GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用

1、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用9/4/2022武漢大學(xué)測繪學(xué)院郭際明/ise主要內(nèi)容一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、目的和意義安徽阜陽市內(nèi)的橋梁突然坍塌江蘇省吳江市梅堰鎮(zhèn)一座橋梁突然坍塌意大利的瓦依昂大壩法國的馬爾巴塞潰壩北京八達(dá)嶺高速公路滑坡一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制廣東佛山九江大橋的突然坍塌3 橋梁、大壩、滑坡等工程災(zāi)害雖然不像地震、洪水、海嘯那樣一發(fā)生就造成巨大人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，但地震、洪水、海嘯一般都是十幾年，乃至幾十年一遇，而工程災(zāi)害發(fā)生非常頻繁，幾乎每周一遇。從這個(gè)意義上講，工程災(zāi)害的危害比地震災(zāi)害、洪水、海嘯災(zāi)害等有過之而無不及。 因此為

2、了準(zhǔn)確預(yù)報(bào)工程災(zāi)害，到達(dá)減災(zāi)防災(zāi)的目的，必須對有可能帶來災(zāi)害工程進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)警。一般的方法是利用外觀資料和引起外觀位移的因變量等各種資料，進(jìn)行綜合分析，及時(shí)掌握其運(yùn)營狀態(tài)及變化趨勢，在災(zāi)害未發(fā)生之前進(jìn)行預(yù)警并采取相應(yīng)的對策，從而保證建筑物的運(yùn)行安全和保障人民的財(cái)產(chǎn)不受損失。 1、目的和意義一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制4 災(zāi)害監(jiān)測的危害性和實(shí)時(shí)性，決定了需要一套在辦公室就能自動(dòng)獲取各種變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測預(yù)報(bào)。那么這樣的系統(tǒng)對儀器或監(jiān)測技術(shù)提出更高要求，主要概括下面三點(diǎn) 自動(dòng)化程度高,在天氣惡劣條件下也能監(jiān)測 實(shí)時(shí)獲取變形，盡量在數(shù)據(jù)觀測完后，就能夠得到變形量 價(jià)格適宜，如

3、果太高，不便于推廣應(yīng)用 1、目的和意義一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制5測量儀器測量指標(biāo)技術(shù)實(shí)用范圍測量精度特點(diǎn)精密測尺距離30m0.5mm/30m人工、精度低引張線儀距離1080m0.3mm/30m自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化裂縫探測儀距離5m5mm人工水準(zhǔn)儀H不限制0.2-1mm/km經(jīng)緯儀角度不限制5傾斜儀高度角105-10mm+12ppm自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化測距儀距離114公里1-5mm+1-5ppm人工全站儀角度，距離2-5；2-5mm測量機(jī)器人角度，距離1000m1 ；2-5mm半自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化地面攝影儀E，N，H距離100m20mm100mm人工航空攝影儀E，N，H高度500m100mmGPS設(shè)備X，

4、Y，Z距離20公里2-5mm+3ppm自動(dòng)化、遠(yuǎn)程化1、目的和意義一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制6模式1：只用幾臺(tái)GPS接收機(jī)，人工定期逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，通過后處理獲得各期之間的變形優(yōu)點(diǎn)：簡單、經(jīng)濟(jì)、成本低，GPS接收機(jī)可以與其他工程共享缺點(diǎn)：不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，不能連續(xù)獲取工程變形模式2：在每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上都安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，不間斷地進(jìn)行全天候自動(dòng)監(jiān)測優(yōu)點(diǎn)：能連續(xù)自動(dòng)地進(jìn)行變形監(jiān)測缺點(diǎn)：監(jiān)測成本過高常規(guī)的變形監(jiān)測模式全天候自動(dòng)監(jiān)測模式寶塔滑坡監(jiān)測示例 隔河巖大壩監(jiān)測示例 1、目的和意義一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制7automationcost多路GPS天線共享器 GPS信號(hào)放大器 如何在提高自動(dòng)化

5、程度的同時(shí)降低和節(jié)約成本GPS天線陣列接收機(jī)GPS信號(hào)放大器 課題組成功研制了多路GPS天線共享器。用該共享器建立的GPS監(jiān)測系統(tǒng)在每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上只需安裝天線，不需安裝GPS接收機(jī)，即一臺(tái)接收機(jī)控制多個(gè)天線，從而大幅度降低監(jiān)測系統(tǒng)的成本。專利號(hào):ZL 200420111261.21、目的和意義一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制8控制中心P1P3P4P5P6P7P2基準(zhǔn)站1基準(zhǔn)站2GPS天線陣列接收機(jī)無線傳輸設(shè)備監(jiān)測點(diǎn)GPS天線區(qū)域1天線陣列系統(tǒng)整體控制觀測數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)計(jì)算基線基線檢核平差數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理繪制變形過程輸出成果報(bào)表專利號(hào):ZL 200420111260.82、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)

6、測系統(tǒng)的研制92、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制 GPS天線陣列共享器可以將多個(gè)天線連接起來，分時(shí)段地進(jìn)行切換，將各個(gè)不同天線的觀測數(shù)據(jù)記錄在同一個(gè)GPS接收機(jī)中，大大降低GPS數(shù)據(jù)采集的成本。在后面板上有220V三相電源接口，電源開關(guān)，保險(xiǎn)絲，8個(gè)天線入口（從IN1口到IN8口）用于連接GPS天線，一個(gè)天線輸出端（OUT口），將GPS接收機(jī)接到OUT端口，即可進(jìn)行分時(shí)段的數(shù)據(jù)采集。 2.1 GPS天線陣列共享器的研制102.1 GPS天線陣列共享器的研制2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制112.1 GPS天線陣列共享器的研制2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系

