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        GPS一機(jī)多天線技術(shù)及其在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        2016-08-10 03:08:05劉得永
        大科技 2016年28期
        關(guān)鍵詞:接收機(jī)天線觀測(cè)

        劉得永

        (湖南省第一測(cè)繪院湖南衡陽(yáng)421000)

        GPS一機(jī)多天線技術(shù)及其在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

        劉得永

        (湖南省第一測(cè)繪院湖南衡陽(yáng)421000)

        GPS測(cè)量是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N形變監(jiān)測(cè)手段。但購(gòu)買(mǎi)接收機(jī)的費(fèi)用高?;贕PS技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn),我們提出GPS一機(jī)多天線技術(shù)。它不僅具有GPS全部的優(yōu)點(diǎn),而且它克服了常規(guī)GPS費(fèi)用高的缺點(diǎn)。大量實(shí)際應(yīng)用表明,只要操作得當(dāng),解算合理,一機(jī)多天線的精度完全能達(dá)到常規(guī)GPS的精度。所以GPS一機(jī)多在形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景非常廣闊。

        全球定位系統(tǒng);一機(jī)多天線;邊坡形變;變形監(jiān)測(cè)

        1 GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)的組成

        整個(gè)一機(jī)多天線系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、功能強(qiáng)大的監(jiān)控管理系統(tǒng),它集視頻監(jiān)控、GPS形變監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、信息管理平臺(tái)于一體。從結(jié)構(gòu)上劃分,它由數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、信息處理這三個(gè)主要部分組成。這三部分又可分為以下六個(gè)部分:

        (1)天線陣;

        (2)數(shù)據(jù)傳輸部分;

        (3)多天線控制器;

        (4)基準(zhǔn)站;

        (5)數(shù)據(jù)處理中心;

        (6)野外供電系統(tǒng)。

        一機(jī)多天線變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

        圖1

        2 GPS一機(jī)多天線的精度分析

        2.1 影響GPS一機(jī)多天線精度的因素

        影響GPS一機(jī)多天線精度主要包括GPS一機(jī)多天線與常規(guī)GPS定位相同的誤差源以及GPS一機(jī)多天線的附加誤差源。

        與常規(guī)GPS定位相同的誤差源各種誤差按其來(lái)源大致可分為三種類(lèi)型:

        (1)與衛(wèi)星有關(guān)的誤差;

        (2)信號(hào)傳播誤差;

        (3)觀測(cè)誤差和接收設(shè)備誤差。

        GPS一機(jī)多天線的附加誤差源包括以下兩種:

        (1)信號(hào)衰減誤差:常規(guī)GPS的天線和接收機(jī)是連在一起的一個(gè)整體,而GPS一機(jī)多天線的天線和接收機(jī)是分開(kāi)的,它們之間的距離有的多達(dá)10km。這么遠(yuǎn)的距離信號(hào)通過(guò)各種方式傳過(guò)來(lái),在傳的過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生衰減。這種衰減會(huì)使信號(hào)的噪聲增大,進(jìn)而影響一機(jī)多天線的精度。

        (2)不同時(shí)誤差:常規(guī)GPS測(cè)量可以每個(gè)點(diǎn)放一臺(tái)GPS接收機(jī),很容易實(shí)施同時(shí)觀測(cè)。我們知道現(xiàn)在的一機(jī)多天線的觀測(cè)方式是序列性連續(xù)觀測(cè),也就是說(shuō)各觀測(cè)值不是同時(shí)觀測(cè)的,這就可能產(chǎn)生誤差。通常一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)(要保證較高精度的情況下)就需要30min,一個(gè)多天線子系統(tǒng)8個(gè)天線總共就須觀測(cè)4h。也就是說(shuō)第一個(gè)觀測(cè)值和第八個(gè)觀測(cè)值可能至少相差4h左右。4h前的點(diǎn)位可能發(fā)生了變化,這樣就可能產(chǎn)生誤差。比如在洪峰來(lái)臨時(shí)大壩受到的壓力很大,幾分鐘之內(nèi)大壩的位移就可能達(dá)到10多厘米,4h提供一次數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能達(dá)到變形監(jiān)測(cè)的要求。由于變形監(jiān)測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性,實(shí)時(shí)觀測(cè)變得越來(lái)越重要,減少觀測(cè)時(shí)間,提高觀測(cè)效率是變形監(jiān)測(cè)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

