能間斷。如果現(xiàn)場不能提供220V的電源，我們設(shè)計風(fēng)力發(fā)電機和太陽能供電系統(tǒng)。正常工作時，風(fēng)力發(fā)電機和太陽能發(fā)電機所發(fā)的電直接給一個蓄電池充電，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)測試驗圖3GPS一機多天線監(jiān)測網(wǎng)布局我們在小浪底大壩主壩上選擇了其中一條測線，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GP

8、S基準站設(shè)在附近永久觀測點上。監(jiān)測點和基準站組成的GPS監(jiān)測網(wǎng)如圖3所示。觀測試驗持續(xù)進行了兩天，將傳統(tǒng)的GPS監(jiān)測方法和采用GPS一機多天線的監(jiān)測方法進行了完整的對比性試驗。表1和表2分別表示一個時段的基線和測點位置的解算結(jié)果。表中的解算結(jié)果表明，GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)與常規(guī)GPS監(jiān)測方法精度相當，誤差在1－3mm。7表1基線解算結(jié)果比較基線向量GPS一機多天線監(jiān)測GPS常規(guī)監(jiān)測基線解算結(jié)果（米