7、統(tǒng)的研制122.1 GPS天線陣列共享器的研制2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制 整個(gè)設(shè)備的工作原理為：通過ARM微處理器實(shí)時(shí)控制射頻開關(guān)中各通道的開與閉，而射頻開關(guān)的輸出端則接至GPS接收機(jī)的輸入端，如此以來，GPS 接收機(jī)上獲取的數(shù)據(jù)恰為當(dāng)前開啟通道所對應(yīng)的GPS天線數(shù)據(jù)，而GPS接收機(jī)的輸出端又與ARM微處理器控制的無線通信模塊的輸入端相連，由無線通信模塊將設(shè)備運(yùn)行參數(shù)( 如當(dāng)前開啟通道號(hào)，各通道間切換時(shí)間，當(dāng)前通道剩余時(shí)間，以及通道切換狀態(tài))和GPS數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送至數(shù)據(jù)處理中心，而數(shù)據(jù)處理中心也可通過無線傳輸方式修改和設(shè)定整個(gè)設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。132.1 GPS天線陣列共享器

8、的研制2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制1、本設(shè)備具有雙重開關(guān)（射頻開關(guān)以及天線電源開關(guān)），其中射頻開關(guān)用于控制8路GPS天線信號(hào)之間的開與閉；天線電源開關(guān)控制8路GPS天線工作電源的開與閉，利用GPS天線得不到供電就不能正常工作的特性，解決了多路天線之間信號(hào)相互干擾的問題。2、本設(shè)備所用的微處理器內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議，具有以太網(wǎng)控制功能，可將分時(shí)接收到的GPS信號(hào)遠(yuǎn)程發(fā)送，并可遠(yuǎn)程設(shè)置該設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)。3、本設(shè)備集成度高，擴(kuò)展功能極強(qiáng)，設(shè)備內(nèi)可以按需要集成GPS OEM板接收機(jī)、無線局域網(wǎng)（WLAN）模塊、CDMA通信模塊等。4、數(shù)據(jù)傳輸手段多樣化，可以使用無線局域網(wǎng)（WL

9、AN），以及CDMA、GPRS等手段，實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和對設(shè)備參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)定。5、內(nèi)置EEPROM，具有掉電保存運(yùn)行參數(shù)的功能。 142、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制2.2 GPS天線陣列接收機(jī)的研制 GPS天線陣列接收機(jī)是將GPS天線陣列共享器和GPS接收機(jī)集成在一起的用來實(shí)現(xiàn)采集來自多個(gè)天線的觀測數(shù)據(jù)，可以做到準(zhǔn)實(shí)時(shí)和分時(shí)段采集，直接將各個(gè)天線連接到天線連接端口，不需要另外再連接單獨(dú)的接收機(jī)，所有觀測數(shù)據(jù)記錄在本裝置中，使用配套軟件可以進(jìn)行數(shù)據(jù)下載和數(shù)據(jù)處理，極大地節(jié)省成本。本設(shè)備使用220V電源，可以進(jìn)行擴(kuò)充 15 GPS天線陣列接收機(jī) 一臺(tái)接收機(jī)控制的天線數(shù)不少于

10、8個(gè)；為雙頻接收機(jī)，基線精度不低于5+5ppm。2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制16 雙頻GPS接收機(jī)的天線要求能接收L1(1575. 42MHz)、L2(1227. 6MHz)兩個(gè)頻帶信號(hào)，且天線相位中心APC(Antenna Phase Center)的穩(wěn)定性要求達(dá)到毫米級(jí)。常見的型式有:微帶天線、四臂螺旋天線、角錐螺旋天線等。這些天線增益、方向圖、駐波比及軸比等性能一般可滿足變形監(jiān)測要求，但天線相位中心穩(wěn)定性有所不同。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)表明后兩種天線相位中心穩(wěn)定性較差,所以采用雙頻微帶天線。 RF濾波器預(yù)放下變頻A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字IF模擬IF射頻RFGPS天線電路原理示意圖自動(dòng)增益

11、控制2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制17 GPS天線陣列接收機(jī)的電路板主要有射頻電路、繼電電路、單片機(jī)、控制設(shè)備電路、顯示器電路和GPS-OEM板接入電路組成。其主要功能是按照用戶的設(shè)置要求，實(shí)時(shí)控制GPS天線設(shè)備輸入的微波信號(hào)，從而達(dá)到分時(shí)接收來自不同監(jiān)測點(diǎn)的GPS天線傳過來的GPS信號(hào)。GPS-OEM板暫時(shí)采用加拿大Novatel公司生產(chǎn)的雙頻OEMV-3。 繼電器及其控制電路射頻電路(RF) ANT1 ANT2 ANT3 ANT4 ANT5 ANT6 ANT7IN ANT8GPS OEM板J1J2J3J5J7J4J6J8單片機(jī)及其控制電路GPS COM1GPS COM2控

