GNSS一機多天線遠程監測系統的研發

趙西安，樊鵬昊，樊英姿

GNSS一機多天線遠程監測系統的研發

趙西安1，樊鵬昊2，樊英姿3

( 1．北京建筑大學測繪與城市空間信息學院，北京100044; 2．中兵勘察設計研究院，北京100053; 3．上海師范大學旅游學院，上海200234)

一、引言

全球導航衛星系統( global navigation satellite system，GNSS)在地殼運動、大地測量、精密工程測量、城市測量等領域得到了廣泛的應用。GNSS接收機能在短時間內以毫米級的水平精度為大壩、橋梁、高層建筑、滑坡體等提供新的變形監測手段［1-2］。GNSS一機多天線技術可以讓一臺接收機同時連接多個監測點上安裝的天線并保證信號的完整性和可靠性，解算出各個天線所在位置的坐標［3］，從而使得整個監測系統的成本得到大幅度降低，而監測精度卻幾乎沒有受到影響［4］。

二、衛星一機多天線遠程監測系統設計

1．系統組成

GNSS一機多天線遠程監測系統是網絡化、自動化的遠程變形監測系統，采用B/S軟件架構、GPS多天線技術、自動化控制技術、網絡數據庫和擴頻通信等技術，只需電腦、智能手機上網就可以隨時隨地對滑坡體、大壩、橋梁、高層建筑等進行實時監測和健康分析。系統的工作原理為［5］:利用GPS多天線控制器分時段連接和控制接收不同監測點上的GPS天線數據，將傳統的在監測點上安裝的多接收機組成的陣列轉變為多天線陣列，每個監測點上只安裝GPS天線，多個天線共用一臺接收機，這樣極大地減少了接收機的需求數量，降低了變形監測的成本，且不會降低監測的精度和可靠性。

GNSS一機多天線遠程監測系統由數據獲取子系統、數據處理子系統和輔助子系統3大系統組成，如圖1所示。其工作流程為在一個或兩個遠離監測區域的穩定點位上安裝GPS接收機作為基準參考站［6］，在監測對象的每個監測點上安裝的GPS天線共用一臺GPS接收機。為了減少信號傳輸過程中的衰減，每個監測點上的天線將接收到的GPS信號經過放大器放大后傳送給GPS多天線控制器，多天線控制器根據不同的觀測時段選擇天線，然后按順序逐個將每個天線接收到的信號傳送給GPS接收機。接收機將信號數據通過無線通信設備傳送到局域網中，利用無線局域網( WLAN)技術把觀測數據實時傳輸到數據處理中心。數據處理中心對接收到的觀測數據進行編輯、整理、解算、存儲等操作，獲得各監測點在每個觀測時期的坐標，再根據早期的觀測數據計算各監測點坐標的變形量，對監測對象的變形情況進行處理、分析，對安全情況及時作出預警。

圖1 系統組成

2．數據獲取子系統

數據獲取子系統由GPS接收機、GPS天線陣列、GPS信號放大器、GPS多天線控制器、無線通信設備等組成。

GPS多天線控制器是本系統的核心部件之一，由天線開關陣列、計算機系統和控制電路組成，分硬件和軟件兩部分。硬件由GPS接收機、若干個GPS天線和具有多個通道的微波開關及相應的微波開關控制電路組成。軟件部分實時控制微波開關中各通道的斷通，從而使各個天線接收到的信號可以互不干擾地傳送給同一臺GPS接收機。

3．數據處理子系統

數據處理中心是整個系統的核心模塊，可以對各個監測點的監測數據進行整理、存儲、分類、計算、分析和圖表顯示、歷史數據查詢、監測結果報表輸出及預警等功能，生成監測點位移變化曲線圖、變化速度曲線圖和監測點變化趨勢供監測人員直觀地對監測數據進行分析，對整個監測對象進行更加科學的分析。

