基于GPS的油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王祖光,楊開(kāi)偉,李娟娟

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所,石家莊 050081;3.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,石家莊 050081;4.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050081)

基于GPS的油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

王祖光1,楊開(kāi)偉2,3,4,李娟娟2,3,4

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070;2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第54研究所,石家莊 050081;3.河北省衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心,石家莊 050081;4.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050081)

摘要：設(shè)計(jì)了GPS的油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),提出了系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施方案,介紹了系統(tǒng)的設(shè)備組成與工作原理及高精度實(shí)時(shí)處理和靜態(tài)基線解算算法。通過(guò)軟件研發(fā)、原型系統(tǒng)搭建、測(cè)試試驗(yàn)、數(shù)據(jù)處理與分析等,對(duì)系統(tǒng)的功能與性能進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。試驗(yàn)表明，基于GPS進(jìn)行高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)具有可行性,且其監(jiān)測(cè)精度較高,完全滿足油罐沉降監(jiān)測(cè)的需求。

關(guān)鍵詞：GPS;高精度;RTK;基線解算;沉降監(jiān)測(cè)

0引言

對(duì)原油儲(chǔ)備庫(kù)油罐基礎(chǔ)進(jìn)行充水預(yù)壓監(jiān)測(cè)、油罐充油使用過(guò)程中進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)等是煉油廠、油庫(kù)管理單位以及油田安全管理、工程作業(yè)的重要工作。但長(zhǎng)時(shí)間以來(lái),該項(xiàng)工作主要都是依賴傳統(tǒng)的測(cè)量手段(如水準(zhǔn)測(cè)量)來(lái)進(jìn)行沉降監(jiān)測(cè)。一般而言,油罐區(qū)域空間分布較分散,水準(zhǔn)測(cè)量路線復(fù)雜,由于需要多個(gè)人員進(jìn)行施測(cè)并進(jìn)行事后數(shù)據(jù)處理,工作效率低下,且不具備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的能力。因此迫切需要提出一種新的監(jiān)測(cè)方法替代傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)手段,對(duì)油罐沉降進(jìn)行高精度、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

基于GPS技術(shù)的沉降監(jiān)測(cè)理論與方法,是當(dāng)前廣泛采用的沉降監(jiān)測(cè)新方法、新技術(shù)之一。GPS衛(wèi)星定位技術(shù)相比于傳統(tǒng)的測(cè)繪作業(yè)方法與模式有著顯著的特點(diǎn)和優(yōu)越性,其優(yōu)越的性能及廣泛的適用性,是常規(guī)測(cè)量作業(yè)難以比擬的。GPS以其全天候、高精度、高效率、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)等優(yōu)點(diǎn),成為當(dāng)今極為重要的監(jiān)測(cè)手段之一。

如今,GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟,其在各種行業(yè)、各種高精度領(lǐng)域中也被廣泛應(yīng)用,但是GPS用于油罐沉降監(jiān)測(cè)中尚未開(kāi)展,在這種背景下建立基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能

夠有效進(jìn)行油罐沉降監(jiān)測(cè),降低生產(chǎn)成本、提高工作效率。

1系統(tǒng)組成與工作原理

1.1系統(tǒng)組成

基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)及輔助支持子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)體系架構(gòu)如圖1所示。

圖1　基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)GPS導(dǎo)航信號(hào)接收與觀測(cè)數(shù)據(jù)采集功能,包括GPS天線、GPS接收機(jī)以及基準(zhǔn)點(diǎn)等設(shè)備。

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)將采集的GPS觀測(cè)數(shù)據(jù)上報(bào)給數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng),同時(shí)將數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的監(jiān)控指令發(fā)送給GPS接收機(jī)。

數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)主要完成數(shù)據(jù)處理與系統(tǒng)監(jiān)控功能。數(shù)據(jù)處理包括實(shí)時(shí)處理和事后處理兩種方式:通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理,得到厘米級(jí)的油罐沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果,并自動(dòng)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)控;事后處理能夠得到毫米級(jí)的油罐沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果。

輔助支持子系統(tǒng)主要包括供電、避雷等設(shè)備,滿足在野外惡劣條件下系統(tǒng)建設(shè)。

基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的典型建設(shè)與實(shí)施如圖2所示。GPS天線安裝在被監(jiān)測(cè)的油罐上,并保證無(wú)遮擋,基準(zhǔn)點(diǎn)上也安裝GPS天線,GPS接收機(jī)安裝在附近室內(nèi);通信鏈路采用無(wú)線方式(3G或網(wǎng)橋等)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信;數(shù)據(jù)處理與監(jiān)控系統(tǒng)安裝在室內(nèi),對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析與監(jiān)控。

圖2　基于GPS的高精度油罐沉降　　　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)實(shí)施圖