12、制器COM電源供電及其控制電路液晶顯示器電路天線陣列接收機(jī)電路示意圖接收機(jī)數(shù)字原理圖2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制1819 在監(jiān)測的區(qū)域比較廣的地域，監(jiān)測點(diǎn)之間的距離可能很遠(yuǎn)，使用GPS天線陣列接收機(jī)系統(tǒng)不可避免會(huì)遇到GPS信號(hào)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膯栴}。當(dāng)GPS信號(hào)傳輸距離過遠(yuǎn)時(shí)，信號(hào)的損失相當(dāng)大，會(huì)出現(xiàn)很多問題，如信號(hào)質(zhì)量變低、鎖定衛(wèi)星不穩(wěn)定、容易被干擾等，甚至不能收星。為了減少信號(hào)傳輸?shù)膿p失，從信號(hào)處理的角度來說有三種方法: 提高接收天線內(nèi)置放大器的增益，或者說是高增益的接收天線 使用低損耗的電纜 傳輸電纜中采用高增益的中繼放大器 GPS 信號(hào)放大器GPS信號(hào)放大器接收機(jī)高增益天

13、線加密封防水措施低損耗電纜 可達(dá)1公里INOUT信號(hào)放大器連接示意圖2、硬件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制2.3 GPS信號(hào)放大器的研制20數(shù)據(jù)處理流程示意圖 系統(tǒng)整體控制觀測數(shù)據(jù)同步實(shí)時(shí)計(jì)算基線基線檢核平差數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)管理繪制變形過程輸出成果報(bào)表功能模塊示意圖 主界面 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制21 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是遠(yuǎn)程變形監(jiān)測系統(tǒng)的操作對象，主要功能對GPS天線陣列接收機(jī)的串口參數(shù)、控制天線數(shù)、各個(gè)天線的點(diǎn)名、切換時(shí)間、數(shù)據(jù)采樣率、截止高度角等進(jìn)行控制；對其它監(jiān)測設(shè)備的串口參數(shù)、標(biāo)識(shí)號(hào)、觀測量等進(jìn)行控制。結(jié)合無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)處理中心，

14、另外可以將遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)處理中心發(fā)過來的指令消息進(jìn)行轉(zhuǎn)譯并按照指令來控制監(jiān)測設(shè)備。 3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制22數(shù)據(jù)采集監(jiān)測站集線器溫度傳感器雨量傳感器水位傳感器因變量等GPS天線陣列接收機(jī)天線天線天線傾斜計(jì)地裂縫位移計(jì)其它測量設(shè)備天線電源供電系統(tǒng)組無線數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成圖3.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制23 天線陣列接收機(jī)與傳統(tǒng)接收機(jī)的工作原理不同，這就需要一種特殊的數(shù)據(jù)處理軟件。目前測量型GPS接收機(jī)，在開始測量之后，它將會(huì)一直處于記錄狀態(tài)，而天線陣列接收機(jī)要間隔一定時(shí)段進(jìn)行天線切換時(shí)，GPS OEM板不

15、能判別天線是否切換，因此必須在切換時(shí)，對觀測數(shù)據(jù)的劃分。 根據(jù)這個(gè)特點(diǎn)，開發(fā)了天線陣列接收機(jī)配置軟件，在天線陣列接收機(jī)切換后，就會(huì)按照設(shè)置好切換的點(diǎn)號(hào)，生成對應(yīng)的Rinex觀測數(shù)據(jù)文件。3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制24天線陣列接收機(jī)數(shù)據(jù)采集界面 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制25 由于該系統(tǒng)是實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)，那么對基準(zhǔn)站的GPS觀測數(shù)據(jù)也要進(jìn)行采集并把二進(jìn)制式數(shù)據(jù)解碼為標(biāo)準(zhǔn)的Rinex數(shù)據(jù)?；鶞?zhǔn)站可以采用主流的雙頻接收機(jī)如Trimble公司5700、ASHTECH公司Z12、 JAVAD的OEM板、Navcom的OEM板、NavAtel的OEM板等?；鶞?zhǔn)站接

16、收機(jī)采集界面 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制26 管理處理系統(tǒng)的前臺(tái)采用Browser/Server網(wǎng)絡(luò)訪問模式，這種模式具有無需在每臺(tái)計(jì)算機(jī)上安裝專門的軟件，面向不特定的用戶，客戶機(jī)無需維護(hù)和升級(jí)的優(yōu)點(diǎn)。用戶可以通過瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的訪問，瀏覽器與管理處理系統(tǒng)之間采用統(tǒng)一的http(s)協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，并且用戶界面統(tǒng)一在瀏覽器上。包括： 原始觀測數(shù)據(jù)管理模塊 基線計(jì)算模塊（實(shí)時(shí)、后處理） 基線檢查模塊（網(wǎng)平差） 監(jiān)測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)管理模塊 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制3.2 數(shù)據(jù)處理與管理系統(tǒng)27 對于實(shí)時(shí)變形監(jiān)測系統(tǒng)，除了可以計(jì)算出監(jiān)測點(diǎn)的變形來。另外

17、一個(gè)工作就是采取一種什么樣的方式將原始觀測數(shù)據(jù)管理起來，方便以后進(jìn)行檢查和處理。目前大多數(shù)采用樹文件夾管理模式，這種方式從技術(shù)角度來看，相對簡單，但是如果采用大型數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，那么可以隨時(shí)提取和查詢某個(gè)時(shí)段、某個(gè)監(jiān)測站的衛(wèi)星數(shù)據(jù)質(zhì)量情況，方便獲取觀測數(shù)據(jù)過去某個(gè)時(shí)刻的衛(wèi)星接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量。其主要包括下面幾個(gè)表：觀測數(shù)據(jù)Rinex_Header表、觀測數(shù)據(jù)Rinex_Obs表 、觀測數(shù)據(jù)Rinex_Nav表 。3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制28觀測數(shù)據(jù)Rinex_Header表結(jié)構(gòu)字段名稱含 義類 型備 注GpsWeekDayGPS周數(shù)+周的天數(shù)Int(#$)如1048表示，$

