GPS在变形监测中的应用课件

一 机 多
GPS自动化监测系统
天
线
监
测
技
术
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工程概况
4 GPS
•隔河岩水电站总装机容量为120万kw，年发电 第 30.4亿kw.h，水库正常蓄水位为200m，总库容 节 量为34亿m3，是清江三个梯级水电站之一。
•隔河岩水电站是华中电网重要的调峰调频电站，
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GPS一机多天线接收单元
4 GPS
第 节
数据处
多天线控制器
一
理 中心
GPS接收机
机
多
天
线
监
测
技
术
天线组
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GPS一机多天线监测系统的组成
4 GPS
•在不改变已有GPS接收机结构的基础上，通 第 过一个附加的GPS信号分时器连接开关将多 节 个天线阵列与同一台接收机连接；
监 主要由工作站、服务器和局域网组成。
测 技
•基准站将接收到的卫星差分信息经过光纤
术 实时传递到监测站，监测站接收卫星信号及
GPS基准站信息，进行实时差分后，可实时
测得站点的三维空间坐标。
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GPS实时监测系统的构成
第
GPS卫星
节
3 GPS
实 时 监 测 技 术
机 多
方式，例如对采集数据的传送方式
天 （实时或事后）进行控制，并将由现
线 监
场传来的GPS原始数据，通过相关的数
测 技
据处理，实现精确定位。
术
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数据通讯
(1）利用电话线进行数据通信，由于有现成的电话线， 第 只需购置相关的调制解调器即可。该通讯方式成本较
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监测系统的总体结构
4 GPS
第 •大坝变形GPS自动化监测系统是由数据采 节 集、数据传输及数据处理、分析和管理三个
部分组成的。
一 •整个系统的数据采集、传输、处理、分析、
机 多
管理采用局域网络来完成。
天 •大坝外部变形监测系统的数据采集工作是
线 监
在GPSl～GPS7这7个GPS站上进行的。其中
分组成，它是无线电通信中的微波开关技术、
计算机实时控制技术和大地测量数据处理理
一 机
论及算法的有机结合，仅用1台GPS接收机互
多 不干扰地接收多个GPS天线传输来的信号，
天 线
通过软件处理实现精确定位。
监
测
技
术
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GPS一机多天线控制器
第 节
4 GPS
一 机 多 天 线 监 测 技 术
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野外供电系统
第 由于GPS多天线监测系统工作在野外，需
4 GPS
节 要长时间工作并且不能间断，实际系统中，
为防备电源断电而引起数据丢失，在电路
一 控制板上设计有电源供电检测系统，当检
机 多
测到电源电压不足时，给CPU发出警告，
天 CPU会立即进行相关的数据保存处理。
•通过这样一个GPS多天线转换开关可以实现
一 一台接收机与多个天线相连，通过GPS数据
机 多
处理后同样可以获得变形体的形变规律；
天 线 监
•该系统包括控制中心、数据通信、多天线 控制器和野外供电系统等4部分组成。
测
技
术
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GPS一机多天线监测系统的构成
4 GPS
4 GPS
节 低，传输距离不受限制，实时性可以保证，工作时，
由于占用电话网费用较高，有些场合可以考虑使用内
一 机
部小总机分机方式进行通信。 (2）利用无线方式进行数据通信，如利用现有的GSM
多 信道。
天 线 监
(3）组网方式。构成局域网，从而可以利用网上的相 关资源进行数据通信，这种方式进行数据通信时，方
测 便、可靠、通用性强，不需购置专用设备，但组网成
技 术
本较高，如果不是具备现成的网络条件，不太适宜采 用，数据传送时，实时性可能难以保证。
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GPS多天线控制器
4 GPS
第 •多天线控制器包括计算机系统、天线开关 节 阵列和控制电路，其主要由硬件和软件两部
测 GPSl和GPS2为位于两岸的基淮点，GPS3～
技 术
GPS7为位于大坝上的变形监测点。
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4 GPS
第 节
一 机 多 天 线 监 测 技 术
