GNSS自動化監測系統技術應用

張 明，邱章云

（葛洲壩測繪地理信息技術有限公司，湖北宜昌 443002）

1 GNSS自動化監測系統設計

1.1 技術方法選擇

目前，外部變形的自動化觀測方法主要有：帶馬達和識別照準功能的全站儀自動測量法、GNSS（Global Navigation Satellite System）衛星定位測量法、固定式陸地推掃激光雷達監測法、多孔徑合成雷達SAR和INSAR干涉測量方法、微變形測量（IBIS-L）測量法、真空激光準直系統等。其中：

（1）全站儀自動測量法主要作為人工測量來實現，對各監測斷面上的點進行測量，及對平面控制網進行周期性的復測。

（2）GNSS實時監測系統（如圖1所示）具有可24h連續不間斷工作、且不受天氣因素影響、可實時預警、造價不高等優點，靜態測量精度：水平位移不大于±3.0mm，豎直位移不大于±5.0mm，采用GNSS實時監測系統是目前比較先進的監測方案。

圖1 GNSS實時監測系統

1.2 自動化觀測系統測點布設

根據某電站現場環境和地質條件擬修建10個觀測墩，其中，左岸面板堆石壩3個，號點TP02、TP03、TP04，左岸滑坡體3個，號點TP06、TP07、TP08，右岸邊坡主要對歷年變形較大的控制網點區域進行監測，測點點號TP05、TP09、TP10，位于左岸邊坡的工作基點1個，號點TP01，布設在測區周圍地質條件良好的左岸邊坡上，點位穩固、視野開闊，且易于長期保存。

2 監測實施方案

2.1 技術要求

本工程外部變形自動化觀測系統采用GNSS全球衛星導航定位靜態觀測技術，由1個GNSS基準站和9個固定觀測墩（變形觀測點）組成，GNSS基準站為GNSS實時觀測提供基準。GNSS基準站及監測組網按國標規范要求設計施工建設。外部變形觀測網主要通過10臺GNSS接收機對測區邊坡進行長期穩定觀測，觀測數據依靠4G或光纖通信網絡傳輸，需要開發可靠的數據采集與處理系統無縫解決海量數據實時分析及處理的難題。

2.2 系統架構

基準站及監測點同時接收衛星信號，構成實時監測數據采集端，同步且24h不間斷接收GNSS數據。所有站點接收到的數據通過無線或者有線的形式傳入控制機房的服務器中。通過服務器中安裝的Spider軟件，可以查看、管理、分析接收衛星的數據情況，使用“后處理（Post-processing）”算法來解算監測點相對于某個基準點的靜態差分定位位置。根據每個監測點每個時段位置的變化量，可以高精度監測每個點的位置變化。解算結果存儲在SQLServer數據庫中，也可以導入GeoMoS軟件進行進一步的分析。設置好基準站、監測點、監測點限差及自動監測周期等一系列信息，GeoMoS軟件會把每個監測點的變化情況以圖形或數據的形式表現出來，一旦有哪個監測點變化量超出設置好的限差，軟件系統會自動報警（包括消息欄的信息提示、給指定手機發送短消息及給指定郵箱發送郵件等，即手機短消息及告警郵件），提醒注意采取相應的應急措施。

GNSS衛星導航變形觀測系統組成：衛星導航定位接收機（采集系統）、數據傳輸系統、供電系統、防雷系統、數據處理及分析系統，系統構架及組成如圖2所示。

圖2 GNSS實時監測系統構架及組成

2.2.1 變形觀測

所有測點采用GNSS相對靜態定位法觀測。

2.2.2 數據分析處理

大量的觀測數據通過有線或4G無線通訊方式進行無損傳輸，采用專業軟件進行數據自檢，超限數據自動處理，能綜合統計分析各期觀測數據，對變化趨勢進行預報，同時具備預警及報警等輔助特殊功能。

2.2.3 日常巡視檢查

所有監測設備及器具須在其檢定有效期內使用，加強日常維護保養，定期或不定期進行巡查和檢修，出現故障，及時處理。

2.3 主要儀器設備及軟件

（1）儀器設備：徠卡GNSS天線（AR10）10套，徠卡GNSS接收機（GM30）10套，設備供電柜，電源適配器，空氣開關，太陽能供電裝置，4G模塊，電源避雷器，8芯單模通訊光纜，光纖收發器，網線，DC電源線，電源電纜，24口交換機，服務器。

（2）軟件：GNSS衛星導航定位觀測基線解算系統；自動監測軟件Geo MoS Monitor；數據處理分析軟件Geo MoS Analyzer。

2.4 觀測墩建造

（1）按規范要求澆筑GNSS基準站觀測墩。

（2）觀測墩頂部安裝強制對中底座，基準站對中精度不低于0.1mm，測點對中精度不低于0.2mm，固定標盤按照規范要求調試到位。

（3）鋼筋混凝土柱身具備足夠強度后，將GNSS天線和棱鏡一體化設置（GNSS基準站）或者GNSS接收天線（GNSS測點）固定在強制對中基座上。

（4）將太陽能電板、供電柜固定于GNSS墩柱上，GNSS接收機、蓄電池存放于供電柜內，并連接好各電纜接線。

（5）安裝GNSS防雷裝置。防雷裝置安裝需符合相關規范規程的要求，GNSS觀測墩效果圖見圖3。

圖3 GNSS觀測墩效果

2.5 控制中心

控制中心包括服務器的安裝、UPS安裝、軟件的調試等。機房設備組成：監控中心配備1套在線式UPS，1個機柜，里面包括2臺服務器，1臺交換機等設備。整個監測系統使用到徠卡Spider和GeoMoS軟件，為了保障軟件運行穩定、可靠，將它們分別裝在2臺服務器。

2.6 系統調試運行

主要內容包括：①GNSS點位設備檢驗；②站點坐標檢驗；③硬件設備測試；④軟件測試。

2.7 數據分析與預警

徠卡Spider軟件為連續運行GNSS觀測站而設計，主要與GNSS接收機協同工作。可以向參考站網覆蓋區域提供GNSS服務。測點的分析和消息預警通過GeoMoS軟件實現。

監測分析及預警采用軟件來綜合實現，輸入各類變形演變的數學模型，綜合考慮各類地質、水文及氣候變化因素，通過當地經驗值或設計單位精確計算確定累計報警值和變形速率限值。軟件自動將監測數據整理、分析、生成日常報表和各類觀測變形曲線圖。根據預先設定的預警限值，超限時增加相應觀測頻率并核實儀器運行狀態，及時啟動報警功能并提交成果報告。

3 結語

本項目主要完成了10個GNSS監測墩的土建施工、設備安裝、調試和組網工作，順利實現遠程采集和控制。系統軟件站點信息配置以及相關的硬件測試、調試，通過初試運行和隨后的業主驗收，至今運行狀態良好，各項輸出滿足設計要求。

采用GNSS連續運行基準站及監測點的模式建立自動化監測系統具有布點靈活、精度高、系統穩定、24h連續運行、實時預警等諸多優點，對地質災害頻發、安全形勢加劇的今天具有重要應用價值，是滑坡體外部變形在線監測的首選模式。