探索GPS在大坳水利樞紐工程變形觀測中的應用

劉華

摘 ? 要：隨著GPS的完善、接收機性能和解算軟件的不斷改進，目前GPS可用于精密變形監(jiān)測，且將逐步取代常規(guī)的測量方法，在我國許多大壩變形觀測中都運用到GPS。目前上饒市大坳水庫管理局做為國家一級水管單位大壩的外部觀測仍采用視準線法及小角度法進行，自動化程度不高，工作強度較大，每次大壩外部監(jiān)測需安排四至五人才能完成，在水庫管理體制改革的大背景下，人員精減，經(jīng)常出現(xiàn)人員配備短缺的情況。為了進一步提高上饒市大坳水利樞紐工程大壩外部觀測的自動化程序，達到實時監(jiān)測，本文探索GPS一機多天線系統(tǒng)在大坳水利樞紐工程大壩變形監(jiān)測中的應用。

關(guān)鍵詞：精密變形觀測 ?大壩 ?一機多天線系統(tǒng)

中圖分類號：P228.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）02（c）-0041-02

1 ?監(jiān)測方法

利用GPS定位技術(shù)進行變形監(jiān)測，是一種先進的高科技監(jiān)測手段。目前世界各國對這種監(jiān)測方法十分重視，投入了一定的人力、物力對其進行研究與試驗。而用GPS進行大壩變形觀測是GPS技術(shù)變形監(jiān)測的一種典型應用，利用GPS進行變形監(jiān)測，一般有兩種方法。

第一種方法：用幾臺GPS接收機，定期到監(jiān)測點上觀測，對數(shù)據(jù)實施后處理進行變形分析與預報。

第二種方法：是在監(jiān)測點上建無人執(zhí)守的GPS觀測系統(tǒng)。通過軟件控制，實現(xiàn)實時監(jiān)測和變形分析、預報。

第一種方法費用較省，但勞動強度大，不能實時監(jiān)測，自動化程度很低。第二種方法能實時監(jiān)測，自動化程度也很高，但由于每個監(jiān)測點都需要安裝GPS接收機，使監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)費用非常高。

在我國除了上述兩種方法外還開發(fā)了GPS多天線大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)，使一臺GPS接收機能連接多臺天線，這樣既降低了勞動強度、提高了自動化程度、達到了實時監(jiān)測，而且降低了費用成本。由于GPS多天線大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點非常突出，故本文著重論述該系統(tǒng)的組成，以及工作原理。

2 ?GPS一機多天線大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)

一機多天線控制器的硬件部分由具有多通道的微波開關(guān)、微波開關(guān)控制電路、一臺GPS接收機以及處理蕊片組成。微波開關(guān)中的信號通道的斷通狀態(tài)受開關(guān)控制電路的實時控制，并能夠方便地預設(shè)各個通道的開通時間。其它關(guān)健技術(shù)之一是微波中各個通道GPS信號的高隔離度問題。GPS多天線控制器的供電位交直流兩用，還可以接受太陽能、風能發(fā)電等，非常適合于壩區(qū)等惡劣環(huán)境。

GPS一機多天線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還涉及GPS信號的傳輸。由于監(jiān)測的區(qū)域一般比較廣，GPS一機多天線將不可避免地遇到測點之間遠距離傳輸造成GPS信號衰減過大的問題。根據(jù)實驗測定，當傳輸距離達到30～60m時，信號的損失已經(jīng)相當大，甚至信號完全丟失。要解決這個問題，一方面應提高傳輸介質(zhì)性能，如采用損耗電纜或光纖傳輸;另一方面也可進行相當?shù)男盘栐鰪?。為此有關(guān)部門也專門研制了相應的GPS信號低噪聲放大器，效果很好。

3 ?大壩GPS自動化變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

所需設(shè)備：GPS接收天線若干組，GPS接收機一臺，數(shù)據(jù)鏈天線及電臺若干，用以分析GPS數(shù)據(jù)的可無故障長時間運行的計算機主機，可利用太陽能充電池組組成的供電設(shè)備。

