探索GPS在大坳水利枢纽工程变形观测中的应用
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摘 要：随着GPS的完善、接收机性能和解算软件的不断改进，目前GPS可用于精密变形监测，且将逐步取代常规的测量方法，在我国许多大坝变形观测中都运用到GPS。目前上饶市大坳水库管理局做为国家一级水管单位大坝的外部观测仍采用视准线法及小角度法进行，自动化程度不高，工作强度较大，每次大坝外部监测需安排四至五人才能完成，在水库管理体制改革的大背景下，人员精减，经常出现人员配备短缺的情况。为了进一步提高上饶市大坳水利枢纽工程大坝外部观测的自动化程序，达到实时监测，本文探索GPS一机多天线系统在大坳水利枢纽工程大坝变形监测中的应用。
关键词：精密变形观测 大坝 一机多天线系统
中图分类号：P228.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）02（c）-0041-02
1 监测方法
利用GPS定位技术进行变形监测，是一种先进的高科技监测手段。目前世界各国对这种监测方法十分重视，投入了一定的人力、物力对其进行研究与试验。而用GPS进行大坝变形观测是GPS技术变形监测的一种典型应用，利用GPS进行变形监测，一般有两种方法。
第一种方法：用几台GPS接收机，定期到监测点上观测，对数据实施后处理进行变形分析与预报。
第二种方法：是在监测点上建无人执守的GPS观测系统。通过软件控制，实现实时监测和变形分析、预报。
第一种方法费用较省，但劳动强度大，不能实时监测，自动化程度很低。第二种方法能实时监测，自动化程度也很高，但由于每个监测点都需要安装GPS接收机，使监测系统的建设费用非常高。
在我国除了上述两种方法外还开发了GPS多天线大坝变形监测系统，使一台GPS接收机能连接多台天线，这样既降低了劳动强度、提高了自动化程度、达到了实时监测，而且降低了费用成本。由于GPS多天线大坝变形监测系统的优点非常突出，故本文着重论述该系统的组成，以及工作原理。
2 GPS一机多天线大坝形变监测系统
一机多天线控制器的硬件部分由具有多通道的微波开关、微波开关控制电路、一台GPS接收机以及处理蕊片组成。微波开关中的信号通道的断通状态受开关控制电路的实时控制，并能够方便地预设各个通道的开通时间。其它关健技术之一是微波中各个通道GPS信号的高隔离度问题。GPS多天线控制器的供电位交直流两用，还可以接受太阳能、风能发电等，非常适合于坝区等恶劣环境。
GPS一机多天线监测系统的关键技术还涉及GPS信号的传输。由于监测的区域一般比较广，GPS一机多天线将不可避免地遇到测点之间远距离传输造成GPS信号衰减过大的问题。根据实验测定，当传输距离达到30～60m时，信号的损失已经相当大，甚至信号完全丢失。要解决这个问题，一方面应提高传输介质性能，如采用损耗电缆或光纤传输;另一方面也可进行相当的信号增强。为此有关部门也专门研制了相应的GPS信号低噪声放大器，效果很好。
3 大坝GPS自动化变形监测系统设计
所需设备：GPS接收天线若干组，GPS接收机一台，数据链天线及电台若干，用以分析GPS数据的可无故障长时间运行的计算机主机，可利用太阳能充电池组组成的供电设备。
在主坝坝前5.0m、坝顶布设2条观测断面，每条观测断面埋设观测点各5点，下游坝坡坝后64.0m、坝后86.0m布设2条观测断面，分别埋设测点4点、3点;副坝坝前5.0m、坝顶处布设2条观测断面，每条观测断面埋设观测点各4点，发电洞闸室及溢洪道闸墩各布置一条观测断面，分别布置测点3点，观测点原则上利用原布置的大坝外部观测点进行布置。为提高水平位移观测精度，缩短每次观测周期，及时准确地提供观测数据，各观测频次采用同一布网方式和观测方法，共观测5个时段，每时段观测时为120 min，每期观测2个测回，两测回观测采用不同时间段。
在观测时段的安排，主要考虑到水平位移观测点位移量是相对水平位移观测基点的位移，因此每个时段都至少有两个水平位移观测基点参与同步观测，这使得每个水平位移观测点都有与两个水平位移观测基点组成同步环，以加强水平位移观测点相对与水平位移观测基点的观测精度。
4 GPS网观测及平差计算
4.1 GPS网观测
参考已布置GPS一机多天线系统在大坝变形监测应用的观测数据进行分析，某工程第一期观测时间为2016年 9月30日至10月5日，共观测2个测回，采用同一布网方式和观测方法，每测回共观测5个时段，每时段观测时间不少于120min;第二期观测时间为2018年3月15日至3月20日，观测和第一次观测采用相同的仪器、相同的布网方式和观测方法。按GPS观测网设计，网中共需观测75条基线。
第一期观测了2测回10个时段，共150条基线;第二期观测了2测回12个时段，共180条基线。
4.2 GPS 网平差计算
基线处理设置采用：（1）双差固定解;（2）模糊度分解方法采用 LAMBDA 法;（3）闭合环搜索深度为 3。对基线质量按 D级 GPS 网的精度要求衡量，对基线进行同步环基线异步环、重复基线检查，以确保所有的观测数据都合格。GPS网平差计算坐标系采用WGS-1984坐标系，投影中心经度为 117°14′（测区中心经度）。
平差时采用观测基点1-4坐标（100，100，25.509）对 GPS 网进行单点约束平差。首次观测GPS网二维平差单位权中误差为0.36mm，最大点位误差為0.83mm;第二次 GPS网二维平差单位权中误差为0.55mm，最大点位误差为0.68mm。以上数据充分表明以上两期GPS网测量的精度较高，能够准确测量出水库大坝水平位移情况。
两期GPS网平差的三维平差部分结果见表 1。
5 观测结果分析
通过对表1结果的分析，各观测点在两次观测时段内水平位移变化情况，水平位移正值为向大坝上游位移，负值为向大坝下游位移，竖向位移正值为上升，负值为沉降。通过对表1分析，上游坝面水平位移量区间为（- 2.0mm～+3.0mm），水平位移不明显，游坝面稳定;坝顶水平位移量区间为（- 0.3 mm～-16.3mm），最大水平位移为-37.7mm;下游坝面水平位移量区间为（-12.8mm～+1.0 mm），某观测点向下游有少量水平位移，位移量为-12.5 mm，观测精度均满足设计要求。
6 结语
GPS一机多天线系统是一项国际领先的创新技术，它是将微波技术、计算机实时控制技术、大地测量数据处理和定位算法有机地结合起来，仅用一部GPS接收机互不干扰地接收到多个GPS天线传输来的信号，通过后处理软件包实现精确定位。该系统最大优点在于显著降低了监测系统的成本，并具有自定义程度高，能耗低，数据可靠性高，保密性好，系统升级方便的特性。相信随着科技的进步，测绘技术的不断发展，必将能够出现更好的大坝GPS自动化变形监系统。
参考文献
[1] 徐绍铨.GPS测量原理及应用[M].武汉：武汉测绘科技大学出版社，2008.
[2] 陈龙飞.工程测量[M].上海：同济出版社，2016.
[3] 李征航，刘志赵.利用GPS定位技术进行大坝变形观测的研究[J].武汉水利电力大学学报，2016，29（6）：44-46.
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