浅谈大坝安全自动化监测GPS系统技术

第39卷第11期水电站机电技术

Vol.39No.112016年11月

Mechanical &Electrical Technique of Hydropower Station

Nov.2016

收稿日期：2016-09-01

作者简介：徐国梁（1990-），男，助理工程师，从事水利水电工程管理工作。

浅谈大坝安全自动化监测GPS 系统技术

徐国梁

（嘉陵江亭子口水利水电开发有限公司，

四川苍溪628400）摘要：GPS 测量技术相对于传统的大坝检测技术，其在自动化与准确性方面存在着较高的优势。当前阶段利用GPS 对变形进行检测，是一种较为先进的手段。关键词：大坝；GPS；监测；研究

中图分类号：TV738

文献标识码：B

文章编号：1672-5387（2016）11-0048-02

DOI：10.13599/ki.11-5130.2016.11.017

0前言

全球卫星定位系统（GPS）是以卫星为基础的无线电定位系统，藉由地球轨道上的定位卫星，可无限制地提供全球具接收装备的使用者极精确的三维定位、速度及时间资料。该系统不受天气影响，并可提供全球统一的经纬度参考资料，且应用层面非常广泛，已属成熟技术；由于全球卫星定位模块大量生产的关系，低廉的价格更增加全球卫星定位计技术于边坡灾害监测应用的价值。监测系统除为累积足够监测历史资料提供后续各项学理研究发展外，亦希望可实时掌握大坝灾害发生前兆和发生时的动态反应，增加地区居民之应变时间，提供防灾应变决策数据，大幅降低灾害的发生，因此实时有效的通讯传输将是整体监测系统重要监测环节之一。

1监测使用仪器

如果需要在实际的检测过程当中采用全站仪进行检测，其必须要满足通视条件，在中小型的斜坡当中全站仪的使用较为广泛，但是在大面积的斜坡当中，由于通视条件一般较差，因此很难实现大规模的运用。通视其控制网的布置较为困难，并需要多次中转，从而造成难度较大。

对于一般的大坝来说，都需要实行定期的测量，同时在检测的过程当中需要考虑的因素较多，不仅需要考虑可行性，同时还需要控制成本与精度。在进行系统设计时，需要对最大变形发生的可能地点进行分析，并在这些地方布置控制点，从而提高准确

性。此时可考虑GPS 静态定位技术方案，可以在很大程度上提高监测的准确性。

GPS 一机多天线系统，即一个GPS 接收机与多个GPS 天线相连接，其主要构成要素包括：1.1GPS multi-antenna switch(GMS)

GPS 多天线开关实际上是一种电子开关，其可以输入多个天线中的信息，并可以通过一个频道实现输出。同时可以根据事情情况设置特定的时段，通过天线可以获得该时段内的信息，同时传输到下一个天线当中去。1.2GPS 天线和接收仪

天线与接收机之间的连接是通过GMS 电缆进行的，但是如果电缆的长度过大，则在传输的过程当中可能会造成信号的丢失或者是强度的明显减弱，在实际的监测过程当中，由于监测的范围较大，必然导致距离较远，从而在实际的传输过程当中，造成信号的严重损失。因此，电缆线若超过一定的长度则要使用GPS 低噪声信号放大器，可对其他频段的干扰信号有一定的抑制作用，也可增长传输的距离。1.3资料联结通讯

现场所测得的资料可以通过行动电话、无线电或专用的通讯网路传送至数据分析中心。资料处理与分析软件使用标准或专门的算法和软件处理及分析资料，继而得到监控点和参考站的坐标和变形状况。

2GPS接收机单双频精度差异

GPS双频接收机可以连续观测L1和L2两个频段的载波和数据码，不仅使得观测量增加，也使得因为信号传播所导致的信号误差被消除。同时，其结算的速度相对单频来说相对较高，但是这也导致了成本的增加。

