基于高精度北斗定位的大壩形變監(jiān)測*

吳煥瑯,蔣云鐘

(1. 福建三元達(dá)通訊股份有限公司,福州 350000；2. 中國水利水電科學(xué)研究院)

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基于高精度北斗定位的大壩形變監(jiān)測*

吳煥瑯1,蔣云鐘2

(1. 福建三元達(dá)通訊股份有限公司,福州 350000；2. 中國水利水電科學(xué)研究院)

北斗大壩形變監(jiān)測是北斗衛(wèi)星高精度定位的一種具體應(yīng)用，本文主要介紹北斗大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)處理流程，以及使用定位數(shù)據(jù)處理誤差改正模式來提高監(jiān)測精度的方法。采集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)送到數(shù)據(jù)處理中心，解算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對位移，從而達(dá)到監(jiān)測大壩形變的目的。

北斗；高精度定位；大壩形變；誤差改正

引 言

北斗大壩形變監(jiān)測主要采用北斗差分定位方式，在一個(gè)已知經(jīng)緯度等信息的基準(zhǔn)站設(shè)置高精度北斗接收機(jī)，在大壩壩體上設(shè)置的若干高精度北斗接收機(jī)等設(shè)備作為監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)觀測相同的北斗衛(wèi)星，獲取相應(yīng)的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)。采集的北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)送到數(shù)據(jù)處理中心，解算數(shù)據(jù)得到監(jiān)測點(diǎn)和基準(zhǔn)站的相對位移，從而達(dá)到監(jiān)測大壩形變的目的[1]。

1 北斗大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)組成

北斗大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)分析處理中心、遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺等構(gòu)成。

1.1 數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包括基準(zhǔn)站和監(jiān)測點(diǎn)兩部分。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)功能是：采集基準(zhǔn)站及監(jiān)測站的定位信息，并定時(shí)向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。

基準(zhǔn)站是整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)的基準(zhǔn)參考，需建在穩(wěn)定的基巖上，基準(zhǔn)站安裝高精度北斗接收機(jī)采集衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)。監(jiān)測站分布在整個(gè)形變區(qū)域特征點(diǎn)上，即在壩體預(yù)埋多個(gè)高精度北斗接收機(jī)、電子數(shù)據(jù)采集主機(jī)和電子傳感器作為監(jiān)測站。

1.1.1 數(shù)據(jù)采集主機(jī)

數(shù)據(jù)采集主機(jī)特點(diǎn)如下：

① 高精度衛(wèi)星接收機(jī)一次輸出的數(shù)據(jù)量較大，要求緩存較大，通信鏈路斷時(shí)需要本地保存大量數(shù)據(jù)，要求外接TF存儲器作為北斗數(shù)據(jù)存儲器。MCU選用ST公司的一款Cortex-M3芯片。

② 數(shù)據(jù)采集主機(jī)與高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)同在一個(gè)金屬殼體內(nèi)部，連接高精度北斗接收機(jī)的串口不需防雷處理，采用普通串口即可。UART1 RS232連接北斗接收機(jī)，采集北斗數(shù)據(jù)。

③ 隔離485接口主要連接電子式水平傳感器、垂直位移傳感器、485接口水位計(jì)、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。

④ 帶防護(hù)裝置的網(wǎng)口用于連接通信網(wǎng)絡(luò)，向數(shù)據(jù)處理中心發(fā)送采集的北斗定位數(shù)據(jù)和外部傳感數(shù)據(jù)。

⑤ 4～20 MA模擬信號輸入口用于連接4～20 MA輸出接口的雨量傳感器、水位計(jì)、土層濕度傳感器等。輸入信號經(jīng)過電流/電壓變換后送入MCU的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字化處理。

⑥ 許多翻斗式雨量傳感器等輸出的是脈沖信號，可以通過計(jì)數(shù)脈沖輸入口接入。計(jì)數(shù)脈沖經(jīng)過普通MCU的I/O口輸入，結(jié)合內(nèi)部定時(shí)器/計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)雨量。

數(shù)據(jù)采集主機(jī)原理框圖如圖1所示。

1.1.2 大壩形變監(jiān)測常用的電子傳感器

(1) 水位計(jì)

水位計(jì)種類比較多，有浮子式水位計(jì)、超聲波水位計(jì)、壓力式水位計(jì)、投入式水位計(jì)等，各有特點(diǎn)，使用時(shí)要根據(jù)壩體周圍的具體情況選用。