18、(1-7)，周日為第一天MonitorName監(jiān)測點(diǎn)名CString(四個(gè)字母)同一個(gè)項(xiàng)目，前兩個(gè)字母不相同*DayPeriod天的循環(huán)序號(hào)Int最小為1次循環(huán)觀測AntType天線類型CString格式 名稱N:0.00 E: 0.00 H:0.00AntHeight天線高Float(米為單位)真高四位小數(shù)，其它方式先轉(zhuǎn)換DataInt數(shù)據(jù)采樣率Float (秒)暫時(shí)設(shè)最小為0.5秒DateType數(shù)據(jù)類型Int(4|5)L1 L2 C1 P2 / L1 L2 C1 P2 P1Remark備注CString50個(gè)字符3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制29 監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是一

19、個(gè)監(jiān)測信息存儲(chǔ)庫，它是管理數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的一個(gè)非常重要的信息庫。它被定義為一種對象數(shù)據(jù)庫，由系統(tǒng)內(nèi)的許多監(jiān)測對象及其屬性組成。依據(jù)管理和拓展需要，構(gòu)建監(jiān)測站信息樹 。監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)是該系統(tǒng)的一個(gè)核心，基線檢查后其平差結(jié)果和其它因變量數(shù)據(jù)都將按期數(shù)存放到數(shù)據(jù)庫中，便于進(jìn)行觀測網(wǎng)圖、成果報(bào)表、變形分析與預(yù)報(bào)等功能。3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制30PIMDMSta1MSta2MSta3MSta4Sation_InformSensor_TemperSensor_WaterSensor_RainGPS_AntAryInstru_InclineSat_NameSat_Locatio

20、nInstru_NumIP_AddressSta_TelephoneSwitch_TimeStaAtenna_HeightData_IntervalCutoff_AngelPot_CorGAntAry_NumGAntAry_LocationGAntAry_Name監(jiān)測點(diǎn)信息數(shù)據(jù)庫的信息樹結(jié)構(gòu)的示意圖數(shù)據(jù)管理界面 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制31 采用我們課題組提出了一種單歷元DC(Direct Calculation)算法，來進(jìn)行解算基線向量的。這種算法的特點(diǎn)是數(shù)據(jù)處理簡單化，不需要周跳的探測及修復(fù)，準(zhǔn)確而快速確定模糊度。 - 基線計(jì)算模塊DC算法程序流程圖 基線結(jié)果在限差

21、內(nèi)反算L1模糊度在限差內(nèi)否是提取觀測文件基準(zhǔn)站觀測文件廣播星歷文件精密星歷文件軌道擬合衛(wèi)星坐標(biāo)同步觀測文件精確測站坐標(biāo)文件監(jiān)測站觀測文件是否反算寬巷模糊度是3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制32 GPS天線陣列監(jiān)測系統(tǒng)中，一般有兩個(gè)基準(zhǔn)站，同步基線可以構(gòu)成的網(wǎng)形如三角形、大地四邊形。所以利用已知的圖形條件，來檢查基線網(wǎng)的閉合差，如果基線之間的閉合差，沒有超限，還可以進(jìn)行平差處理，獲得監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。網(wǎng)平差界面 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制- 基線檢查模塊33 監(jiān)測系統(tǒng)的任務(wù)是獲取構(gòu)筑物的位移變形信息，并對變形信息進(jìn)行物理解釋，探討變

22、形的成因，給出變形值與荷載（引起變形的有關(guān)因素）之間的函數(shù)關(guān)系，做出預(yù)報(bào)預(yù)警。-數(shù)據(jù)分析系統(tǒng) 變形矢量圖模塊具有顯示基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位、顯示各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的平面和高程方向的位移過程情況等圖形，并具有一些基本的圖形放大、縮小、平移、查詢、打印預(yù)覽和打印等功能。系統(tǒng)的界面如下： 形變預(yù)報(bào)是根據(jù)數(shù)據(jù)庫中已有的觀測數(shù)據(jù)，對未來的變形趨勢進(jìn)行預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)的模型比較多，如多元線性回歸、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。預(yù)報(bào)模塊的操作界面如下：變形矢量圖 形變預(yù)報(bào) 3、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制343、軟件系統(tǒng)的研制一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制GPS天線陣列接收機(jī)變形監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)自動(dòng)演示35-DC算法

23、 實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)GPS變形監(jiān)測的數(shù)學(xué)處理模型中，大多數(shù)適用于快速變形或在緩慢變形中存在突變的變形，如最小二乘搜索法(LS)，基于坐標(biāo)搜索的模糊度函數(shù)法(AMF)，降低模糊度之間相關(guān)性的最小二乘平差法(LAMBDA) 等。這些方法一般都需要利用多個(gè)歷元的觀測數(shù)據(jù)，且在確定模糊度的過程中必須保證一直鎖定衛(wèi)星，沒有周跳。但當(dāng)監(jiān)測環(huán)境較差，如對高層建筑，電視塔，礦區(qū)井筒進(jìn)行監(jiān)測時(shí)，GPS信號(hào)經(jīng)常中斷，給這些方法帶來了一定的困難。為了解決這種問題，一些國內(nèi)外學(xué)者研究了很多單歷元獲取監(jiān)測點(diǎn)變形的算法。 基線向量的約束(陳永奇) 變形特征信息的約束(熊永良) 組合相位觀測值獲取變形信息(李征航 邱衛(wèi)寧) 似單差法

