基于高精度北斗定位的大壩形變監測*

吳煥瑯,蔣云鐘

(1. 福建三元達通訊股份有限公司,福州 350000；2. 中國水利水電科學研究院)

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基于高精度北斗定位的大壩形變監測*

吳煥瑯1,蔣云鐘2

(1. 福建三元達通訊股份有限公司,福州 350000；2. 中國水利水電科學研究院)

北斗大壩形變監測是北斗衛星高精度定位的一種具體應用，本文主要介紹北斗大壩形變監測系統的組成結構、數據處理流程，以及使用定位數據處理誤差改正模式來提高監測精度的方法。采集的北斗衛星數據通過通信網絡送到數據處理中心，解算數據得到監測點和基準站的相對位移，從而達到監測大壩形變的目的。

北斗；高精度定位；大壩形變；誤差改正

引 言

北斗大壩形變監測主要采用北斗差分定位方式，在一個已知經緯度等信息的基準站設置高精度北斗接收機，在大壩壩體上設置的若干高精度北斗接收機等設備作為監測點，同時觀測相同的北斗衛星，獲取相應的北斗衛星數據。采集的北斗衛星數據通過通信網絡送到數據處理中心，解算數據得到監測點和基準站的相對位移，從而達到監測大壩形變的目的[1]。

1 北斗大壩形變監測系統組成

北斗大壩形變監測系統由數據采集子系統、通信網絡、數據分析處理中心、遠程監控平臺等構成。

1.1 數據采集子系統

數據采集子系統包括基準站和監測點兩部分。數據采集子系統功能是：采集基準站及監測站的定位信息，并定時向數據處理中心發送采集的數據。

基準站是整個監測系統的基準參考，需建在穩定的基巖上，基準站安裝高精度北斗接收機采集衛星觀測數據。監測站分布在整個形變區域特征點上，即在壩體預埋多個高精度北斗接收機、電子數據采集主機和電子傳感器作為監測站。

1.1.1 數據采集主機

數據采集主機特點如下：

① 高精度衛星接收機一次輸出的數據量較大，要求緩存較大，通信鏈路斷時需要本地保存大量數據，要求外接TF存儲器作為北斗數據存儲器。MCU選用ST公司的一款Cortex-M3芯片。

② 數據采集主機與高精度北斗衛星接收機同在一個金屬殼體內部，連接高精度北斗接收機的串口不需防雷處理，采用普通串口即可。UART1 RS232連接北斗接收機，采集北斗數據。

③ 隔離485接口主要連接電子式水平傳感器、垂直位移傳感器、485接口水位計、485接口雨量傳感器、土層濕度傳感器等。

④ 帶防護裝置的網口用于連接通信網絡，向數據處理中心發送采集的北斗定位數據和外部傳感數據。

⑤ 4～20 MA模擬信號輸入口用于連接4～20 MA輸出接口的雨量傳感器、水位計、土層濕度傳感器等。輸入信號經過電流/電壓變換后送入MCU的A/D轉換器進行數字化處理。

⑥ 許多翻斗式雨量傳感器等輸出的是脈沖信號，可以通過計數脈沖輸入口接入。計數脈沖經過普通MCU的I/O口輸入，結合內部定時器/計數器統計雨量。

數據采集主機原理框圖如圖1所示。

1.1.2 大壩形變監測常用的電子傳感器

(1) 水位計

水位計種類比較多，有浮子式水位計、超聲波水位計、壓力式水位計、投入式水位計等，各有特點，使用時要根據壩體周圍的具體情況選用。

① 浮子式水位計其原理是由浮子感應水位的升降。有用機械方式直接使浮子傳動記錄結構的普通水位計，有把浮子提供的轉角量轉換成增量電脈沖或二進制編碼脈沖作遠距離傳輸的電傳、數傳水位計，還有由微型浮子和許多干簧管組成的數字傳感水位計等。應用較廣的是機械式浮子水位計。應用浮子式水位計需有測井設備，只適合于岸坡穩定、河床沖淤很小的低含沙量河段使用。