① 浮子式水位計(jì)其原理是由浮子感應(yīng)水位的升降。有用機(jī)械方式直接使浮子傳動(dòng)記錄結(jié)構(gòu)的普通水位計(jì)，有把浮子提供的轉(zhuǎn)角量轉(zhuǎn)換成增量電脈沖或二進(jìn)制編碼脈沖作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)碾妭?、?shù)傳水位計(jì)，還有由微型浮子和許多干簧管組成的數(shù)字傳感水位計(jì)等。應(yīng)用較廣的是機(jī)械式浮子水位計(jì)。應(yīng)用浮子式水位計(jì)需有測井設(shè)備，只適合于岸坡穩(wěn)定、河床沖淤很小的低含沙量河段使用。

② 超聲波水位計(jì)是反射式水位計(jì)的一種，應(yīng)用聲波遇不同介面反射的原理來測定水位。分為氣介式和水介式兩類。氣介式以空氣為聲波的傳播介質(zhì)，換能器置于水面上方，由水面反射聲波，根據(jù)回波時(shí)間可計(jì)算并顯示出水位。儀器不接觸水體，完全擺脫水中泥沙、流速?zèng)_擊和水草等不利因素的影響。水介式是將換能器安裝在河底，向水面發(fā)射聲波，也不需要建測井。兩種水位計(jì)均可用電纜傳輸至室內(nèi)顯示或存儲記錄。

③ 壓力式水位計(jì)的工作原理是測量水壓力，推算水位。其特點(diǎn)是無需建靜水測井，可以將傳感器固定在河底，用引壓管消除大氣壓力，從而直接測得水位。壓力式水位計(jì)有兩類：一類為氣泡型，在引壓管中不斷輸氣，用自動(dòng)調(diào)節(jié)的壓力天平將水壓力轉(zhuǎn)換成機(jī)械轉(zhuǎn)角量，從而帶動(dòng)記錄機(jī)構(gòu)；另一類為電測型，它應(yīng)用固態(tài)壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉(zhuǎn)變成電壓模量或頻率量輸出，然后用導(dǎo)線傳輸至岸上進(jìn)行處理和記錄。

④ 跟蹤式水位計(jì)又稱接觸式水位計(jì)，利用重錘上的電測針接觸水面發(fā)出電信號，使電機(jī)正轉(zhuǎn)或逆轉(zhuǎn)，隨時(shí)跟蹤水面點(diǎn)的位置，從而測定水位。一般在較陡岸坡上架設(shè)鐵管，懸錘和懸索在管道中升降，驅(qū)動(dòng)記錄或信號裝置。鐵管進(jìn)水口需有沉沙和凈水設(shè)施。

⑤ 投入式液位計(jì)是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴(kuò)散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應(yīng)，將靜壓轉(zhuǎn)成電信號。經(jīng)過溫度補(bǔ)償和線性校正，轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號輸出。投入式液位計(jì)的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用較為方便。

考慮數(shù)據(jù)采集主機(jī)用以連接傳感器的接口只有485接口和4～20 mA輸入接口，因此選用水位時(shí)應(yīng)考慮接口匹配。

(2) 雨量傳感器

最常用的雨量傳感器是翻斗型雨量傳感器，主要工作原理是承水口收集的雨水，經(jīng)過上筒(漏斗)注入計(jì)量翻斗，翻斗是用工程塑料注射成型的，由中間隔板分成兩個(gè)等容積的三角斗室。它是一個(gè)機(jī)械雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)，當(dāng)一個(gè)斗室接水時(shí)，另一個(gè)斗室處于等待狀態(tài)。當(dāng)所接雨水容積達(dá)到預(yù)定值0.4 mm(假定測量精度為0.4 mm)時(shí)，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態(tài)，另一個(gè)斗室處于接水工作狀態(tài)。當(dāng)其接水量達(dá)到預(yù)定值時(shí)，又自己翻倒，處于等待狀態(tài)。在翻斗側(cè)壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動(dòng)時(shí)從干式舌簧管旁掃描，使干式舌簧管通斷。即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次送出一個(gè)開關(guān)信號(脈沖信號)。

