劉華

摘 ? 要：隨著GPS的完善、接收機(jī)性能和解算軟件的不斷改進(jìn)，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(yùn)用到GPS。目前上饒市大坳水庫管理局做為國家一級(jí)水管單位大壩的外部觀測仍采用視準(zhǔn)線法及小角度法進(jìn)行，自動(dòng)化程度不高，工作強(qiáng)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(jìn)一步提高上饒市大坳水利樞紐工程大壩外部觀測的自動(dòng)化程序，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測，本文探索GPS一機(jī)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(yīng)用。

關(guān)鍵詞：精密變形觀測 ?大壩 ?一機(jī)多天線系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：P228.4 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2019）02（c）-0041-02

1 ?監(jiān)測方法

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

第一種方法：用幾臺(tái)GPS接收機(jī)，定期到監(jiān)測點(diǎn)上觀測，對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)施后處理進(jìn)行變形分析與預(yù)報(bào)。

第二種方法：是在監(jiān)測點(diǎn)上建無人執(zhí)守的GPS觀測系統(tǒng)。通過軟件控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測和變形分析、預(yù)報(bào)。

第一種方法費(fèi)用較省，但勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能實(shí)時(shí)監(jiān)測，自動(dòng)化程度很低。第二種方法能實(shí)時(shí)監(jiān)測，自動(dòng)化程度也很高，但由于每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都需要安裝GPS接收機(jī)，使監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)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(tái)GPS接收機(jī)能連接多臺(tái)天線，這樣既降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、提高了自動(dòng)化程度、達(dá)到了實(shí)時(shí)監(jiān)測，而且降低了費(fèi)用成本。由于GPS多天線大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)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(jī)多天線大壩形變監(jiān)測系統(tǒng)

一機(jī)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(tái)GPS接收機(jī)以及處理蕊片組成。微波開關(guān)中的信號(hào)通道的斷通狀態(tài)受開關(guān)控制電路的實(shí)時(shí)控制，并能夠方便地預(yù)設(shè)各個(gè)通道的開通時(shí)間。其它關(guān)健技術(shù)之一是微波中各個(gè)通道GPS信號(hào)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(fēng)能發(fā)電等，非常適合于壩區(qū)等惡劣環(huán)境。

GPS一機(jī)多天線監(jiān)測系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)還涉及GPS信號(hào)的傳輸。由于監(jiān)測的區(qū)域一般比較廣，GPS一機(jī)多天線將不可避免地遇到測點(diǎn)之間遠(yuǎn)距離傳輸造成GPS信號(hào)衰減過大的問題。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定，當(dāng)傳輸距離達(dá)到30～60m時(shí)，信號(hào)的損失已經(jīng)相當(dāng)大，甚至信號(hào)完全丟失。要解決這個(gè)問題，一方面應(yīng)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(jìn)行相當(dāng)?shù)男盘?hào)增強(qiáng)。為此有關(guān)部門也專門研制了相應(yīng)的GPS信號(hào)低噪聲放大器，效果很好。

3 ?大壩GPS自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所需設(shè)備：GPS接收天線若干組，GPS接收機(jī)一臺(tái)，數(shù)據(jù)鏈天線及電臺(tái)若干，用以分析GPS數(shù)據(jù)的可無故障長時(shí)間運(yùn)行的計(jì)算機(jī)主機(jī)，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(diǎn)各5點(diǎn)，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(diǎn)4點(diǎn)、3點(diǎn);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(diǎn)各4點(diǎn)，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(diǎn)3點(diǎn)，觀測點(diǎn)原則上利用原布置的大壩外部觀測點(diǎn)進(jìn)行布置。為提高水平位移觀測精度，縮短每次觀測周期，及時(shí)準(zhǔn)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(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測時(shí)為120 min，每期觀測2個(gè)測回，兩測回觀測采用不同時(shí)間段。

在觀測時(shí)段的安排，主要考慮到水平位移觀測點(diǎn)位移量是相對(duì)水平位移觀測基點(diǎn)的位移，因此每個(gè)時(shí)段都至少有兩個(gè)水平位移觀測基點(diǎn)參與同步觀測，這使得每個(gè)水平位移觀測點(diǎn)都有與兩個(gè)水平位移觀測基點(diǎn)組成同步環(huán)，以加強(qiáng)水平位移觀測點(diǎn)相對(duì)與水平位移觀測基點(diǎn)的觀測精度。

4 ?GPS網(wǎng)觀測及平差計(jì)算

4.1 GPS網(wǎng)觀測

參考已布置GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)在大壩變形監(jiān)測應(yīng)用的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，某工程第一期觀測時(shí)間為2016年 9月30日至10月5日，共觀測2個(gè)測回，采用同一布網(wǎng)方式和觀測方法，每測回共觀測5個(gè)時(shí)段，每時(shí)段觀測時(shí)間不少于120min;第二期觀測時(shí)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(jì)，網(wǎng)中共需觀測75條基線。

第一期觀測了2測回10個(gè)時(shí)段，共150條基線;第二期觀測了2測回12個(gè)時(shí)段，共180條基線。

4.2 GPS 網(wǎng)平差計(jì)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(duì)基線質(zhì)量按 D級(jí) GPS 網(wǎng)的精度要求衡量，對(duì)基線進(jìn)行同步環(huán)基線異步環(huán)、重復(fù)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(jì)算坐標(biāo)系采用WGS-1984坐標(biāo)系，投影中心經(jīng)度為 117°14′（測區(qū)中心經(jīng)度）。

平差時(shí)采用觀測基點(diǎn)1-4坐標(biāo)（100，100，25.509）對(duì) GPS 網(wǎng)進(jìn)行單點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(zhǔn)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(duì)表1結(jié)果的分析，各觀測點(diǎn)在兩次觀測時(shí)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(fù)值為向大壩下游位移，豎向位移正值為上升，負(fù)值為沉降。通過對(duì)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(diǎn)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(jì)要求。

6 ?結(jié)語

GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)是一項(xiàng)國際領(lǐng)先的創(chuàng)新技術(shù)，它是將微波技術(shù)、計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)控制技術(shù)、大地測量數(shù)據(jù)處理和定位算法有機(jī)地結(jié)合起來，僅用一部GPS接收機(jī)互不干擾地接收到多個(gè)GPS天線傳輸來的信號(hào)，通過后處理軟件包實(shí)現(xiàn)精確定位。該系統(tǒng)最大優(yōu)點(diǎn)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(jí)方便的特性。相信隨著科技的進(jìn)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(dòng)化變形監(jiān)系統(tǒng)。

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