在主壩壩前5.0m、壩頂布設(shè)2條觀測斷面，每條觀測斷面埋設(shè)觀測點各5點，下游壩坡壩后64.0m、壩后86.0m布設(shè)2條觀測斷面，分別埋設(shè)測點4點、3點;副壩壩前5.0m、壩頂處布設(shè)2條觀測斷面，每條觀測斷面埋設(shè)觀測點各4點，發(fā)電洞閘室及溢洪道閘墩各布置一條觀測斷面，分別布置測點3點，觀測點原則上利用原布置的大壩外部觀測點進行布置。為提高水平位移觀測精度，縮短每次觀測周期，及時準確地提供觀測數(shù)據(jù)，各觀測頻次采用同一布網(wǎng)方式和觀測方法，共觀測5個時段，每時段觀測時為120 min，每期觀測2個測回，兩測回觀測采用不同時間段。

在觀測時段的安排，主要考慮到水平位移觀測點位移量是相對水平位移觀測基點的位移，因此每個時段都至少有兩個水平位移觀測基點參與同步觀測，這使得每個水平位移觀測點都有與兩個水平位移觀測基點組成同步環(huán)，以加強水平位移觀測點相對與水平位移觀測基點的觀測精度。

4 ?GPS網(wǎng)觀測及平差計算

4.1 GPS網(wǎng)觀測

參考已布置GPS一機多天線系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測應用的觀測數(shù)據(jù)進行分析，某工程第一期觀測時間為2016年 9月30日至10月5日，共觀測2個測回，采用同一布網(wǎng)方式和觀測方法，每測回共觀測5個時段，每時段觀測時間不少于120min;第二期觀測時間為2018年3月15日至3月20日，觀測和第一次觀測采用相同的儀器、相同的布網(wǎng)方式和觀測方法。按GPS觀測網(wǎng)設(shè)計，網(wǎng)中共需觀測75條基線。

第一期觀測了2測回10個時段，共150條基線;第二期觀測了2測回12個時段，共180條基線。

4.2 GPS 網(wǎng)平差計算

基線處理設(shè)置采用：（1）雙差固定解;（2）模糊度分解方法采用 LAMBDA 法;（3）閉合環(huán)搜索深度為 3。對基線質(zhì)量按 D級 GPS 網(wǎng)的精度要求衡量，對基線進行同步環(huán)基線異步環(huán)、重復基線檢查，以確保所有的觀測數(shù)據(jù)都合格。GPS網(wǎng)平差計算坐標系采用WGS-1984坐標系，投影中心經(jīng)度為 117°14′（測區(qū)中心經(jīng)度）。

平差時采用觀測基點1-4坐標（100，100，25.509）對 GPS 網(wǎng)進行單點約束平差。首次觀測GPS網(wǎng)二維平差單位權(quán)中誤差為0.36mm，最大點位誤差為0.83mm;第二次 GPS網(wǎng)二維平差單位權(quán)中誤差為0.55mm，最大點位誤差為0.68mm。以上數(shù)據(jù)充分表明以上兩期GPS網(wǎng)測量的精度較高，能夠準確測量出水庫大壩水平位移情況。

兩期GPS網(wǎng)平差的三維平差部分結(jié)果見表 1。

5 ?觀測結(jié)果分析

通過對表1結(jié)果的分析，各觀測點在兩次觀測時段內(nèi)水平位移變化情況，水平位移正值為向大壩上游位移，負值為向大壩下游位移，豎向位移正值為上升，負值為沉降。通過對表1分析，上游壩面水平位移量區(qū)間為（- 2.0mm～+3.0mm），水平位移不明顯，游壩面穩(wěn)定;壩頂水平位移量區(qū)間為（- 0.3 mm～-16.3mm），最大水平位移為-37.7mm;下游壩面水平位移量區(qū)間為（-12.8mm～+1.0 mm），某觀測點向下游有少量水平位移，位移量為-12.5 mm，觀測精度均滿足設(shè)計要求。

6 ?結(jié)語

GPS一機多天線系統(tǒng)是一項國際領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)，它是將微波技術(shù)、計算機實時控制技術(shù)、大地測量數(shù)據(jù)處理和定位算法有機地結(jié)合起來，僅用一部GPS接收機互不干擾地接收到多個GPS天線傳輸來的信號，通過后處理軟件包實現(xiàn)精確定位。該系統(tǒng)最大優(yōu)點在于顯著降低了監(jiān)測系統(tǒng)的成本，并具有自定義程度高，能耗低，數(shù)據(jù)可靠性高，保密性好，系統(tǒng)升級方便的特性。相信隨著科技的進步，測繪技術(shù)的不斷發(fā)展，必將能夠出現(xiàn)更好的大壩GPS自動化變形監(jiān)系統(tǒng)。

參考文獻

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