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1、 概述

GPS衛星定位技術相比于傳統的測繪方法有著顯著的特點和優越性。它不受天氣的干擾，點位間不需通視，容易實施長距離的精確定位。此外，GPS可以進行實時測量，具備良好的自動化和集成化性能，特別適用于動、靜態的安全監測和滿足較大工程區域內現代施工所需的復雜測量工作。近年來GPS以其特有的優勢在形變監測和精密工程測量領域得到了廣泛應用。

由于水利水電工程特有的地形及環境條件，工程區域常位于深山峽谷，GPS衛星信號的接收受到限制，造成人們對GPS定位精度的疑慮。目前，GPS技術雖在我國水利水電工程獲得了一些應用，但是深層次的開發和推廣尚有待進一步的努力。此外，在大壩安全監測中，受GPS定位精度和監測系統成本的影響，GPS技術應用較少，是個十分薄弱的環節。因此，將GPS推廣應用到水利水電工程中，研究適合我國國情的大壩安全監測系統和滑坡等地質災害監測防治系統，對促進我國水利水電事業的發展將有很重要的意義。

GPS一機多天線技術研究是針對GPS在工程應用中存在的問題而開展的。 在水利水電工程、地質災害等大規模工程監測中，如果每個監測點上都安放高精度GPS接收機，尤其是當監測點很多時，會導致監測系統的成本十分昂貴。基于這個問題，我們采用GPS一機多天線技術，通過課題組自行研制開發的GPS多天線控制器，僅用一部GPS接收機互不干擾地接收到多個GPS天線傳輸來的信號，實現用一個天線代替一臺高精度GPS接收機，這樣監測系統的成本可大幅度下降。本項研究成果為GPS技術在大壩安全監測、山體滑坡監測等水利水電工程的應用創造了極為良好的條件。

2、 GPS一機多天線方法

GPS 一機多天線控制系統的設計思路如圖1所示，它是將無線電通訊的微波開關技術與計算機實時控制技術有機的結合，僅用一部GPS接收機同時互不干擾的接收到8個GPS天線傳輸來的信號。實現這一思路的關鍵是開發GPS 一機多天線控制器，需要解決的技術問題是確保多天線控制器微波開關中各通道的高隔離度和最大限度地減少GPS信號衰減。

圖1  GPS一機多天線方法示意圖

GPS一機多天線系統中要解決的另一個關鍵問題是GPS天線信號的傳輸。由于監測的范圍比較廣，各監測點之間的距離可能很遠，天線信號傳輸至控制器時將不可避免地產生GPS信號衰減過大的問題。根據我們的測定，當電纜傳輸距離超過30米時，信號的損失已經相當大。要解決這個問題，一方面應提高傳輸介質的性能，如采用低損耗電纜或者光纖傳輸；另一方面也可進行適當的信號增強，為此我們專門研制了相應的GPS信號低噪聲放大器，取得了良好的效果。

1、 基于GPS一機多天線技術的變形監測系統

采用GPS一機多天線控制器的變形監測系統如圖2所示,它包括下面幾個主要部分：數據處理中心,數據傳輸,GPS多天線控制器,天線陣列,基準站,野外供電系統。

數據處理中心包括微機總控、數據處理、數據分析、數據管理四大部分。采用Microsoft Visual C⁺⁺或其它相關高級語言編程，具有良好的人-機界面。一旦該系統安裝完畢，中心可實現一天二十四小時監測。技術人員不必親臨現場，只需在辦公室打開電腦，就可以實時得到監測數據，完全實現監測數據的自動讀取、存儲和發送。數據處理中心的另一個功能是安全監控綜合分析。通過對現場傳輸來的GPS數據的處理、計算與綜合分析，做出預報和預測。

根據形變監測系統實際情況的不同，我們設計了四種數據傳輸方式：①電話線進行數據通信②無線GMS、GPRS方式進行數據通信③光纖進行數據通信④組網方式進行數據通信。這四種方式各有特點，可根據實際情況和成本靈活選擇其一。

GPS多天線變形監測系統數據采集部分安裝在野外，工作時供電系統不能間斷。如果現場不能提供220V的電源，我們設計風力發電機和太陽能供電系統。正常工作時，風力發電機和太陽能發電機所發的電直接給一個蓄電池充電，保證變形監測系統的持續電力供應。

1、 GPS一機多天線系統在工程形變監測中的應用

⑴小浪底大壩變形監測試驗

圖3   GPS一機多天線監測網布局

我們在小浪底大壩主壩上選擇了其中一條測線，來布置GPS多天線控制器連接方案： GPS天線安裝在各監測點的觀測墩上，各天線通過電纜連接多天線控制器。監測網的GPS基準站設在附近永久觀測點上。監測點和基準站組成的GPS監測網如圖3所示。

觀測試驗持續進行了兩天，將傳統的GPS監測方法和采用GPS一機多天線的監測方法進行了完整的對比性試驗。表1和表2分別表示一個時段的基線和測點位置的解算結果。表中的解算結果表明，GPS一機多天線監測系統與常規GPS監測方法精度相當，誤差在1－3 mm。

 

表1  基線解算結果比較

基線向量	GPS一機多天線監測		GPS常規監測
	基線解算結果 （米）	RMS （米）	基線解算結果 （米）	RMS （米）
0004-0047	21.579	0.000	21.575	0.001
0004-0021	37.515	0.001	37.515	0.001
0004-0003	34.558	0.002	34.558	0.003
0004-0019	143.375	0.001	143.373	0.002
0003-0019	152.693	0.002	152.692	0.002
0021-0019	120.180	0.001	120.178	0.001
0004-0049	139.102	0.001	－	－
0003-0049	126.923	0.003	－	－
0021-0049	159.147	0.002	－	－
0049-0047	122.514	0.000	－	－

