GNSS一機多天線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

趙西安，樊鵬昊，樊英姿

GNSS一機多天線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

趙西安1，樊鵬昊2，樊英姿3

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

一、引言

全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)( 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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。GNSS接收機能在短時間內(nèi)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(jiān)測手段［1-2］。GNSS一機多天線技術(shù)可以讓一臺接收機同時連接多個監(jiān)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(jiān)測系統(tǒng)的成本得到大幅度降低，而監(jiān)測精度卻幾乎沒有受到影響［4］。

二、衛(wèi)星一機多天線遠程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

1．系統(tǒng)組成

GNSS一機多天線遠程監(jiān)測系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)化、自動化的遠程變形監(jiān)測系統(tǒng)，采用B/S軟件架構(gòu)、GPS多天線技術(shù)、自動化控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和擴頻通信等技術(shù)，只需電腦、智能手機上網(wǎng)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(jiān)測和健康分析。系統(tǒng)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(jiān)測點上的GPS天線數(shù)據(jù)，將傳統(tǒng)的在監(jiān)測點上安裝的多接收機組成的陣列轉(zhuǎn)變?yōu)槎嗵炀€陣列，每個監(jiān)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(shù)量，降低了變形監(jiān)測的成本，且不會降低監(jiān)測的精度和可靠性。

GNSS一機多天線遠程監(jiān)測系統(tǒng)由數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)和輔助子系統(tǒng)3大系統(tǒng)組成，如圖1所示。其工作流程為在一個或兩個遠離監(jiān)測區(qū)域的穩(wěn)定點位上安裝GPS接收機作為基準參考站［6］，在監(jiān)測對象的每個監(jiān)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(jiān)測點上的天線將接收到的GPS信號經(jīng)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(jù)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(shù)據(jù)通過無線通信設(shè)備傳送到局域網(wǎng)中，利用無線局域網(wǎng)( WLAN)技術(shù)把觀測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。數(shù)據(jù)處理中心對接收到的觀測數(shù)據(jù)進行編輯、整理、解算、存儲等操作，獲得各監(jiān)測點在每個觀測時期的坐標，再根據(jù)早期的觀測數(shù)據(jù)計算各監(jiān)測點坐標的變形量，對監(jiān)測對象的變形情況進行處理、分析，對安全情況及時作出預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)組成

2．?dāng)?shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)

數(shù)據(jù)獲取子系統(tǒng)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(shè)備等組成。

GPS多天線控制器是本系統(tǒng)的核心部件之一，由天線開關(guān)陣列、計算機系統(tǒng)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(guān)及相應(yīng)的微波開關(guān)控制電路組成。軟件部分實時控制微波開關(guān)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．?dāng)?shù)據(jù)處理子系統(tǒng)

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

4．輔助子系統(tǒng)

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(shè)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(tǒng)在各種自然環(huán)境下能夠安全、穩(wěn)定、可靠地運行。

三、一機多天線遠程監(jiān)測數(shù)據(jù)處理

1．?dāng)?shù)據(jù)處理流程

系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理流程為:服務(wù)器定期接收通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)母鱾€GPS天線觀測的點位數(shù)據(jù)，解算軟件對數(shù)據(jù)進行解算，得到各個監(jiān)測點的大地坐標并存入數(shù)據(jù)庫中作為原始觀測數(shù)據(jù)。把系統(tǒng)穩(wěn)定運行后對各個監(jiān)測點的首期測量坐標作為變形監(jiān)測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)庫中，根據(jù)此數(shù)據(jù)繪制監(jiān)測點在三維方向的位移變化曲線圖。同時，根據(jù)各期的點位坐標位移值生成監(jiān)測點變化趨勢圖，分析預(yù)測監(jiān)測點在平面和豎直方向變化趨勢。系統(tǒng)根據(jù)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(shù)據(jù)處理流程如圖2所示。