        2.2 提高GPS一機(jī)多天線定位精度的方法

        2.2.1 對(duì)常規(guī)誤差的處理

        (1)衛(wèi)星鐘差:采用二項(xiàng)式模擬改正。

        (2)衛(wèi)星星歷誤差:在多個(gè)測(cè)站上對(duì)同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè),然后求差?;蛑苯硬捎孟鄬?duì)定位。

        (3)地球自轉(zhuǎn)影響:采用模型改正。

        (4)相對(duì)論效應(yīng):統(tǒng)計(jì)模型改正。

        (5)電離層折射:利用電離層模型改正,采用雙頻接收機(jī)減少電離層延遲,同步觀測(cè)求差。

        (6)對(duì)流層折射:利用對(duì)流層模型改正,采用雙頻接收機(jī)減少電離層延遲,同步觀測(cè)求差。

        (7)多路徑效應(yīng):安置天線時(shí)避開(kāi)地面強(qiáng)反射物,采用防多路徑效應(yīng)天線。

        (8)接收機(jī)方面的誤差:采用高精度的接收機(jī),定期對(duì)天線進(jìn)行校驗(yàn)。

        2.2.2 對(duì)附加誤差的處理(1)信號(hào)衰弱誤差:采用信號(hào)放大器,用高質(zhì)量的傳輸方式。(2)不同時(shí)觀測(cè):對(duì)多天線控制器進(jìn)行改造。

        3 常規(guī)GPS定位與GPS一機(jī)多天線定位精度的比較

        為了對(duì)GPS一機(jī)多天線的精度有一個(gè)清楚的了解,我對(duì)二組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了解算:

        數(shù)據(jù)1:采用雙頻Ashtech接收機(jī)對(duì)4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)所得的數(shù)據(jù);

        數(shù)據(jù)2:采用一機(jī)多天線系統(tǒng)對(duì)其中4點(diǎn)的觀測(cè)所得的數(shù)據(jù)。

        我分別對(duì)這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算的結(jié)果如下:

        數(shù)據(jù)1解算的結(jié)果。

        表1

        數(shù)據(jù)2的解算結(jié)果。

        表2

        對(duì)比以上結(jié)果,可以看出常規(guī)GPS的精度為1~2個(gè)mm,一機(jī)多天線的精度為2~3個(gè)mm。精度均能滿(mǎn)足變形監(jiān)測(cè)的要求一機(jī)多天線與常規(guī)GPS的精度相比差不多。

        4 應(yīng)用總結(jié)

        (1)雙頻接收機(jī)的測(cè)量結(jié)果與單頻的相比,在觀測(cè)條件較好的測(cè)點(diǎn)上,兩種接收機(jī)的效果相當(dāng);但在觀測(cè)條件較差的測(cè)點(diǎn)上,雙頻比單頻的效果好。

        (2)從觀測(cè)時(shí)間上看,在觀測(cè)時(shí)間達(dá)到45min時(shí),觀測(cè)精度基本能達(dá)到監(jiān)測(cè)要求,但觀測(cè)條件差時(shí),需延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間才能取得達(dá)到精度要求的數(shù)據(jù)。

        (3)采用GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng),GPS觀測(cè)中誤差在3mm左右,但外符合精度差。這需要采用濾波算法。

        采用一機(jī)多天線系統(tǒng),由于需要的高精度的GPS接收機(jī)的數(shù)量極大地減少,整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)隨之下降,但沒(méi)有影響系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度。只要處理得當(dāng),解算合理,多天線系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果完全可以與常規(guī)GPS測(cè)量結(jié)果的精度相當(dāng)。綜合考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和成本,采用一機(jī)多天線技術(shù)的形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有很好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

        [1]劉大杰,施一明,等.全球定位系統(tǒng)的原理與數(shù)據(jù)處理.

        [2]徐紹銓?zhuān)?GPS在大壩和滑坡安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的研究.水力發(fā)電,2003,29(1):61~64.

        [3]何秀鳳,華錫生.“GPS一機(jī)多天線變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè),2002,26(3):34~37.

        [4]何秀鳳,丁曉利.GPS一機(jī)多天線技術(shù)的研究及應(yīng)用研究報(bào)告.

        P256

        A

        1004-7344(2016)28-0206-02

        2016-8-13

        劉得永(1985-),男,助理工程師,本科,主要從事測(cè)繪工程工作。

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