24、(余學(xué)祥) 阻尼LAMBDA方法(劉根友)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制36 通過分析了基線向量約束和組合觀測法,提出了一種全新的單歷元解算法。該算法的核心是利用變形監(jiān)測的特點(diǎn)和已有精確的WGS-84坐標(biāo)，提出了一種既準(zhǔn)確又快速的整周模糊度解算方法DC（Direct Calculation ）算法。該方法不需要組成和解算法方程，更不需要搜索和確認(rèn)，而是直接計(jì)算整周模糊度。在5公里內(nèi)，不考慮電離層、對流層等影響，其雙差整周模糊度用下式計(jì)算： 當(dāng)已知衛(wèi)星的位置和監(jiān)測點(diǎn)的位置時(shí)，由該式可直接計(jì)算出的整周模糊度的浮點(diǎn)解。經(jīng)推導(dǎo)，應(yīng)用協(xié)方差傳播律得：-DC算法4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GP

25、S自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制37若要求: 如果變形小于0.1648m時(shí)，位移對整周模糊度的影響小于等于半周,這種利用監(jiān)測點(diǎn)的位移為約束條件直接解算單歷元變形量。-DC算法4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制38 當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)的變形大于0.1648m時(shí)，直接解算L1載波的整周模糊度是不準(zhǔn)確的。當(dāng)位移值大到0.7m時(shí)，如果還希望對整周模糊度的影響小于等于半周，并應(yīng)用DC算法計(jì)算整周模糊度，則載波相位的波長應(yīng)為： 可以通過組合相位觀測值來解算的模糊度。假設(shè)有兩種組合觀測值的模糊度，其之間的相互關(guān)系為：要使得組合觀測值有較長的波長(大于0.8083m)，并保持整數(shù)特性，上式變?yōu)?-DC算法4、系統(tǒng)新

26、理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制39當(dāng)任何組合肯定可以保證組合觀測值的整數(shù)特性 上式的解不惟一，考慮到組合觀測值的波長越長噪聲越大，確定采用寬巷組合和超寬巷組合 而且波長滿足條件，放寬了監(jiān)測點(diǎn)的變形位移范圍。 -DC算法4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制40位移變化量m設(shè)計(jì)的三個(gè)方向上的位移值計(jì)算的三個(gè)方向上的位移值位移差值dX(m)dY(m)dZ(m)dX(m)dY(m)dZ(m)dX(m)dY(m)dZ(m)0.16080.1150-0.1050-0.04000.1150-0.1050-0.04000.00000.00000.00000.17780.14000.0450

27、-0.10000.14000.0450-0.10000.00000.00000.00000.19900.1400-0.10000.10000.1400-0.10000.10000.00000.00000.00000.30000.2000-0.2000-0.10000.1985-0.1981-0.0985-0.00150.00190.00150.36740.3000-0.1500-0.15000.2991-0.1496-0.1497-0.00090.00040.00030.40110.3000-0.2200-0.15000.2991-0.2197-0.1497-0.00090.00030.000

28、30.45000.3000-0.1500-0.30000.2991-0.1497-0.2997-0.00090.00030.00030.50000.40000.00000.30000.39910.00050.3004-0.00090.00050.00040.51960.5000-0.1000-0.10000.4991-0.0996-0.0997-0.00090.00040.00030.61600.5500-0.1200-0.25000.5490-0.1196-0.2497-0.00100.00040.0003DC算法單歷元解算的變形量與實(shí)際變形量比較 -DC算法4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)

29、化監(jiān)測系統(tǒng)的研制41 設(shè)計(jì)位移量由小到大逐漸進(jìn)行變化，然后用DC組合寬巷法單歷元進(jìn)行解算。由上表可以看出在變形量小于0.7m以內(nèi)，計(jì)算位移量在三個(gè)方向上與實(shí)際變形量最大差值僅在1.9mm，最小的差值在0.3mm，達(dá)到毫米級(jí)精度。 DC算法不僅能很好地應(yīng)用于GPS變形監(jiān)測，獲得高精度的變形量,而且可以應(yīng)用于一般的GPS短基線定位問題，當(dāng)近似坐標(biāo)的精度不低于0.6m時(shí)，可用精確確定短基線得整周模糊度。-DC算法4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制42 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是建立在人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解剖的基礎(chǔ)上的，它描述的是人類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳遞、處理信息的微觀過程，并期望從這種微觀過程來模仿人的智能，探索人的

30、智慧形成和表現(xiàn)形式。 模糊邏輯則基于人類模糊思維這一抽象機(jī)理，用人類的語言來表述問題。它描述的是與人類模糊思維方式方法相關(guān)的宏觀過程，同時(shí)，期望在這個(gè)宏觀過程中挖掘人的智能形態(tài)，模擬人的智能作用，模糊數(shù)學(xué)為模糊邏輯的研究和開發(fā)提供了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部知識(shí)表達(dá)是不清楚的，但它具有學(xué)習(xí)能力。模糊邏輯雖然長于表達(dá)近似與定性知識(shí)，但通常又沒有學(xué)習(xí)能力。 -模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制43 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)部知識(shí)表達(dá)是不清楚，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在每次學(xué)習(xí)時(shí)都只能從任意初始條件開始，不能利用必要的初始經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，收斂速度慢，易于陷入局部極值。相反，由于模糊邏輯缺乏學(xué)習(xí)

