GPS一机多天线技术在大坝.doc

GPS一机多天线技术在大坝、边坡形变监测中的应用
何秀凤
(河海大学卫星及空间信息应用研究所,南京,210098)

概述
GPS卫星定位技术相比于传统的测绘方法有着显著的特点和优越性。它不受天气的干扰，点位间不需通视，容易实施长距离的精确定位。此外，GPS可以进行实时测量，具备良好的自动化和集成化性能，特别适用于动、静态的安全监测和满足较大工程区域内现代施工所需的复杂测量工作。近年来GPS以其特有的优势在形变监测和精密工程测量领域得到了广泛应用。
由于水利水电工程特有的地形及环境条件，工程区域常位于深山峡谷，GPS卫星信号的接收受到限制，造成人们对GPS定位精度的疑虑。目前，GPS技术虽在我国水利水电工程获得了一些应用，但是深层次的开发和推广尚有待进一步的努力。此外，在大坝安全监测中，受GPS定位精度和监测系统成本的影响，GPS技术应用较少，是个十分薄弱的环节。因此，将GPS推广应用到水利水电工程中，研究适合我国国情的大坝安全监测系统和滑坡等地质灾害监测防治系统，对促进我国水利水电事业的发展将有很重要的意义。
GPS一机多天线技术研究是针对GPS在工程应用中存在的问题而开展的。在水利水电工程、地质灾害等大规模工程监测中，如果每个监测点上都安放高精度GPS接收机，尤其是当监测点很多时，会导致监测系统的成本十分昂贵。基于这个问题，我们采用GPS一机多天线技术，通过课题组自行研制开发的GPS多天线控制器，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，实现用一个天线代替一台高精度GPS接收机，这样监测系统的成本可大幅度下降。本项研究成果为GPS技术在大坝安全监测、山体滑坡监测等水利水电工程的应用创造了极为良好的条件。
GPS一机多天线方法
GPS一机多天线控制系统的设计思路如图1所示，它是将无线电通讯的微波开关技术与计算机实时控制技术有机的结合，仅用一部GPS接收机同时互不干扰的接收到8个GPS天线传输来的信号。实现这一思路的关键是开发GPS一机多天线控制器，需要解决的技术问题是确保多天线控制器微波开关中各通道的高隔离度和最大限度地减少GPS信号衰减。
图1GPS一机多天线方法示意图

GPS一机多天线系统中要解决的另一个关键问题是GPS天线信号的传输。由于监测的范围比较广，各监测点之间的距离可能很远，天线信号传输至控制器时将不可避免地产生GPS信号衰减过大的问题。根据我们的测定，当电缆传输距离超过30米时，信号的损失已经相当大。要解决这个问题，一方面应提高传输介质的性能，如采用低损耗电缆或者光纤传输；另一方面也可进行适当的信号增强，为此我们专门研制了相应的GPS信号低噪声放大器，取得了良好的效果。
基于GPS一机多天线技术的变形监测系统
采用GPS一机多天线控制器的变形监测系统如图2所示,它包括下面几个主要部分：数据处理中心,数据传输,GPS多天线控制器,天线阵列,基准站,野外供电系统。
图2GPS一机多天线变形监测系统结构图

数据处理中心包括微机总控、数据处理、数据分析、数据管理四大部分。采用MicrosoftVisualC++或其它相关高级语言编程，具有良好的人-机界面。一旦该系统安装完毕，中心可实现一天二十四小时监测。技术人员不必亲临现场，只需在办公室打开电脑，就可以实时得到监测数据，完全实现监测数据的自动读取、存储和发送。数据处理中心的另一个功能是安全监控综合分析。通过对现场传输来的GPS数据的处理、计算与综合分析，做出预报和预测。
根据形变监测系统实际情况的不同，我们设计了四种数据传输方式：①电话线进行数据通信②无线GMS、GPRS方式进行数据通信③光纤进行数据通信④组网方式进行数据通信。这四种方式各有特点，可根据实际情况和成本灵活选择其一。
GPS多天线变形监测系统数据采集部分安装在野外，工作时供电系统不能间断。如果现场不能提供220V的电源，我们设计风力发电机和太阳能供电系统。正常工作时，风力发电机和太阳能发电机所发的电直接给一个蓄电池充电，保证变形监测系统的持续电力供应。
GPS一机多天线系统在工程形变监测中的应用
⑴小浪底大坝变形监测试验
图3GPS一机多天线监测网布局

我们在小浪底大坝主坝上选择了其中一条测线，来布置GPS多天线控制器连接方案：GPS天线安装在各监测点的观测墩上，各天线通过电缆连接多天线控制器。监测网的GPS基准站设在附近永久观测点上。监测点和基准站组成的GPS监测网如图3所示。
观测试验持续进行了两天，将传统的GPS监测方法和采用GPS一机多天线的监测方法进行了完整的对比性试验。表1和表2分别表示一个时段的基线和测点位置的解算结果。表中的解算结果表明，GPS一机多天线监测系统与常规GPS监测方法精度相当，误差在1－