② 超聲波水位計是反射式水位計的一種，應用聲波遇不同介面反射的原理來測定水位。分為氣介式和水介式兩類。氣介式以空氣為聲波的傳播介質，換能器置于水面上方，由水面反射聲波，根據回波時間可計算并顯示出水位。儀器不接觸水體，完全擺脫水中泥沙、流速沖擊和水草等不利因素的影響。水介式是將換能器安裝在河底，向水面發射聲波，也不需要建測井。兩種水位計均可用電纜傳輸至室內顯示或存儲記錄。

③ 壓力式水位計的工作原理是測量水壓力，推算水位。其特點是無需建靜水測井，可以將傳感器固定在河底，用引壓管消除大氣壓力，從而直接測得水位。壓力式水位計有兩類：一類為氣泡型，在引壓管中不斷輸氣，用自動調節的壓力天平將水壓力轉換成機械轉角量，從而帶動記錄機構；另一類為電測型，它應用固態壓阻器件作傳感器，可直接將水壓力轉變成電壓模量或頻率量輸出，然后用導線傳輸至岸上進行處理和記錄。

④ 跟蹤式水位計又稱接觸式水位計，利用重錘上的電測針接觸水面發出電信號，使電機正轉或逆轉，隨時跟蹤水面點的位置，從而測定水位。一般在較陡岸坡上架設鐵管，懸錘和懸索在管道中升降，驅動記錄或信號裝置。鐵管進水口需有沉沙和凈水設施。

⑤ 投入式液位計是基于所測液體靜壓與該液體高度成正比的原理，采用擴散硅或陶瓷敏感元件的壓阻效應，將靜壓轉成電信號。經過溫度補償和線性校正，轉換成4～20 mA標準電流信號輸出。投入式液位計的傳感器部分可直接投入到液體中，變送器部分可用法蘭或支架固定，安裝使用較為方便。

考慮數據采集主機用以連接傳感器的接口只有485接口和4～20 mA輸入接口，因此選用水位時應考慮接口匹配。

(2) 雨量傳感器

最常用的雨量傳感器是翻斗型雨量傳感器，主要工作原理是承水口收集的雨水，經過上筒(漏斗)注入計量翻斗，翻斗是用工程塑料注射成型的，由中間隔板分成兩個等容積的三角斗室。它是一個機械雙穩態結構，當一個斗室接水時，另一個斗室處于等待狀態。當所接雨水容積達到預定值0.4 mm(假定測量精度為0.4 mm)時，由于重力作用使自己翻倒，處于等待狀態，另一個斗室處于接水工作狀態。當其接水量達到預定值時，又自己翻倒，處于等待狀態。在翻斗側壁上裝有磁鋼，它隨翻斗翻動時從干式舌簧管旁掃描，使干式舌簧管通斷。即翻斗每翻倒一次，干式舌簧管便接通一次送出一個開關信號(脈沖信號)。

翻斗式雨量傳感器直接通過數據采集主機的計數脈沖輸入接口傳送脈沖數據。

雨量信息采集可以不使用雨量傳感器，直接采用雨量監測站通過無線GPRS網絡向數據處理中心傳送氣象數據。

(3) 位移傳感器

高精度北斗衛星接收機本身可以進行水平和垂直位移測量，考慮成本及安裝方便等因素，時常將高精度北斗衛星接收機與電子位移傳感器結合使用。位移傳感器包含水平位移和垂直位移傳感器，主要有電感式、電容式、光電式、霍爾式、渦流式位移傳感器，激光位移傳感器使用比較方便，不用其他外部設備，可以輸出數字和模擬信號，可以與數據采集主機的485接口或4～20 mA輸入接口相連接。

1.2 數據處理與分析中心

數據處理中心負責接收處理基準站和監測點北斗數據，數據處理中心將星歷、原始觀測數據如衛星號、偽距、偽距標準差、載波相位、載波相位差、瞬時載波多普勒頻率、載噪比、連續跟蹤秒數等數據采用雙差解算模式，在優化載波相位差分數據處理方法的基礎上，同時處理基準站和監測站載波相位數據，得到精確的監測點相對于基準點的形變量，從而獲取整個壩體區域的形變信息。

