GPS一機(jī)多天線技術(shù)及其在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉得永

（湖南省第一測(cè)繪院湖南衡陽421000）

GPS一機(jī)多天線技術(shù)及其在邊坡形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

劉得永

（湖南省第一測(cè)繪院湖南衡陽421000）

GPS測(cè)量是目前最具發(fā)展?jié)摿Φ囊环N形變監(jiān)測(cè)手段。但購(gòu)買接收機(jī)的費(fèi)用高。基于GPS技術(shù)的優(yōu)、缺點(diǎn)，我們提出GPS一機(jī)多天線技術(shù)。它不僅具有GPS全部的優(yōu)點(diǎn)，而且它克服了常規(guī)GPS費(fèi)用高的缺點(diǎn)。大量實(shí)際應(yīng)用表明，只要操作得當(dāng)，解算合理，一機(jī)多天線的精度完全能達(dá)到常規(guī)GPS的精度。所以GPS一機(jī)多在形變監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用前景非常廣闊。

全球定位系統(tǒng)；一機(jī)多天線；邊坡形變；變形監(jiān)測(cè)

1 GPS一機(jī)多天線系統(tǒng)的組成

整個(gè)一機(jī)多天線系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的、功能強(qiáng)大的監(jiān)控管理系統(tǒng)，它集視頻監(jiān)控、GPS形變監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、信息管理平臺(tái)于一體。從結(jié)構(gòu)上劃分，它由數(shù)據(jù)采集、信息傳輸、信息處理這三個(gè)主要部分組成。這三部分又可分為以下六個(gè)部分：

（1）天線陣；

（2）數(shù)據(jù)傳輸部分；

（3）多天線控制器；

（4）基準(zhǔn)站；

（5）數(shù)據(jù)處理中心；

（6）野外供電系統(tǒng)。

一機(jī)多天線變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖1

2 GPS一機(jī)多天線的精度分析

2.1 影響GPS一機(jī)多天線精度的因素

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

與常規(guī)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(wèi)星有關(guān)的誤差；

（2）信號(hào)傳播誤差；

（3）觀測(cè)誤差和接收設(shè)備誤差。

GPS一機(jī)多天線的附加誤差源包括以下兩種：

（1）信號(hào)衰減誤差：常規(guī)GPS的天線和接收機(jī)是連在一起的一個(gè)整體，而GPS一機(jī)多天線的天線和接收機(jī)是分開的，它們之間的距離有的多達(dá)10km。這么遠(yuǎn)的距離信號(hào)通過各種方式傳過來，在傳的過程中就會(huì)產(chǎn)生衰減。這種衰減會(huì)使信號(hào)的噪聲增大，進(jìn)而影響一機(jī)多天線的精度。

（2）不同時(shí)誤差：常規(guī)GPS測(cè)量可以每個(gè)點(diǎn)放一臺(tái)GPS接收機(jī)，很容易實(shí)施同時(shí)觀測(cè)。我們知道現(xiàn)在的一機(jī)多天線的觀測(cè)方式是序列性連續(xù)觀測(cè)，也就是說各觀測(cè)值不是同時(shí)觀測(cè)的，這就可能產(chǎn)生誤差。通常一個(gè)點(diǎn)的觀測(cè)（要保證較高精度的情況下）就需要30min，一個(gè)多天線子系統(tǒng)8個(gè)天線總共就須觀測(cè)4h。也就是說第一個(gè)觀測(cè)值和第八個(gè)觀測(cè)值可能至少相差4h左右。4h前的點(diǎn)位可能發(fā)生了變化，這樣就可能產(chǎn)生誤差。比如在洪峰來臨時(shí)大壩受到的壓力很大，幾分鐘之內(nèi)大壩的位移就可能達(dá)到10多厘米，4h提供一次數(shù)據(jù)遠(yuǎn)不能達(dá)到變形監(jiān)測(cè)的要求。由于變形監(jiān)測(cè)環(huán)境的復(fù)雜性和特殊性，實(shí)時(shí)觀測(cè)變得越來越重要，減少觀測(cè)時(shí)間，提高觀測(cè)效率是變形監(jiān)測(cè)發(fā)展的一種趨勢(shì)。