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数据传输
第 •及时准确地传输观测资料及有关信息是建
•RTK测量技术，是以载波相位为根据的实时差
实 分GPS（RTD GPS）测量技术。
时 •实时动态测量的基本思想是，在基准站上安置
监 测
一台GPS接收机，对所有可见GPS卫星进行连续
技 观测，并将其观测数据通过无线电传输设备，
术 接收基准站传输的观测数据，然后根据相对定
位的原理，实时地计算并显示用户站的三维坐
标及其精度。
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实时监测系统的构成
3 GPS
第 •清华大学已成功将GPS RTK技术应用于虎 节 门大桥的实时安全监测。
•GPS RTK实时监测系统主要是由GPS基准站、
GPS监测站、光纤通信链路和数据处理与监
实 时
测中心等部分组成，而数据处理与监测中心
(7) 局域网。网络包括调制解调器、光纤、集线器和网线等，
提供数据库存取和文件操作的通道。
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GPS差分信号流程
3 GPS
第
节
基准站
实 时 监 测 技 术
光纤
共享、分配
光纤
流动站
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控制命令流程
第 节
3 GPS
7
GPS地面监控系统分布图
第 节 概 述
1
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GPS接收机
第 节 概 述
1
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GPS
第 八 章
§2 GPS定位基本原理
在 变 形 监 测 中 的 应 用
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GPS
第 八 章
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基准站
光纤通讯
监测站
监测站
数据处理与监测中心
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系统各个部分功能
(1) GPS基准站。输出差分信号和原始数据，基准站应设在 第 测区内地势较高，视野开阔，且坐标已知的点上。
3 GPS
节 (2) GPS监测站。输出RTK 差分结果和原始数据。
(3) 工控机。采集GPS 流动站的原始数据和RTK差分结果，
主要内容
第
八
章
•概述
GPS
•GPS定位基本原理
在
•GPS实时监测技术
变 形
•GPS一机多天线监测技术
监
测
中
的
应
用
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1
GPS
第 八 章
§1 概述
在 变 形 监 测 中 的 应 用
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GPS定位系统
1
第 •全球定位系统(GPS)作为20世纪一项高新技术， 节 具有速度快、全天候、自动化、测站间无需通视、
性分析；
(4) GPS定位速度快、精度高。GPS RTK 最快可达
10～20Hz速率输出定位结果，定位精度平面为
±10mm，高程为±20mm。
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GPS
第 八 章
§4
在 变 形 监 测 中 的 应 用
GPS一机多天线监测技术
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§3 GPS实时监测技术
在 变 形 监 测 中 的 应 用
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基本原理
3 GPS
•实时动态（RTK）测量系统，是GPS测量技术 第 与数据传输技术相结合而构成的组合系统。它 节 是GPS测量技术发展中的一个新的突破。
向GPS 流动站发送控制命令。通过切换开关控制共享、分
实 配器的工作。
时 (4) 服务器。运行数据库，处理工控机发送来的数据供工作
监 站显示和分析。
测 技 术
(5) 远程控制器。远程启动和复位GPS 监测站。 (6) 共享、分配器。把差分信号由1路分成多路，每路差分
信号和对应的控制命令通过切换开关共享一路。
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3
GPS定位系统的组成
1
第 •GPS定位系统实现了全球覆盖、全天候、高 节 精度、实时连续定位。
概 述
•它由GPS卫星组成的空间部分、若干个地面 监控站组成的地面监控系统和以接收机为主
体的用户定位设备三部分组成。
