北斗衛(wèi)星在萌山水庫(kù)大壩變形觀測(cè)中的應(yīng)用

孟　光，李　茜

（淄博市萌山水庫(kù)管理處，山東 淄博 255318）

1　工程背景

1.1　北斗、GPS衛(wèi)星簡(jiǎn)介

中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)與通信系統(tǒng)，是繼美國(guó)全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和俄羅斯全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GLONNASS）之后第三個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2012年北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋亞太地區(qū)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)以及短報(bào)文通信服務(wù)能力，到2020年左右，建成覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。

1.2　項(xiàng)目需求

萌山水庫(kù)大壩在線安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用BDS與GPS雙系統(tǒng)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)的功能，具備現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊和遠(yuǎn)程通信功能，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理分析功能，綜合預(yù)警功能，防雷及抗干擾功能，數(shù)據(jù)備份、掉線保護(hù)、自診斷及故障顯示等功能。

1.3　項(xiàng)目目標(biāo)

在壩體表面設(shè)立變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)壩體表面位移變形24 h實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)預(yù)警，保證惡劣環(huán)境條件下壩體的不間斷監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常時(shí)及時(shí)作出分析，并采取報(bào)警措施，通知水庫(kù)管理人員采取必要措施。

1）壩體位移監(jiān)測(cè)精度達(dá)到毫米級(jí)，即水平位移精度±3 mm；豎向位移精度±5 mm；監(jiān)測(cè)頻數(shù)可調(diào)整，由人工設(shè)置，缺省值每天四次。雨季及臺(tái)風(fēng)危險(xiǎn)期可增加監(jiān)測(cè)頻數(shù)。

2）自動(dòng)化監(jiān)測(cè)程度：每天按設(shè)置時(shí)間，自動(dòng)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)傳到監(jiān)測(cè)中心，監(jiān)測(cè)中心自動(dòng)計(jì)算變形值。定期進(jìn)行監(jiān)測(cè)資料的整編，繪制大壩健康檔案，為水庫(kù)安全運(yùn)行提供可靠依據(jù)。

1.4　項(xiàng)目?jī)?yōu)勢(shì)對(duì)比

傳統(tǒng)大壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用視準(zhǔn)線或引張線觀測(cè)水平位移，精密水準(zhǔn)觀測(cè)豎向位移，大量采用人工數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)化測(cè)點(diǎn)少，自動(dòng)化程度低，工作量大，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形量在時(shí)間上不是同步采集，加上天氣等環(huán)境因素影響，往往在庫(kù)水位急劇上升或泄洪等最需要觀測(cè)的時(shí)候，因天氣惡劣而無(wú)法展開(kāi)，容易漏過(guò)危險(xiǎn)信號(hào)；全站儀是電子經(jīng)緯儀和光電測(cè)距儀組合為一體的測(cè)量?jī)x器，除了工作效益高以外，仍受人工和天氣因素影響。

北斗萌山水庫(kù)壩體位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是利用北斗/GPS系統(tǒng)的三維坐標(biāo)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，采用相對(duì)定位方式實(shí)現(xiàn)高精度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。壩體位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方案原理是利用北斗/GPS載波相位高精度相對(duì)定位進(jìn)行三維定位。利用精密星歷及軟件采用四小時(shí)雙頻北斗/GPS接收機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)解算精度可達(dá)毫米級(jí)。不同時(shí)間測(cè)出的坐標(biāo)差變化，反映了監(jiān)測(cè)點(diǎn)的形變。

2　設(shè)計(jì)依據(jù)及硬件平臺(tái)選擇原則

2.1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

北斗萌山水庫(kù)壩體位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)是以可靠性、安全性、可擴(kuò)展性、可管理性、先進(jìn)性、實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性為原則的，能滿足管理者對(duì)大壩內(nèi)危險(xiǎn)塌陷區(qū)實(shí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控、發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情能及時(shí)、及時(shí)決策和處理等功能，確保大壩安全運(yùn)行。

2.2　硬件平臺(tái)選擇原則

系統(tǒng)硬件主要包括北斗/GPS衛(wèi)星定位接收機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)交換控制單元四部分。系統(tǒng)將采用目前較為先進(jìn)北斗/GPS雙系統(tǒng)雙頻接收機(jī)、零相位天線；專用光纖通信，以保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性；數(shù)據(jù)解算將采用最新的國(guó)際上較先進(jìn)的高精度北斗/GPS基站自動(dòng)化解算軟件；在系統(tǒng)管理軟件上既反映當(dāng)今科技的先進(jìn)水平，又具有發(fā)展?jié)摿?，保證系統(tǒng)在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)不被淘汰，采取目前已經(jīng)在業(yè)界經(jīng)過(guò)考驗(yàn)、論證的技術(shù)和方案，并能夠根據(jù)隨著技術(shù)的發(fā)展平穩(wěn)地向新的技術(shù)過(guò)渡硬件、軟件的選型將本著以安全性、擴(kuò)展性、先進(jìn)性、可靠性為原則。

3　工程布置

3.1　位移變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作基站布設(shè)

根據(jù)萌山水庫(kù)現(xiàn)場(chǎng)地形地質(zhì)情況，變形監(jiān)測(cè)工作基站應(yīng)在變形影響范圍之外，站點(diǎn)附近視野開(kāi)闊，無(wú)強(qiáng)磁場(chǎng)干擾，附近交通、通訊條件良好，便于聯(lián)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸，附近地表面有淺植被覆蓋，以抑制多路徑效應(yīng)?；A(chǔ)應(yīng)為巖基或穩(wěn)定的土基。GNSS基準(zhǔn)站1個(gè)位于左岸的基巖上。

3.2　監(jiān)測(cè)站布設(shè)

根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范，變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)布置在大壩合攏段、最大壩高、地質(zhì)條件復(fù)雜及地形突變處等原則要求，在壩后坡70 m平臺(tái)布設(shè)監(jiān)測(cè)站2個(gè)，樁號(hào)分別為0+300、0+400兩個(gè)位置。

4　工程應(yīng)用

北斗/GPS監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)接收機(jī)實(shí)時(shí)接收北斗/GPS信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集器采集并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，再采用光纖將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。布設(shè)在監(jiān)控中心的高精度北斗/GPS數(shù)據(jù)處理軟件將對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、解算和分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合管理。實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)狀態(tài)、設(shè)備狀態(tài)、變形量等數(shù)據(jù)的查詢、報(bào)表生成、預(yù)警預(yù)報(bào)等功能。