 

表2  點位平差結果比較

點號	坐標 分量	GPS一機多天線監測		GPS常規監測
		點位平差結果 （米）	RMS （米）	點位平差結果 （米）	RMS （米）
47	X	4357.160	0.001	4357.157	0.001
	Y	1792.533	0.001	1792.531	0.001
21	X	4317.561	0.001	4317.559	0.001
	Y	1793.782	0.001	1793.783	0.001
4	X	4348.580	0.001	4348.579	0.001
	Y	1772.820	0.001	1772.820	0.001
49	X	4469.163	0.001	－	－
	Y	1842.151	0.002	－	－

注：“－”為未觀測

⑵東江大壩變形監測試驗

東江大壩安全監測網由大、小東江壩面監測點、兩岸山體滑坡監測點和兩個基準點構成。壩區四周山體陡峭, 整個大壩位于Ｖ型峽谷之間，壩區觀測條件不理想，尤其是小東江壩區的滑坡峽谷一側樹木濃密，監測點的觀測條件極不理想。針對以上情況, 我們采用圖4的基線布局來測定GPS多天線系統定位精度。其中Djs 3為基準站，其余各點為監測點。而且每

個時段靜態觀測3小時以上，以滿足所需的精度要求。

 

Djs 3

Xdj 4 3

Xdj 3 3

Xdj 1 3

圖4  東江大壩試驗基線布局

本試驗中有部分觀測點因山體、樹木遮擋而出現周跳過多, 這樣難以確定GPS整周模糊度。為了準確地進行點位三維坐標的解算，在現有的觀測條件下，基線解算前進行了數據預處理，保證基線具有較高的精度。表3列出了基線解算結果。

 

表3    基線解算結果比較

基 線     內 容	Djs3 ~ Xdj4 (m)	Djs3 ~ Xdj3 (m)	Djs3 ~ Xdj1 (m)
由坐標推算出的理論長度	345.0879	358.3914	399.7825
實際觀測解算的基線長度	345.0820	358.3930	399.78270

 

⑶浦東新區海堤防汛墻位移監測試驗

大壩斷面

圖5     試驗現場及GPS多天線系統天線組示意圖

浦東海塘GPS位移監測系統一期工程選擇了位于三甲港海濱浴場和向陽圩碼頭附近的兩處進行監測。GPS基準站選在海塘大堤的張家浜控制點，在大堤斷面選取3個監測點并精確丈量距離。根據海塘大壩段面的特點， GPS天線分別安裝在不同的位置，如圖5所示。

實驗觀測了3個小時，進行了4輪回試驗，考慮在觀測過程中衛星分布狀況的變化和外界條件的干擾，最后的解算結果取平均值，這樣可以保證解算結果的可靠性。圖6顯示了基線布局，結果如表4所示。

表4  基線已知值和解算均值的比較

基線向量	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

 

  

 

⑷天荒坪電站GPS變形監測試驗

天荒坪電站的形變監測系統包括上水庫、下水庫二部分。我們首先對天荒坪電站上水庫進行的GPS監測網精度研究，得到了一些有益結論：①觀測時間達到45分鐘時，觀測精度基本能達到監測的要求；②采用GPS監測網，GPS觀測中誤差在3毫米左右；③在觀測條件較好的測點上，兩種接收機的效果相當；但在觀測條件較差的測點上，雙頻機比單頻機的效果好。

我們在天荒坪電站的上水庫大壩上進行了GPS一機多天線系統形變監測試驗。取TS07作為基準點，TPZ8、PZ10、PZ11為觀測點，監測點布置如圖7所示。

基準點TS07

監測點TPZ8

監測點PZ10

監測點PZ11

圖7   天荒坪電站GPS多天線監測基線示意圖

我們利用自行開發的軟件分割和組合GPS觀測數據，將切割后合并的O文件以及其對應的N文件一起進行基線解算，并且在解算過程中考慮剔除GDOP不好的衛星。

 

表5列出了天荒坪GPS一機多天線監測基線解算結果。

表5  GPS多天線方法基線解算結果

基線向量	基線長（m）	中誤差（m）
TS07 - TPZ8	457.818	0.003
TS07 - PZ10	357.252	0.002
TS07 - PZ11	306.797	0.002

5、 結論

根據我們在小浪底大壩、東江大壩、浦東新區海堤、天荒坪抽水蓄能電站等地進行的試驗結果表明，GPS一機多天線系統達到如下技術指標：⑴開發的GPS一機多天線控制器，使得一臺GPS接收機能接收并處理8個GPS天線的傳來的信號，并且確保多天線控制器中微波開關各通道的高隔離度和最大限度地減少GPS信號衰減；（2）實現2-3毫米的定位精度。

采用GPS一機多天線監測系統，實現了用一個天線代替一臺高精度GPS接收機，從而可以10倍、20倍地降低GPS在大規模工程形變監測中的系統成本，并確保監測的定位精度。此外，靈活的系統設計方案還十分便于系統的更新和升級。GPS一機多天線監測系統還可應用到大型建筑物（高樓、特大橋梁）的安全監測和山體滑坡、泥石流等地質災害監測與防治。