基于GPS的油罐沉降監測系統

王祖光,楊開偉,李娟娟

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070;2.中國電子科技集團公司第54研究所,石家莊 050081;3.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心,石家莊 050081;4.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

基于GPS的油罐沉降監測系統

王祖光1,楊開偉2,3,4,李娟娟2,3,4

(1.北京東方新星石化工程股份有限公司，北京 100070;2.中國電子科技集團公司第54研究所,石家莊 050081;3.河北省衛星導航技術與裝備工程技術研究中心,石家莊 050081;4.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081)

摘要：設計了GPS的油罐沉降監測系統,提出了系統建設實施方案,介紹了系統的設備組成與工作原理及高精度實時處理和靜態基線解算算法。通過軟件研發、原型系統搭建、測試試驗、數據處理與分析等,對系統的功能與性能進行測試驗證。試驗表明，基于GPS進行高精度油罐沉降監測具有可行性,且其監測精度較高,完全滿足油罐沉降監測的需求。

關鍵詞：GPS;高精度;RTK;基線解算;沉降監測

0引言

對原油儲備庫油罐基礎進行充水預壓監測、油罐充油使用過程中進行沉降監測等是煉油廠、油庫管理單位以及油田安全管理、工程作業的重要工作。但長時間以來,該項工作主要都是依賴傳統的測量手段(如水準測量)來進行沉降監測。一般而言,油罐區域空間分布較分散,水準測量路線復雜,由于需要多個人員進行施測并進行事后數據處理,工作效率低下,且不具備實時監測的能力。因此迫切需要提出一種新的監測方法替代傳統的監測手段,對油罐沉降進行高精度、實時監測。

基于GPS技術的沉降監測理論與方法,是當前廣泛采用的沉降監測新方法、新技術之一。GPS衛星定位技術相比于傳統的測繪作業方法與模式有著顯著的特點和優越性,其優越的性能及廣泛的適用性,是常規測量作業難以比擬的。GPS以其全天候、高精度、高效率、實時動態等優點,成為當今極為重要的監測手段之一。

如今,GPS衛星定位系統技術已經成熟,其在各種行業、各種高精度領域中也被廣泛應用,但是GPS用于油罐沉降監測中尚未開展,在這種背景下建立基于GPS的高精度油罐沉降監測系統,能

夠有效進行油罐沉降監測,降低生產成本、提高工作效率。

1系統組成與工作原理

1.1系統組成

基于GPS的高精度油罐沉降監測系統由數據采集子系統、數據通信子系統、數據處理子系統及輔助支持子系統組成。系統體系架構如圖1所示。

圖1　基于GPS的高精度油罐沉降監測系統架構圖

數據采集子系統主要實現GPS導航信號接收與觀測數據采集功能,包括GPS天線、GPS接收機以及基準點等設備。

數據通信子系統實現將采集的GPS觀測數據上報給數據處理子系統,同時將數據處理子系統的監控指令發送給GPS接收機。

數據處理子系統主要完成數據處理與系統監控功能。數據處理包括實時處理和事后處理兩種方式:通過實時數據處理,得到厘米級的油罐沉降監測結果,并自動進行系統監控;事后處理能夠得到毫米級的油罐沉降監測結果。

輔助支持子系統主要包括供電、避雷等設備,滿足在野外惡劣條件下系統建設。

基于GPS的高精度油罐沉降監測系統的典型建設與實施如圖2所示。GPS天線安裝在被監測的油罐上,并保證無遮擋,基準點上也安裝GPS天線,GPS接收機安裝在附近室內;通信鏈路采用無線方式(3G或網橋等)實現數據通信;數據處理與監控系統安裝在室內,對數據進行處理分析與監控。

圖2　基于GPS的高精度油罐沉降　　　監測系統建設實施圖

1.2工作原理

基于GPS的高精度油罐沉降監測系統的工作原理為:高精度GPS接收機進行連續觀測采集GPS觀測數據,通過通信鏈路將觀測數據發送給數據處理子系統;數據處理子系統的數據處理軟件實時接收各個接收機采集上報的GPS高精度觀測數據,并根據配置好的處理模式和參數進行實時處理,生成實時監測結果,并發送給系統監控計算機;系統監控計算機實時顯示監測結果和系統運行狀態,將收到的監測處理結果進行判斷,如果結果異常則進行告警。

事后處理模式與實時處理模式類似,區別在于實時模式處理的是實時上報的觀測數據,而事后模式處理的是按照固定格式存儲的觀測數據文件。

2數據處理算法

(1)

在站間單差的基礎上再求星間單差,便得到雙差觀測值為

(2)

(3)

將式(3)代入雙差組合式(2)中,并顧及T1、T2兩測站同步觀測j,k兩顆衛星,在忽略大氣折射殘差影響的情況下,雙差觀測方程為

Δ

(4)

式中,ΔNjk=ΔNk-ΔNj

可以看出衛星鐘差和接收機鐘差也已經被消除,這是雙差模型的重要優點。

若取測站T1為已知參考點,則在雙差觀測方程中,除了測站T2的位置為待定參數之外,還包含有整周模糊度參數項ΔNjk.通常在構成雙差觀測時,除了取一個測站為參考點外,同時也要取一顆觀測衛星為參考星[4]。

如果要實現單歷元解算(或進行實時動態定位),則必須先解算出整周模糊度,這個過程就是RTK初始化過程。

2.1RTK解算

載波相位動態相對定位(RTK)的數學模型(雙差觀測方程)為[2,5]

(5)

式中

(6)

由于流動站的位置是不斷變化的,所以RTK一般采用一個歷元的觀測值。若以Nr和Ns表示包括參考站在內的測站總數和同步觀測的衛星數,則一個歷元的雙差觀測方程的未知數個數和觀測方程個數分別為[2]

未知數個數=3(Nr-1)+(Ns-1)(Nr-1)

單歷元雙差觀測值數=(Ns-1)(Nr-1)

可見,單歷元解算的條件無法滿足,由于整周模糊度在信號鎖定的情況下是保持不變的,一旦初始化完成,則在每個歷元就只有3(Nr-1)個未知數,則可解的條件變為

(Ns-1)(Nr-1)≥3(Nr-1),或Ns≥4.