翻斗式雨量傳感器直接通過數(shù)據(jù)采集主機(jī)的計(jì)數(shù)脈沖輸入接口傳送脈沖數(shù)據(jù)。

雨量信息采集可以不使用雨量傳感器，直接采用雨量監(jiān)測站通過無線GPRS網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)處理中心傳送氣象數(shù)據(jù)。

(3) 位移傳感器

高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)本身可以進(jìn)行水平和垂直位移測量，考慮成本及安裝方便等因素，時(shí)常將高精度北斗衛(wèi)星接收機(jī)與電子位移傳感器結(jié)合使用。位移傳感器包含水平位移和垂直位移傳感器，主要有電感式、電容式、光電式、霍爾式、渦流式位移傳感器，激光位移傳感器使用比較方便，不用其他外部設(shè)備，可以輸出數(shù)字和模擬信號，可以與數(shù)據(jù)采集主機(jī)的485接口或4～20 mA輸入接口相連接。

1.2 數(shù)據(jù)處理與分析中心

數(shù)據(jù)處理中心負(fù)責(zé)接收處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測點(diǎn)北斗數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理中心將星歷、原始觀測數(shù)據(jù)如衛(wèi)星號、偽距、偽距標(biāo)準(zhǔn)差、載波相位、載波相位差、瞬時(shí)載波多普勒頻率、載噪比、連續(xù)跟蹤秒數(shù)等數(shù)據(jù)采用雙差解算模式，在優(yōu)化載波相位差分?jǐn)?shù)據(jù)處理方法的基礎(chǔ)上，同時(shí)處理基準(zhǔn)站和監(jiān)測站載波相位數(shù)據(jù)，得到精確的監(jiān)測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)的形變量，從而獲取整個(gè)壩體區(qū)域的形變信息。

數(shù)據(jù)處理中心主要由通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理軟件、服務(wù)器等組成。

1.3 遠(yuǎn)程監(jiān)控中心

遠(yuǎn)程監(jiān)控中心可與數(shù)據(jù)處理中心并置，遠(yuǎn)程監(jiān)控中心是整個(gè)系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)監(jiān)測信息的處理，融合水文、氣象等信息，組成大壩形變監(jiān)測信息自動(dòng)處理與應(yīng)急預(yù)警信息平臺。

2 北斗數(shù)據(jù)處理流程

北斗數(shù)據(jù)處理主要可分為數(shù)據(jù)清理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析等幾個(gè)流程，具體如圖2～圖4所示。

圖2 數(shù)據(jù)清理流程圖

圖3 數(shù)據(jù)處理流程圖

圖4 結(jié)果分析流程

3 數(shù)據(jù)處理誤差改正模型

在相對定位中，涉及的關(guān)鍵數(shù)據(jù)處理過程是基線解算，基線解算可以分為：長基線、中長基線和短基線三種類型。這里介紹短基線數(shù)據(jù)處理中相關(guān)的誤差影響因素[2]、誤差消除或削弱的方法。

3.1 短基線的衛(wèi)星星歷誤差影響

由衛(wèi)星星歷所給出的衛(wèi)星位置與實(shí)際衛(wèi)星位置的差值稱為衛(wèi)星星歷誤差。星歷誤差的大小取決于衛(wèi)星定軌系統(tǒng)的質(zhì)量，如定軌站的數(shù)量及其地理分布、觀測值的數(shù)量及其精度、定軌的數(shù)學(xué)力學(xué)模型和定軌軟件的完善程度等。在一般工程應(yīng)用中，特別是北斗短基線的數(shù)據(jù)處理中，由于基線較短，通常采用廣播星歷即可滿足應(yīng)用的要求。

在相對定位中，衛(wèi)星的星歷誤差對解算精度影響較小，利用廣播星歷進(jìn)行相對定位時(shí)，即使基線長度達(dá)到56 km時(shí)，其誤差影響仍然保持在1 cm以內(nèi)，故對于短基線(10 km 以內(nèi))來說，其誤差的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

3.2 短基線的衛(wèi)星鐘差與接收機(jī)鐘差影響[3]

衛(wèi)星上計(jì)時(shí)工具是高精度的原子鐘，但衛(wèi)星鐘也不可避免地會產(chǎn)生誤差，這種誤差既包含系統(tǒng)性的偏差(如鐘差、鐘速、鐘漂等)，也包括隨機(jī)性質(zhì)的偏差。系統(tǒng)誤差可以通過檢驗(yàn)和對比來確定，并通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)物理模型加以改正；而隨機(jī)誤差只能通過鐘的穩(wěn)定度來描述其統(tǒng)計(jì)特性，無法確定其具體的大小和方向。