4．輔助子系統

該部分包括供電、綜合布線等部分。把各個天線的電纜穿入PVC管中并埋設到滑坡體表面，連通GPS多天線控制器和GPS接收機，以保證整個系統在各種自然環境下能夠安全、穩定、可靠地運行。

三、一機多天線遠程監測數據處理

1．數據處理流程

系統數據處理流程為:服務器定期接收通過無線網絡傳輸的各個GPS天線觀測的點位數據，解算軟件對數據進行解算，得到各個監測點的大地坐標并存入數據庫中作為原始觀測數據。把系統穩定運行后對各個監測點的首期測量坐標作為變形監測數據分析的基準坐標，以后每期的解算坐標都與基準坐標進行相減運算，即得到每期觀測的點位坐標位移值，如式( 1)所示。把該位移值存儲到數據庫中，根據此數據繪制監測點在三維方向的位移變化曲線圖。同時，根據各期的點位坐標位移值生成監測點變化趨勢圖，分析預測監測點在平面和豎直方向變化趨勢。系統根據每期的點位位移值與上一期的點位位移值相減，如式( 2)所示，計算得到點位坐標變化的速度，生成速度曲線圖，為分析點位的變化快慢情況提供直觀的顯示。數據處理流程如圖2所示。

式中，( Xj0，Yj0，Zj0) ( j=1，2，3，…，n)為各監測點的初始坐標，j為監測點的點號; ( Xi，Yi，Zi) ( i = 1，2，3，…，n)為各監測點的各期觀測數據，i為觀測期數; ( VXi，VYi，VZi)( i=1，2，3，…，n)為監測點的變化速度。

圖2 數據處理流程

2．最小二乘擬合

由于外界環境、監測設備和解算軟件等的誤差影響，解算出的坐標數據帶有一定的誤差，所繪制的坐標變化曲線不一定是平滑的，而是一條繞某一個平滑曲線或近似直線上下波動的曲線。在正常情況下，監測點位如有下沉或其他變形情況，會按照一定的趨勢緩慢、近似平滑地變化，故而直接采用解算出的坐標變化數據對滑坡體進行分析在精確性和可靠性方面有一定的影響。本系統為了避免類似情況，在監測報表輸出時采用了對變形數據進行最小二乘擬合直線的方法［7-8］，反映了點位變化的總體趨勢，符合實際情況。如圖3所示，系統繪制的1號監測點位移變化在所選時間段內在X、Y、Z 3個方向的變化曲線，可以對3個方向的數據進行最小二乘擬合直線，對變形數據進行合理分析。

圖3 1號監測點位移變化曲線

對于選定時間段內的數據組( ti，Xi，Yi，Zi) ( i = 1，2，…，n)，為變形數據期數; ti為數據獲取的時間，求其在X、Y、Z 3個方向的擬合直線。本文只對Z方向的數據進行分析，X、Y方向的擬合與Z方向的方法相同。最小二乘擬合直線的函數模型［8］為

對一組數據( ti，Zi)來說，由式( 3)可以得到誤差方程組為

若令

式( 4)可寫為

式( 5)即為Z方向數據擬合直線的誤差方程式。按照最小二乘原理，認為最佳擬合于各組數據的直線應該使各組數據到該直線的偏差的平方和最小，即滿足

的條件下解算出參數的估值a和c。為了解算出a和c，式( 5)的法方程式(這里視觀測值為等權觀測)為

進一步可得出X即為所求擬合直線的系數a和c。

求出X、Y、Z 3個方向的擬合直線的系數( aX，cX)、( aY，cY)、( aZ，cZ)后，即可按照某一個時間間隔擬合各方向的變形數據。本系統按照每天擬合一個數據的方法對所選時間段內的數據進行擬合，結合位移變化曲線圖、位移變化趨勢圖，使監測人員能直觀、準確地分析滑坡體的變形情況，對變形情況作出準確的預測和采取必要的防范措施。