只要同步觀測的衛星數大于4顆,就可以進行RTK定位解算。定位過程中一旦發生失鎖,則要重新進行初始化。

2.2靜態基線解算

若兩測站同步觀測衛星為Sj和Sk,設Sj為參考衛星,則可得雙差觀測方程的線性化形式[2，4],即:

(7)

式中:

令:

(8)

則可改寫為如下誤差方程式的形式,即:

(9)

當兩測站同步觀測的衛星數為ns時,可得誤差方程組如下[2,6],即:

υ(t)=a(t)δX2+b(t)ΔN+Δ

(10)

式中:

δX2=[δX2δY2δZ2]T;

如果在基線的兩端,對同一組衛星觀測的歷元數為nt,那么相應的誤差方程組由上式可得[6]:

(11)

式中:

相應的法方程及其解,可表示為[2,6]

NΔY+W=0,

(12)

ΔY=-N-1W,

(13)

式中:

ΔY=[δX2ΔN]T;

N=(A B)TP(A B)；

W=(A B)TPL.

3測試與試驗

為了測試油罐沉降監測系統的功能與性能,使用GPS高精度接收機進行了大量的試驗,包括RTK實時動態測試與靜態基線測試,兩組試驗均在事先高精度標定的基線場內進行。兩臺GPS接收機分別架設在基準點觀測墩上,數據采樣率為1s,基線長度為5.760m,試驗持續時間為2h.

3.1實時動態監測

將兩臺GPS接收機采集的觀測數據導出,用高精度數據處理軟件進行RTK單歷元解算,解算結果如圖3所示。

圖3　GPS動態RTK測試結果

由圖3可見,用GPS油罐沉降監測系統進行實時處理監測,當基線為6m左右時,其X、Y、Z三個方向的精度都達到毫米級,基線長度監測精度也達到毫米級。隨著基線長度的增加,當基線長度為2km以上時,精度會有所下降,可能會達到厘米級。

3.2事后處理監測

將兩臺GPS接收機采集的觀測數據導出,用高精度數據處理軟件進行靜態基線解算,解算結果如圖4所示。

圖4　GPS靜態基線解算結果

由圖4可見,靜態基線后處理解算結果與真值(5.760m)相差0.000 9m,絕對精度優于1mm,其統計精度為0.000 170 9,達到亞毫米級。靜態基線后處理精度比實時RTK處理精度高,當基線長度較長時,可以采用實時監測處理和事后基線處理兩種方式,以提高系統的可靠性和準確度。

4結束語

GPS技術用于油罐沉降的實時、動態沉降監測,是GPS技術在高精度應用領域的擴展,也是現代工程監測、提高工作效率的迫切要求。本文對基于GPS的高精度油罐沉降監測系統進行了設計,并結合工程實際給出了系統的建設實施方案。在對高精度數據處理算法進行理論闡述的基礎上研發出實時和事后高精度數據處理軟件,并分別進行多種測試試驗對系統性能進行測試。

通過系統原型搭建與試驗數據分析,可以得到以下結論:

1) 用GPS油罐沉降監測系統進行實時監測處理時,處理精度可以達到厘米級甚至毫米級;并具有實時性好、監測內容直觀的優點;

2) 利用事后靜態基線進行數據處理的方式,處理精度可以達到毫米級甚至亞毫米級;

3) 根據不同的工程監測需求可以選擇不同的處理方式,但采用兩種方式相結合的模式能夠提高系統的可靠性和準確度。

通過理論研究、軟件開發、系統建設、測試試驗,基本實現了基于GPS的高精度油罐沉降監測系統,系統能夠正常運行、監測精度滿足要求,具備工程推廣的條件。

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王祖光(1984-),男,工程師,主要從事工程測量及衛星導航數據處理方面的工作。

楊開偉(1984-)，男，工程師，主要從事衛星導航數據處理方面的工作。

李娟娟(1984-),女,工程師，主要從事衛星導航數據處理方面的工作。

Hign Precision Oilcan Settlement Monitoring System Based on GPS

WANG Zuguang1,YANG Kaiwei2,3,4,LI Juanjuan2,3,4

(1.BeijingNewOrientalStarPetrochemicalEngineeringCo.,Ltd,Beijing100070,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,Shijiazhuang050081,China;3.SatelliteNavigationTechnologyandEquipmentEngineeringTechnologyResearchCenterofHebeiprovince,Shijiazhuang050081,China;4.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,Shijiazhuang050081,China)

Abstract: The thesis designed the hign precision oilcan settlement monitoring system based on GPS, whose implementation scheme of system construction is proposed. And introduced its equipment composing and theory and the algorithm of high precision real-time and static base-line.Through software developing, prototype system integrating,test examination and data processing,the function and performance were validated. Examination proved the feasibility of Using GPS for high precision oilcan settlement monitoring,and the precision completely satisfy the need of oilcan settlement monitoring.

Keywords:GPS; high precision; RTK; baseline resolution; settlement monitoring

doi:10.13442/j.gnss.1008-9268.2016.02.015

收稿日期：2015-06-10

中圖分類號：P228.4

文獻標志碼：A

文章編號：1008-9268(2016)02-0080-05

作者簡介

聯系人： 王祖光 E-mail:w273196740@126.com