分别采用单频和双频接收机做对比试验，每个检测选择4个检测点，在相邻的2d中分别在同一时段中用不同的机器进行检测。对比试验的结果显示，双频机的精度能达到2mm以内，而单频机只能达到6mm以内，由此可见，双频机的效果要明显优于单频机器。因此，在实际的检测中使用双频机的效果较好，但是对于要求并不是非常高的监测，出于节约成本的考虑，可以采用单频机进行检测。

如对某露天矿滑坡和岩移、矿震、地裂缝、局部构造滑动等监测，需要建立一套完整的监测系统时，可以选用单频接收机来进行试验。试验数据分析结论显示，在基线长度不大于10km时，单频接收机可达到毫米级的形变量精度。

某大学进行了相关的试验，试验连续进行3d，每日1次，同时每次的观测点以及基点之间的距离都逐渐增大，从而检测单频机在不同距离范围中的检测精度，在进行处理分析中采用基线以及坐标结算技术进行。实验的结果表明，在5km的范围之内采用单频机能够达到很好的效果，其精度能控制在毫米的范围之内。但是如果距离超过8km，基准站必须要要用双频接收机才能够使得精度控制在毫米之内。

3GPS多天线系统监测优点

与传统的GPS检测方法相比，多天线GPS系统，在检测点并不需要配备接收机，因此，在整个检测系统当中，双频接收机的数量会被大大减少，这就必然导致整体的成本会在很大程度上被降低，同时在总体的造价中检测点数量的增加并不会对整体造价造成一定的影响。因此，在大规模的检测中采用多天线的检测方法有着广泛的运用。虽然一机多天线的检测系统减少了硬件的数量，但是其监测的精确程度却完全没有在很大程度上降低，此外，它还使得检测点的布置更加的灵敏，并且还有利于系统的升级与维护。

如,浦东新区海塘采用GPS一机多天线系统进行监测，其地处长江入海口南岸，西临黄浦江。该海塘大坝是防御台风、潮水侵袭的防护墙。根据现场的监测结果显示，多天线控制器并不会对基线结算的残差产生影响，其精度能控制在4mm之内。完全能够满足使用的要求。

小浪底水力枢纽工程是中国一项重点工程，大坝总库容126.5亿m3，是一座以防洪、减淤为主，且兼顾发电、灌溉、供水等综合利用的水利枢纽工程。将传统的GPS监测方法与一机多天线的监测系统进行对比与分析之后可以发现，相比于传统的GPS 监测而言，GPS一机多天线系统具有较高的精度，同时其监测也维持在较为稳定的状态当中，精度约为3mm左右。

如某大坝，坝体基础高程是42m，最终堆积高程为180m，坝体堆积高度将近140m。主坝下方300m左右有居民居住，一旦溃坝即会造成重大人员伤亡。采用一机多天线GPS系统对坝体进行监测，使用GPS一机多天线控制器，以1台接收机连接8个监测点的天线，发挥了多天线系统优势，大大节约了监测成本并确保监测的定位精度。

4总结

使用Excel软件，进行回归模式的分析，并以3种不同的研究方式分析以多天线GPS系统来监测大坝。参照监测地区的雨量数据，并尝试利用回归模式来预测未来滑动状况。

第1个方式就是利用监测大坝的多天线监测资料，在降雨之后，拟合其位移速度与时间，则会呈现出一元二次方程式函数趋势。

在降雨之后，以前两个月的监测资料进行拟合，并以此函数推估其未来一个月位移量的大小。再比较推估位移量与实际位移量，以两者之间的误差，来评估此推估精度。

第2个方式是多天线系统在进行监测时，有两个时段，架设的多天线系统，因为其坐标资料的规律性不同于前面时段的坐标规律性，前往现地检查时，发现多天线监测点上的设备倒塌。事后，比较前面坐标资料整齐的时段与坐标产生规律性不一致的时段，使用线性回归的模式，求得位移速度。

第3个方式则是将多天线系统各监测点的监测资料，利用线性回归的方式，求得其各时段的位移速度。根据各监测点布设的资料，显示出越靠近边坡的监测点，其位移速度相对较大。