與衛(wèi)星鐘一樣，接收機(jī)鐘也會產(chǎn)生誤差，接收機(jī)鐘為石英鐘，接收機(jī)鐘差較衛(wèi)星鐘差來講要顯著一些。該項(xiàng)誤差主要取決于鐘的質(zhì)量，與使用的環(huán)境也有一定的關(guān)系。它對測碼偽距觀測值和載波相位觀測值的影響是相同的。

某一時(shí)刻t0的鐘差一般可以表示為：

式中：a0為t0時(shí)刻該鐘的鐘差；a1為t0時(shí)刻該鐘的鐘速；a2為t0時(shí)刻該鐘的加速度的一半。

利用載波相位觀測值進(jìn)行相對定位時(shí)，根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航電文所給的衛(wèi)星鐘參數(shù)而求得的衛(wèi)星鐘差不能作為最后的精確值，在建立觀測方程時(shí)必須將其視為未知參數(shù)。由于進(jìn)行同步觀測時(shí)，不同的觀測值中會包含有同樣的鐘差影響，故可以通過觀測方程相減來消除這些鐘差的影響。假設(shè)同步觀測n顆衛(wèi)星，在短基線(甚至長基線)數(shù)據(jù)處理中，首先選擇一個(gè)衛(wèi)星作為基準(zhǔn)星，并將其余的(n-1)個(gè)觀測方程分別與基準(zhǔn)星觀測方程相減，那么在這(n-1)個(gè)求差以后的新觀測方程中，某一對應(yīng)的時(shí)刻t0接收機(jī)的鐘差將被消除。

在兩站之間，進(jìn)行站間單差就可以將衛(wèi)星鐘差消除。把不同時(shí)刻，不同站間的鐘差視為一個(gè)獨(dú)立的未知參數(shù)，通過相應(yīng)的觀測方程相減來消除這些鐘差的影響，最后再組成法方程。

3.3 短基線的電離層延遲影響

衛(wèi)星電磁波信號在穿過電離層時(shí)，傳播速度會產(chǎn)生變化，變化程度主要取決于載波信號頻率和電離層中的電子密度；傳播路徑也會發(fā)生略微的彎曲，由此而產(chǎn)生的誤差影響稱為電離層延遲誤差。

消除和削弱電離層延遲的方法有很多，比如模型法，包括Bent模型、國際參考電離層模型、Klobuchar模型和雙頻改正模型等。還有用實(shí)測雙頻觀測值來建立電離層延遲改正模型等，在不同的觀測條件下采用相應(yīng)的模型可以較好地削弱電離層延遲影響[4]。但目前最常用的為采用雙頻觀測值消除電離層影響，利用雙頻觀測值消除一階項(xiàng)電離層影響后，剩余的高階項(xiàng)影響對于短基線來說一般很小，可忽略不計(jì)。

3.4 短基線的對流層延遲影響

對流層延遲一般泛指中性大氣層對電磁波的折射。中性大氣層包括對流層和平流層，大約是大氣層從地面向上40 km部分。由于折射的80%發(fā)生在對流層，所以通常也叫做對流層折射延遲。對流層對于15 GHz的射電頻率呈中性，信號傳播產(chǎn)生非色散延遲，使電磁波傳播路徑比幾何距離長。電磁波在對流層的傳播速度只與大氣的折射頻率及電磁波傳播方向有關(guān)，與電磁波頻率無關(guān)。

對流層折射影響通常表示為天頂方向的對流層折射量和與高度角相關(guān)的投影函數(shù)M的乘積。并且對流層延遲的90%是由大氣中干燥氣體引起的，稱為干分量；其余10%是由水汽引起的，稱為濕分量。因此，對流層延遲可用天頂方向的干、濕分量延遲及其相應(yīng)的投影函數(shù)表示[5]：

式中：ΔPtrop為對流層總延遲；ΔPz,dry為天頂方向?qū)α鲗痈煞至垦舆t；Mdry(E)為相應(yīng)的對流層干分量投影函數(shù)；ΔPz,wet為天頂方向?qū)α鲗訚穹至垦舆t；Mwet為相應(yīng)的對流層濕分量投影函數(shù)。