3．監測預警

監測人員根據項目的要求和規范設置形變預警值YJ，系統自動計算預警，如形變量ΔZi＞YJ，則認為監測對象的形變超過預警，需要采取必要的安全措施。

四、系統開發與應用實現

本系統采用微軟Visual Studio 2010作為開發平臺，采用B/S架構，利用C#和JavaScript語言進行開發。獲取的數據自動記錄在服務器的SQL Server 2008數據庫中，為管理人員提供實時、可靠有效的變形監測數據。系統可實現全天候數據采集、靈活的變形矢量圖形顯示、完善的系統管理功能、瀏覽器端監測數據報表快速下載和監測預警等功能。同時，本系統能夠滿足技術發展的需要，進行相應的技術擴展。

1．系統界面設計

采用B/S架構開發的系統，瀏覽器是客戶端的主要應用軟件，將系統功能實現的核心部分集中到服務器上，簡化了客戶端電腦的載荷，減少了系統維護和升級的工作量和成本。系統監測人員可以在任何有Internet網絡或GPRS的地方用計算機或智能手機實時掌握監測對象的變化情況，科學分析監測數據。

用戶只需輸入網址，在登錄界面進行用戶名和密碼驗證進入系統的總監測界面，查詢和分析滑坡體在所選時間段內的變形情況，下載輸出一段時間內的監測數據報表，進行更加精確的分析。總監測界面左側是監測點的變形數據表格，右側是該點在X、Y、Z方向隨時間變化的位移變化曲線，數據和表格一一對應，分析更加直觀(圖略)。同時，可以自行設置監測對象的沉降預警值，增強了系統的可移植性。本項目定期( 2 h或更短)自動對數據進行分析，如有超過預警值的數據則及時顯示預警提示，使監測人員采取防范措施。

系統還設計了監測對象地理位置衛星地圖顯示功能。如圖4所示，該界面中的衛星地圖可以縮放，使監測人員宏觀地了解監測對象所在地理位置和周圍的地理環境，便于對監測對象和監測數據進行更加全面科學的分析。

圖4 監測對象地理位置顯示界面

2．系統數據庫

監測數據要妥善管理，滿足其觀測時間長、數據量大、處理及時準確的要求，必須建立完整可靠的系統數據庫，以加強對變形監測數據的管理。本系統的監測資料存儲在服務器的SQL Server 2008數據庫中，數據庫自動進行安全備份，客戶端對監測數據進行實時管理和訪問，對監測的滑坡體的安全性作出可靠分析。

3．京承高速高邊坡監測應用

本自動化遠程監測系統結構和功能設計完成后，開始對京承高速K85+060設計里程路段的高邊坡進行監測。

京承高速K85+060里程段高邊坡高約12 m，坡比為1∶0．5。該路段出京方向的道路右側邊坡在雨季時有雨水從坡體滲出，形成細小的水流，對公路邊坡的穩定和安全造成影響，對坡下的建筑物也形成了威脅。應用本系統對坡體進行監測，可以為分析預測坡體的變形情況提供及時準確的數據，保障道路、車輛和村莊的安全。

( 1)監測系統點位布設

本項目在坡體的明顯滲流處的垂直位置選擇了3個點位作為監測點，采用一機三天線技術，每個點位安裝一個GPS天線，連接到一臺GPS接收機上。選擇開闊、干擾小的穩定點位作為參考站［9］，安裝一臺GPS接收機，為解算點位坐標提供差分數據。這樣，本監測系統的3個監測點和1個基準參考點布設完畢，開始對滑坡體進行監測。3個監測點示意位置如圖5所示。