31、能力，則只能主觀地依賴先驗(yàn)知識(shí)確定隸屬函數(shù)和模糊規(guī)則，不能根據(jù)積累的經(jīng)驗(yàn)自動(dòng)改善模糊系統(tǒng)的性能。因此，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊邏輯的結(jié)合就顯得非常必要。 -模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制44模糊推理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以下列模糊規(guī)則為基礎(chǔ)：設(shè)計(jì)如圖所示多輸入多輸出結(jié)構(gòu)的模糊推理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其正向計(jì)算為: 第一層是輸入層, 輸入向量的各分量 第二層是計(jì)算各輸入分量屬于各語言變量模糊集合的隸屬度函數(shù)。該層的節(jié)點(diǎn)總數(shù) 第三層的每個(gè)節(jié)點(diǎn)代表一條模糊規(guī)則,該層的所有節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)模糊規(guī)則庫。采用sum 操作進(jìn)行規(guī)則適用度的計(jì)算。該層的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為-模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化

32、監(jiān)測系統(tǒng)的研制45第五層是輸出層, 采用重心法應(yīng)用sum_product 模糊推理和解模糊化方法實(shí)現(xiàn)清晰化計(jì)算輸出第四層所實(shí)現(xiàn)的是歸一化計(jì)算，接點(diǎn)數(shù)與第三層一致-模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制46 FNN 目前的學(xué)習(xí)算法有梯度下降算法、遺傳算法、混合學(xué)習(xí)算法、TPH 算法、移動(dòng)小論域法等。由于各個(gè)輸入之間存在潛在相關(guān)性及每個(gè)輸入序列前后存在潛在自相關(guān)性,極可能使得基于各輸入建立的Hessian 矩陣為病態(tài)矩陣。因此,將LM 算法引入FNN ,從而形成了FNN-LM 學(xué)習(xí)算法。迭代公式為搜索方向dk由下式確定-模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)

33、測系統(tǒng)的研制47當(dāng)H秩虧或病態(tài)時(shí), 增大其主對角線元素, 其增大量k為阻尼因子引入步長因子( k) k 和( k) 的確定很重要, 直接影響網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的收斂速度、迭代振蕩和預(yù)報(bào)精度。-模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制 根據(jù)收集整理東江大壩安全監(jiān)測的位移、氣溫、庫水位等資料，以12個(gè)壩體垂線觀測點(diǎn)的徑切向位移序列為預(yù)報(bào)對象，共有時(shí)間范圍從1999年1月至2003年12月期間245個(gè)周期的樣本數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上分別建立了統(tǒng)計(jì)模型和FNN模型。 -模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制測點(diǎn)名統(tǒng)計(jì)模型FNN模型RMSMAEMSEMAENL1H291

34、R1.10170.67680.77170.5572504.5e-50.20L3H291R1.27250.91901.07450.7201504.5e-50.20L5H291R2.51702.06201.82601.1473504.5e-50.20L7H291R1.53731.00001.20430.8943504.5e-50.30L9H291R0.72170.50390.57530.4569504.5e-50.22L3H291L0.42550.33140.30810.2570504.5e-50.20L7H291L0.29410.23370.27590.1975164.5e-50.20L3H20

35、5R0.58500.49380.47670.3628284.5e-50.10L5H205R1.35571.24951.27541.0261504.5e-50.20MSE 為均方根誤差 MAE 平均絕對誤差N 為訓(xùn)練次數(shù) 為阻尼因子 為步長因子-模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制50 在預(yù)報(bào)精度上，F(xiàn)NN預(yù)報(bào)模型的均方根誤差和平均絕對誤差都比統(tǒng)計(jì)模型的相應(yīng)誤差要??；在迭代次數(shù)上，均未超過50次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其它神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所建模型的迭代次數(shù)，優(yōu)勢明顯。 位移預(yù)報(bào)值與觀測值對比情況和預(yù)報(bào)誤差以L7H205L測點(diǎn)為例，測點(diǎn)位移預(yù)報(bào)值與觀測值在60 個(gè)觀測周期中基本吻合;93 %

36、的預(yù)報(bào)誤差在0. 5 mm 范圍內(nèi), 表明該FNN 變形預(yù)報(bào)模型具有較高的預(yù)報(bào)精度測點(diǎn)位移預(yù)報(bào)值與觀測值對比測點(diǎn)位移預(yù)報(bào)誤差-模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制51 支持向量機(jī)SVM是一種基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的模式識(shí)別方法，它是由Boser，Guyon，Vapnik在COLT-92（ Computational Learning Theory ）上首次提出，從此迅速的發(fā)展起來，現(xiàn)在已經(jīng)在許多領(lǐng)域都取得了成功的應(yīng)用。 支持向量機(jī)的目標(biāo)是尋找一個(gè)超平面，使得它能夠盡可能多的將兩類數(shù)據(jù)點(diǎn)正確的分開，同時(shí)使分開的兩類數(shù)據(jù)點(diǎn)距離分類面最遠(yuǎn)。其解決方法是構(gòu)造一個(gè)在約束條件下的優(yōu)化

