GPS多天线阵列测量系统的应用研究.docx

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GPS多天线阵列测量系统的应用研究

GPS多天线阵列测量系统的应用研究

摘要：

随着科技的发展以及国家各个打工程项目的要求，GPS多天线阵列测量系统已经逐步运用起来，并受到了大家一致的支持认可和推广。

和传统的测量方式相比，GPS多天线阵列测量系统有显著的特点和优势，不受天气等外在因素的干扰，也减少了人力成本，容易长时间远距离高难度的测量。

同时，GPS多天线阵列测量在水利水电工程、地质灾害等大规模工程中被广泛运用，尤其在大坝、大桥等方面，对促进我国的建设发展发挥了不可替代的作用，具有重要意义。

关键词：

GPS；多天线阵列；测量；大规模工程；优势

1GPS的概述

1.1GPS的定义

GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称。

利用GPS定位卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统。

由美国国防部研制建立的一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统，能为全球用户提供低成本、高精度的三维位置、速度和精确定时等导航信息，是卫星通信技术在导航领域的应用典范，它极大地提高了地球社会的信息化水平，有力地推动了数字经济的发展。

GPS1964年投入使用。

20世纪70年代，美国陆海空三军联合研制了新一代卫星定位系统GPS。

主要目的是为陆海空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报搜集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

1.2GPS的主要功能

1.2.1导航

导航是引导某一设备，从指定航线的一点运动到另一点的方法。

随着世界各个地区的联系越来越频繁，人们从一个地方到领一个地方的需求越来越大，也就促使了GPS的发展以及广泛应用。

GPS导航功能使得人们能精确地知道目的地所在点以及如何到达目的地，为人们带来了巨大的便利。

1.2.2定位

在现实生活方面，GPS定位主要用于对移动的人、宠物、车及设备进行远程实时定位监控的一门技术。

在工程测量方面，应用GPS静态相对定位技术，布设精密工程控制网，用于城市和矿区油田地面沉降监测、大坝变形监测、高层建筑变形监测、隧道贯通测量等精密工程。

加密测图控制点，应用GPS实时动态定位技术（简称RTK）测绘各种比例尺地形图和用于施工放样。

在航空摄影测量方面，我国测绘工作者也应用GPS技术进行航测外业控制测量、航摄飞行导航、机载GPS航测等航测成图的各个阶段。

在地球动力学方面，GPS技术用于全球板块运动监测和区域板块运动监测。

我国已开始用兵GPS技术监测南极洲板块运动、青藏高原地壳运动、四川鲜水河地壳断裂运动，建立了中国地壳形变观测网、三峡库区形变观测网、首都圈GPS形变监测网等。

GPS技术已经用于海洋测量、水下地形测绘。

1.3GPS的工作原理

空间中的任意三个点可以确定一个平面，而假如在这个平面上有一个点，它在什么位置是未知的，但是知道它与另外三个点的位置关系，就可以求出这个未知点的平面坐标；若在空间直角坐标系中，则需知道它与四个点的位置关系才可确定，全球定位系统就是依照这个数学原理于1973年11月在美国国防部诞生。

GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。

它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。

二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。

三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。

民用的定位精度可达10米内。

1.4GPS的发展

1.4.1第一阶段

方案论证和初步设计阶段

从1978年到1979年，由位于加利福尼亚的范登堡空军基地采用双子座火箭发射4颗试验卫星，卫星运行轨道长半轴为26560km，倾角64度。

轨道高度20000km。

这一阶段主要研制了地面接收机及建立地面跟踪网，结果令人满意。

1.4.2第二阶段

全面研制和试验阶段

从1979年到1984年，又陆续发射了7颗称为“BLOCKI”的试验卫星，研制了各种用途的接收机。

实验表明GPS定位精度远远超过设计标准，利用粗码定位，其精度就可达14米。

1.4.3第三阶段

实用组网阶段

1989年2月4日第一颗GPS工作卫星发射成功，这一阶段的卫星称为“BLOCKII”和“BLOCKIIA”。

此阶段宣告GPS系统进入工程建设状态。

1993年底实用的GPS网即（21+3）GPS星座已经建成，今后将根据计划更换失效的卫星。

2GPS多天线阵列测量的概述

GPS多天线阵列测量系统是由数据采集、数据传输、数据处理3个部分组成。

数据采集部分的核心是GPS多天线共享器，它将价格昂贵的接收机阵列变成了相对便宜的天线阵列。

GPS多天线共享器可以使一台GPS接收机控制多个GPS天线，每个监测点上只安装GPS天线，不用安装GPS接收机，这样就可以使监测系统的成本大幅度下降。

2.1GPS多天线阵列测量的用途

GPS多天线控制系统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。

用于大坝变形观测、建筑物安全监测,而且可以对可能发生滑坡、崩塌、泥石流等地质灾害区域进行不间断的连续的监控。

2.2GPS多天线阵列测量的特点

2.2.1测站间无需通视

GPS测量只需测站上空开阔即可，从而使变形监测的点位布设方便灵活，并节省不必要的中间过度点，节省开支。

2.2.2同时提供监测点的三维位移信息

2.2.3全天候监测

GPS测量不受气候条件限制，配备防雷设施后，GPS变形检测系统便可以实现全天候观测，它对防汛抗洪、滑坡、泥石流等地质灾害检测等领域极为重要。

2.2.4检测精度高

2.2.5操作简便，易于实现检测自动化

2.2.6GPS大地高用于垂直位移测量。

本产品较以前的检测系统1、成本低；2、测量精度高；3、操作简便，易于实现监测自动化等特点，具有良好的社会和经济效应。

2.3GPS多天线阵列测量的现状

随着我国经济建设的飞速发展，我国各种工程建设正进入一个蓬勃发展的新时期，各种大型重点建设项目不断出现。

然而，目前人们对各类工程所需研究的地质条件、水文情况、自然环境因素的影响等客观规律，在认识上还有一定的局限性，使工程建设的各环节包含着一定的风险因素。

虽然人们可以精心设计、精心施工，提高工程的安全度，将失事概率减低到最小程度，但仍然可以认为没有绝对安全的工程。

这些工程建筑物在各种力的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。

因此,对工程建筑物进行安全监测和监控是十分必要的，将起到耳、目的重要作用，是保证工程安全运行的重要措施之一。

对建筑物进行监测，利用变形监测资料进行分析，及时掌握其运行状态及变化趋势，及时发现危及安全的异常因素，在事故发生之前采取对策，从而保证建筑物运行安全，充分发挥其经济效益和社会效益。