1.2工作原理

基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理為:高精度GPS接收機(jī)進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),通過(guò)通信鏈路將觀測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng);數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理軟件實(shí)時(shí)接收各個(gè)接收機(jī)采集上報(bào)的GPS高精度觀測(cè)數(shù)據(jù),并根據(jù)配置好的處理模式和參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,生成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果,并發(fā)送給系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī);系統(tǒng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測(cè)結(jié)果和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài),將收到的監(jiān)測(cè)處理結(jié)果進(jìn)行判斷,如果結(jié)果異常則進(jìn)行告警。

事后處理模式與實(shí)時(shí)處理模式類似,區(qū)別在于實(shí)時(shí)模式處理的是實(shí)時(shí)上報(bào)的觀測(cè)數(shù)據(jù),而事后模式處理的是按照固定格式存儲(chǔ)的觀測(cè)數(shù)據(jù)文件。

2數(shù)據(jù)處理算法

(1)

在站間單差的基礎(chǔ)上再求星間單差,便得到雙差觀測(cè)值為

(2)

(3)

將式(3)代入雙差組合式(2)中,并顧及T1、T2兩測(cè)站同步觀測(cè)j,k兩顆衛(wèi)星,在忽略大氣折射殘差影響的情況下,雙差觀測(cè)方程為

Δ

(4)

式中,ΔNjk=ΔNk-ΔNj

可以看出衛(wèi)星鐘差和接收機(jī)鐘差也已經(jīng)被消除,這是雙差模型的重要優(yōu)點(diǎn)。

若取測(cè)站T1為已知參考點(diǎn),則在雙差觀測(cè)方程中,除了測(cè)站T2的位置為待定參數(shù)之外,還包含有整周模糊度參數(shù)項(xiàng)ΔNjk.通常在構(gòu)成雙差觀測(cè)時(shí),除了取一個(gè)測(cè)站為參考點(diǎn)外,同時(shí)也要取一顆觀測(cè)衛(wèi)星為參考星[4]。

如果要實(shí)現(xiàn)單歷元解算(或進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位),則必須先解算出整周模糊度,這個(gè)過(guò)程就是RTK初始化過(guò)程。

2.1RTK解算

載波相位動(dòng)態(tài)相對(duì)定位(RTK)的數(shù)學(xué)模型(雙差觀測(cè)方程)為[2,5]

(5)

式中

(6)

由于流動(dòng)站的位置是不斷變化的,所以RTK一般采用一個(gè)歷元的觀測(cè)值。若以Nr和Ns表示包括參考站在內(nèi)的測(cè)站總數(shù)和同步觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù),則一個(gè)歷元的雙差觀測(cè)方程的未知數(shù)個(gè)數(shù)和觀測(cè)方程個(gè)數(shù)分別為[2]

未知數(shù)個(gè)數(shù)=3(Nr-1)+(Ns-1)(Nr-1)

單歷元雙差觀測(cè)值數(shù)=(Ns-1)(Nr-1)

可見(jiàn),單歷元解算的條件無(wú)法滿足,由于整周模糊度在信號(hào)鎖定的情況下是保持不變的,一旦初始化完成,則在每個(gè)歷元就只有3(Nr-1)個(gè)未知數(shù),則可解的條件變?yōu)?/p>

(Ns-1)(Nr-1)≥3(Nr-1),或Ns≥4.

只要同步觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)大于4顆,就可以進(jìn)行RTK定位解算。定位過(guò)程中一旦發(fā)生失鎖,則要重新進(jìn)行初始化。

2.2靜態(tài)基線解算

若兩測(cè)站同步觀測(cè)衛(wèi)星為Sj和Sk,設(shè)Sj為參考衛(wèi)星,則可得雙差觀測(cè)方程的線性化形式[2，4],即:

(7)

式中:

令:

(8)

則可改寫為如下誤差方程式的形式,即:

(9)

當(dāng)兩測(cè)站同步觀測(cè)的衛(wèi)星數(shù)為ns時(shí),可得誤差方程組如下[2,6],即:

υ(t)=a(t)δX2+b(t)ΔN+Δ

(10)

式中:

δX2=[δX2δY2δZ2]T;

如果在基線的兩端,對(duì)同一組衛(wèi)星觀測(cè)的歷元數(shù)為nt,那么相應(yīng)的誤差方程組由上式可得[6]:

(11)

式中:

相應(yīng)的法方程及其解,可表示為[2,6]

NΔY+W=0,

(12)

ΔY=-N-1W,

(13)

式中:

ΔY=[δX2ΔN]T;

N=(A B)TP(A B)；

W=(A B)TPL.