2.2 提高GPS一機(jī)多天線定位精度的方法

2.2.1 對(duì)常規(guī)誤差的處理

（1）衛(wèi)星鐘差：采用二項(xiàng)式模擬改正。

（2）衛(wèi)星星歷誤差：在多個(gè)測(cè)站上對(duì)同一衛(wèi)星進(jìn)行同步觀測(cè)，然后求差。或直接采用相對(duì)定位。

（3）地球自轉(zhuǎn)影響：采用模型改正。

（4）相對(duì)論效應(yīng)：統(tǒng)計(jì)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(jī)減少電離層延遲，同步觀測(cè)求差。

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

（7）多路徑效應(yīng)：安置天線時(shí)避開地面強(qiáng)反射物，采用防多路徑效應(yīng)天線。

（8）接收機(jī)方面的誤差：采用高精度的接收機(jī)，定期對(duì)天線進(jìn)行校驗(yàn)。

2.2.2 對(duì)附加誤差的處理（1）信號(hào)衰弱誤差：采用信號(hào)放大器，用高質(zhì)量的傳輸方式。（2）不同時(shí)觀測(cè)：對(duì)多天線控制器進(jìn)行改造。

3 常規(guī)GPS定位與GPS一機(jī)多天線定位精度的比較

為了對(duì)GPS一機(jī)多天線的精度有一個(gè)清楚的了解，我對(duì)二組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行了解算：

數(shù)據(jù)1：采用雙頻Ashtech接收機(jī)對(duì)4個(gè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)所得的數(shù)據(jù)；

數(shù)據(jù)2：采用一機(jī)多天線系統(tǒng)對(duì)其中4點(diǎn)的觀測(cè)所得的數(shù)據(jù)。

我分別對(duì)這兩種數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算的結(jié)果如下：

數(shù)據(jù)1解算的結(jié)果。

表1

數(shù)據(jù)2的解算結(jié)果。

表2

對(duì)比以上結(jié)果，可以看出常規(guī)GPS的精度為1～2個(gè)mm，一機(jī)多天線的精度為2～3個(gè)mm。精度均能滿足變形監(jiān)測(cè)的要求一機(jī)多天線與常規(guī)GPS的精度相比差不多。

4 應(yīng)用總結(jié)

（1）雙頻接收機(jī)的測(cè)量結(jié)果與單頻的相比，在觀測(cè)條件較好的測(cè)點(diǎn)上，兩種接收機(jī)的效果相當(dāng)；但在觀測(cè)條件較差的測(cè)點(diǎn)上，雙頻比單頻的效果好。

（2）從觀測(cè)時(shí)間上看，在觀測(cè)時(shí)間達(dá)到45min時(shí)，觀測(cè)精度基本能達(dá)到監(jiān)測(cè)要求，但觀測(cè)條件差時(shí)，需延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間才能取得達(dá)到精度要求的數(shù)據(jù)。

（3）采用GPS監(jiān)測(cè)網(wǎng)，GPS觀測(cè)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(jī)多天線系統(tǒng)，由于需要的高精度的GPS接收機(jī)的數(shù)量極大地減少，整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)隨之下降，但沒有影響系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度。只要處理得當(dāng)，解算合理，多天線系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果完全可以與常規(guī)GPS測(cè)量結(jié)果的精度相當(dāng)。綜合考慮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的精度和成本，采用一機(jī)多天線技術(shù)的形變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)擁有很好的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

[1]劉大杰，施一明，等.全球定位系統(tǒng)的原理與數(shù)據(jù)處理.

[2]徐紹銓，等.GPS在大壩和滑坡安全監(jiān)測(cè)中應(yīng)用的研究.水力發(fā)電，2003，29（1）：61～64.

[3]何秀鳳，華錫生.“GPS一機(jī)多天線變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”.水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測(cè)，2002，26（3）：34～37.

[4]何秀鳳，丁曉利.GPS一機(jī)多天線技術(shù)的研究及應(yīng)用研究報(bào)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(cè)繪工程工作。