圖5 3個監測點位置示意圖

( 2)變形監測數據分析與預警

系統安裝調試結束后開始接收數據，根據接收到的前期數據判斷系統工作的穩定性。通過分析，確定監測系統自2014年1月20日開始進入穩定期，因而把該天數據作為滑坡變形監測的起始數據。通過分析截至2014年5月7日的數據，可知3個監測點中發生最大沉降量的是3號點，下沉6 mm，平面最大位移為南偏東方向6．4 mm。1號點下沉3 mm，平面最大位移為北偏東方向3．4 mm。2號點下沉2．5 mm，平面最大位移為南偏西方向19．1 mm。分析可知3個監測點的平面和豎直方向位移均在安全變化范圍內，沒有超過預警值。圖6為3個監測點所有觀測數據所繪位移變化曲線圖，圖7為3個點在平面和豎直方向的位移和沉降數據進行最小二乘擬合直線后繪制的分量圖。設定沉降預警值為25 mm，系統每小時自動分析監測數據，目前沒有發現超過預警值的數據，說明監測點位形變在安全范圍內，滑坡體安全。

圖6 3個監測點觀測數據位移圖

圖7 3個監測點水平和豎直方向位置移動擬合量

五、結論

本文通過對GNSS一機多天線遠程監測系統的設計與研發，為高精度的遠程監測提供了可能，推廣了新技術的應用。通過分析監測數據，說明被監測的滑坡體處于安全狀態，也證明了本自動化遠程監

測系統在地質滑坡災害預警中的可靠性和高精度。網絡化的監測手段，使得監測人員在有網絡的環境中可以使用計算機或智能手機對監測對象進行實時分析和預警，及時發現問題并采取必要措施，極大地方便了監測的實施，提高了監測的現勢性，具有廣泛的應用價值。

［1］ 肖鸞，胡友健，王曉華．GPS技術在變形監測中的應用綜述［J］．工程地球物理學報，2005，2( 2) : 160-165．

［2］ 楊光，何秀鳳，華錫生．GPS一機多天線在小浪底大壩變形監測中的應用［J］．水電自動化與大壩監測，2003，27( 3) : 52-55．

［3］ DING X L，CHEN Y Q，HUANG D F，et al．Maria Tsakiri and Mike Stewart，Slope Monitoring Using GPS-A Multiantenna Approach［J］．GPS World，2000，11( 3) : 52-55．

［4］ 孫永榮，丁曉莉，陳武，等．GPS多天線數據采集與控制系統［J］．Journal of Data Acquisition＆Processing，2003( 3) : 74-77．

［5］ 黃丁發，丁曉麗，陳永奇．多天線GPS自動變形監測系統［J］．鐵道學報，2000，22( 6) : 90-94．

［6］ 梁憲軍．GPS一機多天線技術在鎮江北固山北側斜坡監測中的應用［J］．礦山測量，2012( 6) : 68-70．

［7］ 丁麗娟，程杞元．數值計算方法［M］．北京:北京理工大學出版社，2011．

［8］ 武漢大學測繪學院測量平差學科組．誤差理論與測量平差基礎［M］．武漢:武漢大學出版社，2009．

［9］ 張偉斌，金永新，袁本銀．基于BeiDou/GPS雙系統的三峽滑坡監測預警系統［J］．測繪通報，2013( 2) : 120-121．

Developing the Remote Monitoring System Based on GNSS Multi-antenna

ZHAO Xi’an，FAN Penghao，FAN Yingzi

針對遠程化自動化變形監測的特點，研究開發了衛星一機多天線( GNSS multi-antenna)遠程監測系統。研究和討論了系統的設計和開發技術，以及監測數據最小二乘擬合處理與分析方法。在京承高速高邊坡監測中的應用表明，本系統用于高邊坡遠程監測可行，監測數據處理方法可靠，可作為高速公路、鐵路、大壩等遠程監測的重要技術方法。

GNSS一機多天線技術;自動化遠程監測;最小二乘擬合

趙西安( 1957—)，男，博士，教授，主要研究方向為數字攝影測量技術與方法、差分干涉雷達測量技術。E-mail: bingjianloveyou @ 163．com

P258; P228

B

0494-0911( 2015) 11-0004-04

趙西安，樊鵬昊，樊英姿．GNSS一機多天線遠程監測系統的研發［J］．測繪通報，2015( 11) : 4-7．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0333

2014-11-15