因此GPS多天线测量的研究对我国的建设发展有重大意义，

3GPS多天线阵列测量在大坝的应用

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。

3.1浦东新区海堤防汛墙位移监测试验

浦东海塘GPS位移监测系统一期工程选择了位于三甲港海滨浴场和向阳圩码头附近的两处进行监测。

GPS基准站选在海塘大堤的张家浜控制点，在大堤断面选取3个监测点并精确丈量距离。

根据海塘大坝段面的特点，GPS天线分别安装在不同的位置，如图1所示

实验观测了3个小时，进行了4轮回试验，考虑在观测过程中卫星分布状况的变化和外界条件的干扰，最后的解算结果取平均值，这样可以保证解算结果的可靠性。

图2显示了基线布局，结果如表4所示。

表1基线已知值和解算均值的比较

基线向量

已知值（m）

解算均值（m）

差值（mm）

O-B

4.221

4.225

+4

O-A

7.884

7.885

+1

O-C

12.319

12.323

+4

3.2天荒坪电站GPS变形监测试验

天荒坪电站的形变监测系统包括上水库、下水库。

我们首先对天荒坪电站上水库进行的GPS监测网精度研究，得到了一些有益结论：

观测时间达到45分钟时，观测精度基本能达到监测的要求；

采用GPS监测网，GPS观测中误差在3毫米左右；

在观测条件较好的测点上，两种接收机的效果相当；但在观测条件较差的测点上，双频机比单频机的效果好。

我们在天荒坪电站的上水库大坝上进行了GPS一机多天线系统形变监测试验。

取TS07作为基准点，TPZ8、PZ10、PZ11为观测点，监测点布置如图3所示。

我们利用自行开发的软件分割和组合GPS观测数据，将切割后合并的O文件以及其对应的N文件一起进行基线解算，并且在解算过程中考虑剔除GDOP不好的卫星。

表2列出了天荒坪GPS一机多天线监测基线解算结果。

表2GPS多天线方法基线解算结果

基线向量

基线长（m）

中误差（m）

TS07-TPZ8

457.818

0.003

TS07-PZ10

357.252

0.002

TS07-PZ11

306.797

0.002

4GPS多天线阵列测量在大桥的应用

东海大桥起始于上海浦东南汇区的芦潮港，北与沪芦高速公路相连，南跨杭州湾北部海域，直达浙江省嵊泗县崎岖列岛的小洋山岛。

东海大桥为全长约31km的曲线桥梁，其中跨海段25km。

整座桥包括2座大跨度海上斜拉桥、4座大跨度的预应力连续梁桥，大量的大跨径为整跨安装的非通航孔。

这里我们以东海大桥的监测为例子。

4.1东海大桥GPS多天线阵列变形监测系统的布设原则

东海大桥具有桥体长、桥面宽、分段建造的特点。

如果只在大桥的两岸布置两基准站直接对大桥上的监测点进行监测，则两基准站之问的基线将长达约40km。

这样的GPS中长基线是难以保证监测精度的。

因此，提出在变形监测时将桥梁分段处理，即采用两级布网、分段监测、分段解算的原则。

4.2基准点的布设

首先在大桥两岸适当位置布设两个基准点，这两个基准点的布设方法、布点标准与IGS站的布设方法相同。

通过与上海、北京、武汉等地的IGS站进行联测，确定这两个基准点在ITRF框架下的精确坐标。

这两个基准站每天24h连续运行。

两基准点位置的选择应以透空度良好（仰角10。

以上无遮蔽物），地质稳定性佳，远离电磁波干扰源等为必要条件。

此外，供电、通讯及交通的方便性也会影响设站以及站点运转的维护开支，故这些也是选择站点的重要因素。

在每个基准站上安置一套高精度双频GPS接收机以及可抑制多路径效应的天线，天线安置在坚固的观测墩上。

接收机和备用电源等放置在简易玻璃房或既有建筑物内。

基准站的电源以交流电为主，使用蓄电池作为备用电源。

4.3工作基点的布设

在东海大桥的桥面上修建5个永久观测墩，每个观测墩上安置天线、接收机、串口设备服务器、远程室外路由器及切割栅状抛物面天线作为工作基点。

工作基点上的（净S接收机保持24h连续观测，与两岸的基准点联测，通过基准点对工作基点坐标进行改正。

用坐标改正后的工作基点对大桥进行监测或用工作基点的坐标改正值对监测点坐标进行改正。

由于大桥建设具有分段结构的特点，在布设5个工基点时考虑这一特点，将大桥分为6段，工作基点就设置在段与段的相连处。

将陆上段和浅滩段全长约4km作为变形监测的第一段；将跨海段等间距划分4级，每段约长6．2km；将1．9km的海堤和1．66km的桥梁结构组成的连岛段作为最后一段。

每段的两基准站之间距离大约在5～6km，这样就将原来的长基线观测进行了拆分。

4.4监测点的设计

跨海的24km桥段，每100m布设一个监测点，其余6km桥段每150m布设一个监测点，在特殊部位如：

主、辅通航孔和连岛段的大桥等处适当增加监测点。

共布设296个GPS监测点，需要天线296+7=303个，GPS多天线共享器37台，GPS接收机37+7=44台。

通过无线通信技术将GPS数据传输到控制中心的计算机上，然后进行变形分析。

结论致谢：

和传统的测量监测方法相比，GPS多天线阵列测量有显著的优势，尤其在水利水电工程等复杂的工程方面，为人类节省了人力成本、资金成本等。

而且GPS多天线阵列测量不受天气等因素的影响，全天候的观测，几乎可实现系统的全自动化，便于技术人员的操作，同时也做到了测量的精确性。

在本次毕业论文的制作过程中，感谢指导老师老师的悉心指点，让我在论文的理论构架与逻辑结构方面受益非浅。

参考文献：

[1]廖远琴，东海大桥GPS多天线阵列变形监测方案设计[D].2005（6）:

10-12.

[2]王永弟，GPS多天线阵列变形监测系统研究[D].2005:

5-6

[3]何秀凤，GPS一机多天线技术在大坝、边坡形变监测中的应用[D].2009:

3-4

[4]王永弟,GPS多天线阵列变形监测系统研究[D]．2005:

10-12