數據處理中心主要由通信網絡、數據處理軟件、服務器等組成。

1.3 遠程監控中心

遠程監控中心可與數據處理中心并置，遠程監控中心是整個系統的神經中樞，負責監測信息的處理，融合水文、氣象等信息，組成大壩形變監測信息自動處理與應急預警信息平臺。

2 北斗數據處理流程

北斗數據處理主要可分為數據清理、數據處理、結果分析等幾個流程，具體如圖2～圖4所示。

圖2 數據清理流程圖

圖3 數據處理流程圖

圖4 結果分析流程

3 數據處理誤差改正模型

在相對定位中，涉及的關鍵數據處理過程是基線解算，基線解算可以分為：長基線、中長基線和短基線三種類型。這里介紹短基線數據處理中相關的誤差影響因素[2]、誤差消除或削弱的方法。

3.1 短基線的衛星星歷誤差影響

由衛星星歷所給出的衛星位置與實際衛星位置的差值稱為衛星星歷誤差。星歷誤差的大小取決于衛星定軌系統的質量，如定軌站的數量及其地理分布、觀測值的數量及其精度、定軌的數學力學模型和定軌軟件的完善程度等。在一般工程應用中，特別是北斗短基線的數據處理中，由于基線較短，通常采用廣播星歷即可滿足應用的要求。

在相對定位中，衛星的星歷誤差對解算精度影響較小，利用廣播星歷進行相對定位時，即使基線長度達到56 km時，其誤差影響仍然保持在1 cm以內，故對于短基線(10 km 以內)來說，其誤差的影響非常小，可以忽略不計。

3.2 短基線的衛星鐘差與接收機鐘差影響[3]

衛星上計時工具是高精度的原子鐘，但衛星鐘也不可避免地會產生誤差，這種誤差既包含系統性的偏差(如鐘差、鐘速、鐘漂等)，也包括隨機性質的偏差。系統誤差可以通過檢驗和對比來確定，并通過相應的數學物理模型加以改正；而隨機誤差只能通過鐘的穩定度來描述其統計特性，無法確定其具體的大小和方向。

與衛星鐘一樣，接收機鐘也會產生誤差，接收機鐘為石英鐘，接收機鐘差較衛星鐘差來講要顯著一些。該項誤差主要取決于鐘的質量，與使用的環境也有一定的關系。它對測碼偽距觀測值和載波相位觀測值的影響是相同的。

某一時刻t0的鐘差一般可以表示為：

式中：a0為t0時刻該鐘的鐘差；a1為t0時刻該鐘的鐘速；a2為t0時刻該鐘的加速度的一半。

利用載波相位觀測值進行相對定位時，根據衛星導航電文所給的衛星鐘參數而求得的衛星鐘差不能作為最后的精確值，在建立觀測方程時必須將其視為未知參數。由于進行同步觀測時，不同的觀測值中會包含有同樣的鐘差影響，故可以通過觀測方程相減來消除這些鐘差的影響。假設同步觀測n顆衛星，在短基線(甚至長基線)數據處理中，首先選擇一個衛星作為基準星，并將其余的(n-1)個觀測方程分別與基準星觀測方程相減，那么在這(n-1)個求差以后的新觀測方程中，某一對應的時刻t0接收機的鐘差將被消除。

在兩站之間，進行站間單差就可以將衛星鐘差消除。把不同時刻，不同站間的鐘差視為一個獨立的未知參數，通過相應的觀測方程相減來消除這些鐘差的影響，最后再組成法方程。

3.3 短基線的電離層延遲影響

衛星電磁波信號在穿過電離層時，傳播速度會產生變化，變化程度主要取決于載波信號頻率和電離層中的電子密度；傳播路徑也會發生略微的彎曲，由此而產生的誤差影響稱為電離層延遲誤差。

消除和削弱電離層延遲的方法有很多，比如模型法，包括Bent模型、國際參考電離層模型、Klobuchar模型和雙頻改正模型等。還有用實測雙頻觀測值來建立電離層延遲改正模型等，在不同的觀測條件下采用相應的模型可以較好地削弱電離層延遲影響[4]。但目前最常用的為采用雙頻觀測值消除電離層影響，利用雙頻觀測值消除一階項電離層影響后，剩余的高階項影響對于短基線來說一般很小，可忽略不計。

3.4 短基線的對流層延遲影響

對流層延遲一般泛指中性大氣層對電磁波的折射。中性大氣層包括對流層和平流層，大約是大氣層從地面向上40 km部分。由于折射的80%發生在對流層，所以通常也叫做對流層折射延遲。對流層對于15 GHz的射電頻率呈中性，信號傳播產生非色散延遲，使電磁波傳播路徑比幾何距離長。電磁波在對流層的傳播速度只與大氣的折射頻率及電磁波傳播方向有關，與電磁波頻率無關。