•三者有各自独立的功能和作用，但又是有
机地配合而缺一不可的整体系统。
第 节
一 机 基准站接收机 多 天 线 监 测 技 变形分析模型 术
数据处理中心 数据库
多用转换 开关 监测站接收机
报告
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控制中心
第 控制中心可以对GPS多天线控制器微波 节 开关各信号通道进行参数设定，包括
4 GPS
各通道的开关的选择，各通道的时间
一 参数设定等，还可以设定系统的工作
实
工作站
网络
工控机
共享器
GPS接收机
时
监
测
技
术
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RTK数据、原始数据流程
第
节
原始数据
网络
3 GPS
实 GPS接收机 时 监 测 技 术
工控机接收、处理 原始数据
服务器 网络
分析工作站
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实时监测的特点
(1) 由于GPS 是接收卫星信号来进行定位，所以各监 第 测点只要能接收5颗以上GPS卫星及基准站传来的GPS
3 GPS
节 差分信号，即可进行GPS RTK差分定位。各监测站之
间无需通视，是相互独立的观测值；
实 时
(2) GPS可以实现全天候定位，可以在暴风雨中进行 监测；
监 (3) GPS测定位移自动化程度高。从接收信号，捕捉
测 技 术
卫星，到完成RTK差分位移都可由仪器自动完成。所 测三维坐标可直接存入监控中心服务器，并进行安全
线
监
测
技
源自文库
术
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4 GPS
第 节
一 机
+5V/2.0A
多 -5V/0.5A
天 线
+12V/0.5A
监 -12V/0.5A
测
技
术
DC-DC DC-AC
风力发电和 太阳能发电
蓄电池 存储
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4 GPS
第 节
隔河岩大坝外观变形
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大坝情况
4 GPS
第 •隔河岩水电站大坝为三圆心变截面重 节 力拱坝，最大坝高151m，坝顶弧线全长
为653m，坝顶高程为206m。
一 •高程150m以下为拱坝，高程150m以
机 多
上为重力坝。
天 •坝址为凹形河谷，地形条件比较复杂。
线
监
测
技
术
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4
GPS定位系统的组成
第
空间部分
节 概 述
1
地面监控部分
用户设备部分
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GPS卫星星座
第 节 概 述
1
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GPS工作卫星
第 节 概 述
1
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一 它的建成对于缓解华中地区的电力紧张状况，
机 保证华中电网的安全稳定运行；对于消除清江
多 天
中下游的洪涝灾害，避免清江洪峰与长江洪峰
线 相遇以减轻长江荆江段及下游的防洪压力；对
监 测
于打通清江航道，为鄂西山区提供便捷的交通
技 动脉，促进商品流通和资源开发；对于发展清
术 江流域的旅游事业等都具有十分重要的意义。
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系统设计原则
(1) 先进性。即选用的仪器设备性能应是当今世界上最先 第 进的。系统结构先进，反应速度快，监测精度必须达到
4 GPS
节 相应的国家规范要求。
(2) 可靠性。即系统采集的GPS原始数据必须完善、正确；
数据传输网络结构可靠，传输误码率低；数据处理、分
一 析结果必须准确；整个系统故障率低。
可同时测定点的三位坐标及精度高等优点，因而 概 获得了广泛应用。 述 •目前，GPS精密定位技术已经广泛地渗透到经济
建设和科学技术的许多领域，对经典大地测量学 的各个方面产生了极其深刻的影响。 •它在大地测量学及其相关学科领域，如地球动力 学、海洋大地测量、地球物理探测、资源勘探、 航空与卫星遥感、工程变形监测、运动目标的测 速以及精密时间传递等方面的广泛应用，充分显 示了卫星定位技术的高精度与高效益。
机 多 天
(3) 自动化。即从数据采集、传输到分析、显示、打印、 报警等实现全自动化。
线 (4) 易维护。即系统中各监测单元互相独立，并行工作。
监 系统采取开放式模块结构，便于增加、更新、扩充、维
测 技 术
护。 (5) 经济性。即在保证先进、可靠、自动化程度高的前提
下，采取各种有效方法，力求功效高、成本低。