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

圖2 數(shù)據(jù)處理流程

2．最小二乘擬合

由于外界環(huán)境、監(jiān)測設(shè)備和解算軟件等的誤差影響，解算出的坐標數(shù)據(jù)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(jiān)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(shù)據(jù)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(tǒng)為了避免類似情況，在監(jiān)測報表輸出時采用了對變形數(shù)據(jù)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(tǒng)繪制的1號監(jiān)測點位移變化在所選時間段內(nèi)在X、Y、Z 3個方向的變化曲線，可以對3個方向的數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合直線，對變形數(shù)據(jù)進行合理分析。

圖3 1號監(jiān)測點位移變化曲線

對于選定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)組( ti，Xi，Yi，Zi) ( i = 1，2，…，n)，為變形數(shù)據(jù)期數(shù); ti為數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)模型［8］為

對一組數(shù)據(jù)( 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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的直線應(yīng)該使各組數(shù)據(jù)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(shù)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(quán)觀測)為

進一步可得出X即為所求擬合直線的系數(shù)a和c。

求出X、Y、Z 3個方向的擬合直線的系數(shù)( 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(shù)據(jù)。本系統(tǒng)按照每天擬合一個數(shù)據(jù)的方法對所選時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行擬合，結(jié)合位移變化曲線圖、位移變化趨勢圖，使監(jiān)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(yù)測和采取必要的防范措施。

3．監(jiān)測預(yù)警

監(jiān)測人員根據(jù)項目的要求和規(guī)范設(shè)置形變預(yù)警值YJ，系統(tǒng)自動計算預(yù)警，如形變量ΔZi＞YJ，則認為監(jiān)測對象的形變超過預(yù)警，需要采取必要的安全措施。

四、系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用微軟Visual Studio 2010作為開發(fā)平臺，采用B/S架構(gòu)，利用C#和JavaScript語言進行開發(fā)。獲取的數(shù)據(jù)自動記錄在服務(wù)器的SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫中，為管理人員提供實時、可靠有效的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)可實現(xiàn)全天候數(shù)據(jù)采集、靈活的變形矢量圖形顯示、完善的系統(tǒng)管理功能、瀏覽器端監(jiān)測數(shù)據(jù)報表快速下載和監(jiān)測預(yù)警等功能。同時，本系統(tǒng)能夠滿足技術(shù)發(fā)展的需要，進行相應(yīng)的技術(shù)擴展。

1．系統(tǒng)界面設(shè)計

采用B/S架構(gòu)開發(fā)的系統(tǒng)，瀏覽器是客戶端的主要應(yīng)用軟件，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了客戶端電腦的載荷，減少了系統(tǒng)維護和升級的工作量和成本。系統(tǒng)監(jiān)測人員可以在任何有Internet網(wǎng)絡(luò)或GPRS的地方用計算機或智能手機實時掌握監(jiān)測對象的變化情況，科學(xué)分析監(jiān)測數(shù)據(jù)。

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

系統(tǒng)還設(shè)計了監(jiān)測對象地理位置衛(wèi)星地圖顯示功能。如圖4所示，該界面中的衛(wèi)星地圖可以縮放，使監(jiān)測人員宏觀地了解監(jiān)測對象所在地理位置和周圍的地理環(huán)境，便于對監(jiān)測對象和監(jiān)測數(shù)據(jù)進行更加全面科學(xué)的分析。

圖4 監(jiān)測對象地理位置顯示界面

2．系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

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

3．京承高速高邊坡監(jiān)測應(yīng)用

本自動化遠程監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計完成后，開始對京承高速K85+060設(shè)計里程路段的高邊坡進行監(jiān)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(cè)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(wěn)定和安全造成影響，對坡下的建筑物也形成了威脅。應(yīng)用本系統(tǒng)對坡體進行監(jiān)測，可以為分析預(yù)測坡體的變形情況提供及時準確的數(shù)據(jù)，保障道路、車輛和村莊的安全。