對流層折射影響通常表示為天頂方向的對流層折射量和與高度角相關的投影函數M的乘積。并且對流層延遲的90%是由大氣中干燥氣體引起的，稱為干分量；其余10%是由水汽引起的，稱為濕分量。因此，對流層延遲可用天頂方向的干、濕分量延遲及其相應的投影函數表示[5]：

式中：ΔPtrop為對流層總延遲；ΔPz,dry為天頂方向對流層干分量延遲；Mdry(E)為相應的對流層干分量投影函數；ΔPz,wet為天頂方向對流層濕分量延遲；Mwet為相應的對流層濕分量投影函數。

常見的確定對流層延遲改正的有Hopfield模型、Saastamoinen模型等。投影函數有Marini(1972)、Chao(1972)、Davis(1985)及Niell(1996)等模型。在精密定位中經常采用Niell模型，Niell模型除了考慮緯度因素外，還考慮了對流層的季節性變化和高度不同的影響，其不包含氣象元素，不會受氣象元素觀測誤差的影響，其沒有考慮實測的氣象數據，也能與無線電探空數據計算出的投影模型相符合。對流層影響利用模型改正后，干分量部分的改正精度可以達到cm級，而濕分量部分的殘余影響還比較大，在精密定位中，必須利用參數估計的方法將對流層殘余影響當作一個參數進行估計。

大壩形變監測精度要求達到mm級，需要對以上幾個誤差進行建模處理,方能滿足要求。

結 語

北斗高精度大壩形變監測主要是利用連續運行衛星定位參考站技術、衛星定位數據高精度處理技術、物聯網技術、通信技術及信息處理技術等，實現對大壩形變的全天候、自動化、高精度、高可靠監測，具有要求通視的常規測繪技術無法比擬的優勢。

[1] 陳實,軟曉偉,林春和.采用GPS定位技術進行堤壩形變監測[J].東北測繪,1998(3).

[2] 苗成慧，青盛. GPS基線解算方法分析[J].四川建筑, 2007,27(4).

[3] 趙娟.GPS單點定位星歷和鐘差研究[D].遼寧：遼寧工程技術大學，2011.

[4] 袁運斌.基于GPS的電離層監測及延遲改正理論與方法的研究[D].中國科學院測量與地球物理研究所，2002.

[5] Jan Kouba, Pierre Héroux. Precise Point Positioning Using IGS Orbit and Clock Products[EB/OL].[2013-08]. http://link.springer.com/article/10.1007/PL00012883#.

吳煥瑯(高級工程師)，主要研究方向為嵌入式系統開發，北斗高精度定位。從事電信通信、電子開發、技術管理等工作20多年。

(責任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2013-08-10)

參考文獻

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[3] Omni Vision Technologies. OV7670/OV7171 CMOS VGA CAMERACHIPTM with omni pixel technology,Version 1.3[EB/OL].[2013- 09].http://www.ovt.com.

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[6] 宋海吒,唐立軍,謝新輝.基于FPGA和OV7620的圖像采集及VGA顯示[J].電視技術,2011,35(5):45- 47.

高強(碩士研究生)，研究方向為圖像采集與信息處理；王煒(副教授),研究方向為電氣傳動自動化；劉建(碩士研究生),研究方向為嵌入式系統開發；郭毓敏(碩士研究生),研究方向為EDA技術。

(責任編輯：楊迪娜 收修改稿日期：2013-09-06)

Wu Huanlang1,Jiang Yunzhog2

(1. Fujian Sannada Communication Co.,Ltd.， FuZhou 350000，China;2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research)

Beidou dam deformation monitoring is a practical application of beidou satellite precise positioning, the article mainly introduces the composition of beidou dam deformation monitoring system structure, data processing and using positioning data to process error correction model methods for increasing accuracy of monitoring. Collected beidou satellite data through the communication network to send data processing center, after solver data, monitoring points and the relative displacement of the base station are achieved, it is achieve the purpose of monitoring dam deformation.

Beidou；high precision positioning；dam deformation；error correction

TN966

A