GPS一機多天線技術及其在邊坡形變監測中的應用

劉得永

（湖南省第一測繪院湖南衡陽421000）

GPS一機多天線技術及其在邊坡形變監測中的應用

劉得永

（湖南省第一測繪院湖南衡陽421000）

GPS測量是目前最具發展潛力的一種形變監測手段。但購買接收機的費用高。基于GPS技術的優、缺點，我們提出GPS一機多天線技術。它不僅具有GPS全部的優點，而且它克服了常規GPS費用高的缺點。大量實際應用表明，只要操作得當，解算合理，一機多天線的精度完全能達到常規GPS的精度。所以GPS一機多在形變監測中的應用前景非常廣闊。

全球定位系統；一機多天線；邊坡形變；變形監測

1 GPS一機多天線系統的組成

整個一機多天線系統是一個復雜的、功能強大的監控管理系統，它集視頻監控、GPS形變監測、遠程數據傳輸、信息管理平臺于一體。從結構上劃分，它由數據采集、信息傳輸、信息處理這三個主要部分組成。這三部分又可分為以下六個部分：

（1）天線陣；

（2）數據傳輸部分；

（3）多天線控制器；

（4）基準站；

（5）數據處理中心；

（6）野外供電系統。

一機多天線變形監測系統結構示意圖。

圖1

2 GPS一機多天線的精度分析

2.1 影響GPS一機多天線精度的因素

影響GPS一機多天線精度主要包括GPS一機多天線與常規GPS定位相同的誤差源以及GPS一機多天線的附加誤差源。

與常規GPS定位相同的誤差源各種誤差按其來源大致可分為三種類型：

（1）與衛星有關的誤差；

（2）信號傳播誤差；

（3）觀測誤差和接收設備誤差。

GPS一機多天線的附加誤差源包括以下兩種：

（1）信號衰減誤差：常規GPS的天線和接收機是連在一起的一個整體，而GPS一機多天線的天線和接收機是分開的，它們之間的距離有的多達10km。這么遠的距離信號通過各種方式傳過來，在傳的過程中就會產生衰減。這種衰減會使信號的噪聲增大，進而影響一機多天線的精度。

（2）不同時誤差：常規GPS測量可以每個點放一臺GPS接收機，很容易實施同時觀測。我們知道現在的一機多天線的觀測方式是序列性連續觀測，也就是說各觀測值不是同時觀測的，這就可能產生誤差。通常一個點的觀測（要保證較高精度的情況下）就需要30min，一個多天線子系統8個天線總共就須觀測4h。也就是說第一個觀測值和第八個觀測值可能至少相差4h左右。4h前的點位可能發生了變化，這樣就可能產生誤差。比如在洪峰來臨時大壩受到的壓力很大，幾分鐘之內大壩的位移就可能達到10多厘米，4h提供一次數據遠不能達到變形監測的要求。由于變形監測環境的復雜性和特殊性，實時觀測變得越來越重要，減少觀測時間，提高觀測效率是變形監測發展的一種趨勢。

2.2 提高GPS一機多天線定位精度的方法

2.2.1 對常規誤差的處理

（1）衛星鐘差：采用二項式模擬改正。

（2）衛星星歷誤差：在多個測站上對同一衛星進行同步觀測，然后求差。或直接采用相對定位。

（3）地球自轉影響：采用模型改正。

（4）相對論效應：統計模型改正。

（5）電離層折射：利用電離層模型改正，采用雙頻接收機減少電離層延遲，同步觀測求差。

（6）對流層折射：利用對流層模型改正，采用雙頻接收機減少電離層延遲，同步觀測求差。

（7）多路徑效應：安置天線時避開地面強反射物，采用防多路徑效應天線。

（8）接收機方面的誤差：采用高精度的接收機，定期對天線進行校驗。

2.2.2 對附加誤差的處理（1）信號衰弱誤差：采用信號放大器，用高質量的傳輸方式。（2）不同時觀測：對多天線控制器進行改造。

3 常規GPS定位與GPS一機多天線定位精度的比較

為了對GPS一機多天線的精度有一個清楚的了解，我對二組數據分別進行了解算：

數據1：采用雙頻Ashtech接收機對4個點進行觀測所得的數據；

數據2：采用一機多天線系統對其中4點的觀測所得的數據。

我分別對這兩種數據進行基線解算的結果如下：

數據1解算的結果。

表1

數據2的解算結果。

表2

對比以上結果，可以看出常規GPS的精度為1～2個mm，一機多天線的精度為2～3個mm。精度均能滿足變形監測的要求一機多天線與常規GPS的精度相比差不多。

4 應用總結

（1）雙頻接收機的測量結果與單頻的相比，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，雙頻比單頻的效果好。

（2）從觀測時間上看，在觀測時間達到45min時，觀測精度基本能達到監測要求，但觀測條件差時，需延長觀測時間才能取得達到精度要求的數據。

（3）采用GPS監測網，GPS觀測中誤差在3mm左右，但外符合精度差。這需要采用濾波算法。

采用一機多天線系統，由于需要的高精度的GPS接收機的數量極大地減少，整個系統的造價隨之下降，但沒有影響系統的監測精度。只要處理得當，解算合理，多天線系統測量結果完全可以與常規GPS測量結果的精度相當。綜合考慮監測系統的精度和成本，采用一機多天線技術的形變監測系統擁有很好的應用價值和廣闊的應用前景。

[1]劉大杰，施一明，等.全球定位系統的原理與數據處理.

[2]徐紹銓，等.GPS在大壩和滑坡安全監測中應用的研究.水力發電，2003，29（1）：61～64.

[3]何秀鳳，華錫生.“GPS一機多天線變形監測系統”.水電自動化與大壩監測，2002，26（3）：34～37.

[4]何秀鳳，丁曉利.GPS一機多天線技術的研究及應用研究報告.

P256

A

1004-7344（2016）28-0206-02

2016-8-13

劉得永（1985-），男，助理工程師，本科，主要從事測繪工程工作。