3測(cè)試與試驗(yàn)

為了測(cè)試油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能與性能,使用GPS高精度接收機(jī)進(jìn)行了大量的試驗(yàn),包括RTK實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)試與靜態(tài)基線測(cè)試,兩組試驗(yàn)均在事先高精度標(biāo)定的基線場(chǎng)內(nèi)進(jìn)行。兩臺(tái)GPS接收機(jī)分別架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)墩上,數(shù)據(jù)采樣率為1s,基線長(zhǎng)度為5.760m,試驗(yàn)持續(xù)時(shí)間為2h.

3.1實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

將兩臺(tái)GPS接收機(jī)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出,用高精度數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行RTK單歷元解算,解算結(jié)果如圖3所示。

圖3　GPS動(dòng)態(tài)RTK測(cè)試結(jié)果

由圖3可見(jiàn),用GPS油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理監(jiān)測(cè),當(dāng)基線為6m左右時(shí),其X、Y、Z三個(gè)方向的精度都達(dá)到毫米級(jí),基線長(zhǎng)度監(jiān)測(cè)精度也達(dá)到毫米級(jí)。隨著基線長(zhǎng)度的增加,當(dāng)基線長(zhǎng)度為2km以上時(shí),精度會(huì)有所下降,可能會(huì)達(dá)到厘米級(jí)。

3.2事后處理監(jiān)測(cè)

將兩臺(tái)GPS接收機(jī)采集的觀測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)出,用高精度數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行靜態(tài)基線解算,解算結(jié)果如圖4所示。

圖4　GPS靜態(tài)基線解算結(jié)果

由圖4可見(jiàn),靜態(tài)基線后處理解算結(jié)果與真值(5.760m)相差0.000 9m,絕對(duì)精度優(yōu)于1mm,其統(tǒng)計(jì)精度為0.000 170 9,達(dá)到亞毫米級(jí)。靜態(tài)基線后處理精度比實(shí)時(shí)RTK處理精度高,當(dāng)基線長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),可以采用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理和事后基線處理兩種方式,以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度。

4結(jié)束語(yǔ)

GPS技術(shù)用于油罐沉降的實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)沉降監(jiān)測(cè),是GPS技術(shù)在高精度應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展,也是現(xiàn)代工程監(jiān)測(cè)、提高工作效率的迫切要求。本文對(duì)基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并結(jié)合工程實(shí)際給出了系統(tǒng)的建設(shè)實(shí)施方案。在對(duì)高精度數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行理論闡述的基礎(chǔ)上研發(fā)出實(shí)時(shí)和事后高精度數(shù)據(jù)處理軟件,并分別進(jìn)行多種測(cè)試試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)系統(tǒng)原型搭建與試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,可以得到以下結(jié)論:

1) 用GPS油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)處理時(shí),處理精度可以達(dá)到厘米級(jí)甚至毫米級(jí);并具有實(shí)時(shí)性好、監(jiān)測(cè)內(nèi)容直觀的優(yōu)點(diǎn);

2) 利用事后靜態(tài)基線進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的方式,處理精度可以達(dá)到毫米級(jí)甚至亞毫米級(jí);

3) 根據(jù)不同的工程監(jiān)測(cè)需求可以選擇不同的處理方式,但采用兩種方式相結(jié)合的模式能夠提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確度。

通過(guò)理論研究、軟件開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)建設(shè)、測(cè)試試驗(yàn),基本實(shí)現(xiàn)了基于GPS的高精度油罐沉降監(jiān)測(cè)系統(tǒng),系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行、監(jiān)測(cè)精度滿足要求,具備工程推廣的條件。

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王祖光(1984-),男,工程師,主要從事工程測(cè)量及衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方面的工作。

楊開(kāi)偉(1984-)，男，工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方面的工作。

李娟娟(1984-),女,工程師，主要從事衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理方面的工作。

Hign Precision Oilcan Settlement Monitoring System Based on GPS

WANG Zuguang1,YANG Kaiwei2,3,4,LI Juanjuan2,3,4

(1.BeijingNewOrientalStarPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd,Beijing100070,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;3.SatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenterofHebeiprovince,Shijiazhuang050081,China;4.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,Shijiazhuang050081,China)

Abstract: The thesis designed the hign precision oilcan settlement monitoring system based on GPS, whose implementation scheme of system construction is proposed. And introduced its equipment composing and theory and the algorithm of high precision real-time and static base-line.Through software developing, prototype system integrating,test examination and data processing,the function and performance were validated. Examination proved the feasibility of Using GPS for high precision oilcan settlement monitoring,and the precision completely satisfy the need of oilcan settlement monitoring.

Keywords:GPS; high precision; RTK; baseline resolution; settlement monitoring

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.015

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號(hào)：P228.4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1008-9268(2016)02-0080-05

作者簡(jiǎn)介

聯(lián)系人： 王祖光 E-mail:w273196740@126.com