( 1)監(jiān)測系統(tǒng)點位布設(shè)

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(jiān)測點，采用一機三天線技術(shù)，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(wěn)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(shù)據(jù)。這樣，本監(jiān)測系統(tǒng)的3個監(jiān)測點和1個基準參考點布設(shè)完畢，開始對滑坡體進行監(jiān)測。3個監(jiān)測點示意位置如圖5所示。

圖5 3個監(jiān)測點位置示意圖

( 2)變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與預(yù)警

系統(tǒng)安裝調(diào)試結(jié)束后開始接收數(shù)據(jù)，根據(jù)接收到的前期數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。通過分析，確定監(jiān)測系統(tǒng)自2014年1月20日開始進入穩(wěn)定期，因而把該天數(shù)據(jù)作為滑坡變形監(jiān)測的起始數(shù)據(jù)。通過分析截至2014年5月7日的數(shù)據(jù)，可知3個監(jiān)測點中發(fā)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(jiān)測點的平面和豎直方向位移均在安全變化范圍內(nèi)，沒有超過預(yù)警值。圖6為3個監(jiān)測點所有觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行最小二乘擬合直線后繪制的分量圖。設(shè)定沉降預(yù)警值為25 mm，系統(tǒng)每小時自動分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，目前沒有發(fā)現(xiàn)超過預(yù)警值的數(shù)據(jù)，說明監(jiān)測點位形變在安全范圍內(nèi)，滑坡體安全。

圖6 3個監(jiān)測點觀測數(shù)據(jù)位移圖

圖7 3個監(jiān)測點水平和豎直方向位置移動擬合量

五、結(jié)論

本文通過對GNSS一機多天線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)，為高精度的遠程監(jiān)測提供了可能，推廣了新技術(shù)的應(yīng)用。通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，說明被監(jiān)測的滑坡體處于安全狀態(tài)，也證明了本自動化遠程監(jiān)

測系統(tǒng)在地質(zhì)滑坡災(zāi)害預(yù)警中的可靠性和高精度。網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)測手段，使得監(jiān)測人員在有網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境中可以使用計算機或智能手機對監(jiān)測對象進行實時分析和預(yù)警，及時發(fā)現(xiàn)問題并采取必要措施，極大地方便了監(jiān)測的實施，提高了監(jiān)測的現(xiàn)勢性，具有廣泛的應(yīng)用價值。

［1］ 肖鸞，胡友健，王曉華．GPS技術(shù)在變形監(jiān)測中的應(yīng)用綜述［J］．工程地球物理學(xué)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(jiān)測中的應(yīng)用［J］．水電自動化與大壩監(jiān)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(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)［J］．Journal of Data Acquisition＆Processing，2003( 3) : 74-77．

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

［6］ 梁憲軍．GPS一機多天線技術(shù)在鎮(zhèn)江北固山北側(cè)斜坡監(jiān)測中的應(yīng)用［J］．礦山測量，2012( 6) : 68-70．

［7］ 丁麗娟，程杞元．?dāng)?shù)值計算方法［M］．北京:北京理工大學(xué)出版社，2011．

［8］ 武漢大學(xué)測繪學(xué)院測量平差學(xué)科組．誤差理論與測量平差基礎(chǔ)［M］．武漢:武漢大學(xué)出版社，2009．

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

Developing the Remote Monitoring System Based on GNSS Multi-antenna

ZHAO Xi’an，F(xiàn)AN Penghao，F(xiàn)AN Yingzi

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

GNSS一機多天線技術(shù);自動化遠程監(jiān)測;最小二乘擬合

趙西安( 1957—)，男，博士，教授，主要研究方向為數(shù)字攝影測量技術(shù)與方法、差分干涉雷達測量技術(shù)。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(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)［J］．測繪通報，2015( 11) : 4-7．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0333

2014-11-15