常見的確定對流層延遲改正的有Hopfield模型、Saastamoinen模型等。投影函數(shù)有Marini(1972)、Chao(1972)、Davis(1985)及Niell(1996)等模型。在精密定位中經(jīng)常采用Niell模型，Niell模型除了考慮緯度因素外，還考慮了對流層的季節(jié)性變化和高度不同的影響，其不包含氣象元素，不會受氣象元素觀測誤差的影響，其沒有考慮實(shí)測的氣象數(shù)據(jù)，也能與無線電探空數(shù)據(jù)計(jì)算出的投影模型相符合。對流層影響利用模型改正后，干分量部分的改正精度可以達(dá)到cm級，而濕分量部分的殘余影響還比較大，在精密定位中，必須利用參數(shù)估計(jì)的方法將對流層殘余影響當(dāng)作一個(gè)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。

大壩形變監(jiān)測精度要求達(dá)到mm級，需要對以上幾個(gè)誤差進(jìn)行建模處理,方能滿足要求。

結(jié) 語

北斗高精度大壩形變監(jiān)測主要是利用連續(xù)運(yùn)行衛(wèi)星定位參考站技術(shù)、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)高精度處理技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)及信息處理技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)對大壩形變的全天候、自動(dòng)化、高精度、高可靠監(jiān)測，具有要求通視的常規(guī)測繪技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

[1] 陳實(shí),軟曉偉,林春和.采用GPS定位技術(shù)進(jìn)行堤壩形變監(jiān)測[J].東北測繪,1998(3).

[2] 苗成慧，青盛. GPS基線解算方法分析[J].四川建筑, 2007,27(4).

[3] 趙娟.GPS單點(diǎn)定位星歷和鐘差研究[D].遼寧：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2011.

[4] 袁運(yùn)斌.基于GPS的電離層監(jiān)測及延遲改正理論與方法的研究[D].中國科學(xué)院測量與地球物理研究所，2002.

[5] Jan Kouba, Pierre Héroux. Precise Point Positioning Using IGS Orbit and Clock Products[EB/OL].[2013-08]. http://link.springer.com/article/10.1007/PL00012883#.

吳煥瑯(高級工程師)，主要研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)，北斗高精度定位。從事電信通信、電子開發(fā)、技術(shù)管理等工作20多年。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2013-08-10)

參考文獻(xiàn)

[1] 胡瑤榮.基于FPGA的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)[J].電視技術(shù),2005,29(2):81- 83.

[2] 顧一.基于CCD的圖像采集和處理系統(tǒng)[D].杭州:浙江大學(xué),2008.

[3] Omni Vision Technologies. OV7670/OV7171 CMOS VGA CAMERACHIPTM with omni pixel technology,Version 1.3[EB/OL].[2013- 09].http://www.ovt.com.

[4] 丁昊杰,劉敬彪,盛慶華.基于CMOS圖像傳感器的視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2012,35(14):178- 181.

[5] 楊征,田尊華,張杰良,等.視頻技術(shù)手冊[M].北京:人民郵電出版,2009.

[6] 宋海吒,唐立軍,謝新輝.基于FPGA和OV7620的圖像采集及VGA顯示[J].電視技術(shù),2011,35(5):45- 47.

高強(qiáng)(碩士研究生)，研究方向?yàn)閳D像采集與信息處理；王煒(副教授),研究方向?yàn)殡姎鈧鲃?dòng)自動(dòng)化；劉建(碩士研究生),研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)開發(fā)；郭毓敏(碩士研究生),研究方向?yàn)镋DA技術(shù)。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2013-09-06)

Wu Huanlang1,Jiang Yunzhog2

(1. Fujian Sannada Communication Co.,Ltd.， FuZhou 350000，China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research)

Beidou dam deformation monitoring is a practical application of beidou satellite precise positioning, the article mainly introduces the composition of beidou dam deformation monitoring system structure, data processing and using positioning data to process error correction model methods for increasing accuracy of monitoring. Collected beidou satellite data through the communication network to send data processing center, after solver data, monitoring points and the relative displacement of the base station are achieved, it is achieve the purpose of monitoring dam deformation.

Beidou；high precision positioning；dam deformation；error correction

TN966

A