37、問題，具體的說是一個(gè)受限二次規(guī)劃問題(constrained quadratic programing)，求解該問題，得到分類器。-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制52H2H支持向量 如圖，H為分類線，H1、H2分別為過各類中離分類線最近的樣本且平行于分類線的直線，它們之間的距離叫做分離邊緣。所謂最優(yōu)分類線，就是要求分類線不但能將兩類正確分開（訓(xùn)練錯(cuò)誤率為0），而且使分離邊緣最大。-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制53對于支持向量來說，上面不等號(hào)改為等號(hào)。則分離邊緣為：wTxi + b 1 if yi = 1 wTxi + b -1 if y

38、i = -1 如果所有數(shù)據(jù)點(diǎn)距離最優(yōu)分類平面的距離都大于1，即可以實(shí)現(xiàn)正確分類，則對于數(shù)據(jù)(xi ,yi) ，滿足下式對于每一數(shù)據(jù)點(diǎn)，距離分類平面的距離為：-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制54 由于要求最佳分類平面的最大，則問題可轉(zhuǎn)化為：上式還可表達(dá)為：wTxi + b 1 if yi=1; wTxi + b -1 if yi = -1尋找w 和b 使得：最大； 并對所有數(shù)據(jù)點(diǎn) (xi ,yi)有Min wTw; St. yi (wTxi + b) 1-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制55 當(dāng)因噪聲等原因，會(huì)出現(xiàn)分類錯(cuò)誤。此時(shí)，引入松弛變量

39、i ；從而可以實(shí)現(xiàn)有噪情況下的分類。ii松弛變量i可以看作是錯(cuò)誤分類產(chǎn)生的誤差原來表達(dá)式為：Min wTw; St. yi (wTxi + b) 1引入松弛變量后變?yōu)椋?參數(shù)C用來調(diào)節(jié)正則化和經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)部分之間的平衡，還可以看作是對錯(cuò)誤分類點(diǎn)的懲罰參數(shù)。Min wTw + Ci St. yi (wTxi + b) 1- i i 0-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制56引入Lagrange乘子得到Lagrange方程：該Lagrange方程的鞍點(diǎn)就是上面二次規(guī)劃問題的解，轉(zhuǎn)換為下面對偶問題：Min 目標(biāo)函數(shù)st.-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制

40、57預(yù)測預(yù)報(bào)實(shí)質(zhì)是一個(gè)函數(shù)回歸問題,為此引入不敏感損失函數(shù),則目標(biāo)函數(shù)變?yōu)?采用序列最小化算法求解此回歸問題-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制支持向量機(jī)的變形預(yù)報(bào)模型的建模過程： 對訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理； 利用交叉驗(yàn)證法確定懲罰系數(shù)C 和核參數(shù) ，并給定不敏感損失函數(shù)的允許誤差 ； 用預(yù)處理過的訓(xùn)練樣本建立對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)； 利用序列最小優(yōu)化算法進(jìn)求解； 將求解所得到的參數(shù)和代入到回歸函數(shù)中去，并利用回歸函數(shù)對預(yù)處理后的檢驗(yàn)樣本進(jìn)行預(yù)測； 對預(yù)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反預(yù)處理，得到最終的預(yù)測結(jié)果。-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制5859 以

41、東江大壩水平垂線位移觀測數(shù)據(jù)為依據(jù)，測值樣本取L3H291垂線測點(diǎn)徑向位移1999年1月至2003年12月之間的數(shù)值，輸入的個(gè)數(shù)為8個(gè)，即以前8次觀測的位移作為自變量，第9次的觀測位移作為因變量，以此類推。擬合或訓(xùn)練樣本數(shù)150個(gè)，檢驗(yàn)樣本數(shù)為87個(gè)。對該測點(diǎn)的的245期變形觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析。將87個(gè)檢驗(yàn)樣本輸入到經(jīng)過學(xué)習(xí)的支持向量機(jī)中，進(jìn)行預(yù)測效果檢驗(yàn)。測點(diǎn)位移預(yù)報(bào)值與觀測值對比測點(diǎn)位移預(yù)報(bào)誤差-支持向量機(jī)4、系統(tǒng)新理論應(yīng)用一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制60 串口服務(wù)器又叫通訊服務(wù)器，一個(gè)帶有CPU和嵌入式OS及完整TCP/IP協(xié)議棧的獨(dú)立智能設(shè)備。它能連接多個(gè)串口設(shè)備并能將串口數(shù)據(jù)流進(jìn)

42、行選擇和處理，把現(xiàn)有的RS232接口的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成IP端口的數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行IP化的管理，IP化的數(shù)據(jù)存取。它提供TCP Server Mode、TCP Client Mode、UDP Mode和Real COM Mode工作方式。 串口服務(wù)器工作模式-串口服務(wù)器5、數(shù)據(jù)傳輸方案一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制61-串口服務(wù)器5、數(shù)據(jù)傳輸方案一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制62串口服務(wù)器工作模式-串口服務(wù)器5、數(shù)據(jù)傳輸方案一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制63遠(yuǎn)端路由器切割柵狀拋物面天線中心路由器 目前解決無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆椒ǎ轰佋O(shè)光纖、租用專線、租用衛(wèi)星、架設(shè)微波、GPRS（CDMA 1X）無線傳輸。鋪設(shè)

43、光纖費(fèi)用太高，租用專線租金太貴得難以承受，租用衛(wèi)星價(jià)格昂貴又存在帶寬不夠的問題，而微波卻能提供性價(jià)比最高的解決方案。 全向天線第一種方案: 無線微波擴(kuò)頻通信 5、數(shù)據(jù)傳輸方案一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制-無線局域網(wǎng)64第二種方案: GPRS（CDMA 1X）無線數(shù)據(jù)傳輸 工作原理:監(jiān)測站的傳輸軟件終端發(fā)出包括有APN號(hào)碼的GPRS登錄請求，登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)；位于移動(dòng)的SGSN根據(jù)登陸請求中的APN，找到登記的Radius服務(wù)器，并將用戶認(rèn)證信息送至Radius服務(wù)器；Radius服務(wù)器向GGSN發(fā)送攜帶用戶地址的確認(rèn)信息；終端得到了IP地址，就可以根據(jù)配置(作為服務(wù)器端或客戶端)與服務(wù)器建

44、立起TCP連接；連接建立后，終端采集到的各種數(shù)據(jù)就會(huì)通過建立的TCP數(shù)據(jù)連接透明地傳輸?shù)椒?wù)器；當(dāng)服務(wù)器有控制命令或其它數(shù)據(jù)要向下發(fā)送時(shí)，可以通過TCP連接傳送到監(jiān)測站終端。 5、數(shù)據(jù)傳輸方案一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制-GPRS(CDMA）傳輸65第二種方案: GPRS（CDMA 1X）無線數(shù)據(jù)傳輸 工控機(jī)（PDA）監(jiān)測設(shè)備GPRS撥號(hào)設(shè)備野外數(shù)據(jù)采集監(jiān)測站傳輸軟件通信服務(wù)商信號(hào)基站SGSN服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)GPRS骨干網(wǎng)GGSN網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)信號(hào)基站Internet服務(wù)器具有公網(wǎng)IP數(shù)據(jù)管理處理中心5、數(shù)據(jù)傳輸方案一、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制-GPRS(CDMA）傳輸666、電源解決方案一、G

45、PS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的研制 野外長期監(jiān)測，經(jīng)常是沒有通電的地方，為此采用太陽能電池板+蓄電池+交流電的聯(lián)合供電模式，根據(jù)具體的情況自動(dòng)啟動(dòng)相應(yīng)的供電方案。二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用3、在滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用2、在橋梁監(jiān)測中的應(yīng)用4、在沉井監(jiān)測中的應(yīng)用5、在機(jī)械防撞中的應(yīng)用676、在填筑碾壓中的應(yīng)用技術(shù)指標(biāo): GPS天線陣列技術(shù)和其他傳感器為基礎(chǔ)的大壩變形監(jiān)測新方法、設(shè)計(jì)一套相應(yīng)的實(shí)施方案，并符合相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)； 對數(shù)據(jù)進(jìn)行現(xiàn)場處理或通過GPRS技術(shù)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。系統(tǒng)可以自動(dòng)處理各種數(shù)據(jù)并給出計(jì)算結(jié)果。 建立一套完整的數(shù)據(jù)庫，保證數(shù)據(jù)的一致性、完全性； 根據(jù)此大壩變形

46、信息建立災(zāi)害預(yù)報(bào)模型，即用多元線性回歸分析與預(yù)測模型、基于灰色理論的預(yù)測模型、基于模糊數(shù)學(xué)的預(yù)測模型和數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)的綜合應(yīng)用與編程實(shí)現(xiàn)預(yù)報(bào)；二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用68二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用69二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用現(xiàn)場安裝70GPS天線陣列災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)特點(diǎn): 實(shí)時(shí)監(jiān)測、自動(dòng)傳輸、遠(yuǎn)程處理、成本較低二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用71 本系統(tǒng)是基于Visual C+語言編制的GPS天線陣列變形監(jiān)測綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)具有

47、用戶管理、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理、生成報(bào)表、變形分析與預(yù)報(bào)、變形矢量圖繪制等功能。 軟件系統(tǒng)簡介（1）數(shù)據(jù)文件的組織 接收機(jī)在開始測量之后，將會(huì)一直處于記錄狀態(tài)，如果需要長期的、連續(xù)的監(jiān)測，有限的接收機(jī)存儲(chǔ)空間顯然不能滿足要求。因此，需要將數(shù)據(jù)直接實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行存儲(chǔ)和處理，以保證長期連續(xù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間要求。由于在數(shù)據(jù)采集的過程中利用了GPS多天線陣列，因此在數(shù)據(jù)處理時(shí)需要考慮不同的天線觀測數(shù)據(jù)如何在數(shù)據(jù)文件中進(jìn)行區(qū)分，經(jīng)過分析和比較，我們決定在天線切換的過程中重新創(chuàng)建接收機(jī)文件，將每個(gè)天線的觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行倪M(jìn)行計(jì)算和分析處理。 軟件系統(tǒng)二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)

48、用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用72（2）系統(tǒng)整體控制中心 GPS多天線陣列接收機(jī)變形監(jiān)測綜合數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是依據(jù)大壩變形監(jiān)測的原理，并結(jié)合當(dāng)前測繪現(xiàn)代化發(fā)展的需要而開發(fā)的。整個(gè)系統(tǒng)采用工程化的管理思想，用Visual C+ 6.0作為主要的開發(fā)工具， ACCESS作為數(shù)據(jù)庫，整個(gè)系統(tǒng)使用方便，模型完善，界面美觀。為了更好地實(shí)現(xiàn)對各個(gè)模塊的管理，設(shè)計(jì)了整體控制中心，它可以很好地將數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)庫管理、分析與預(yù)報(bào)集成在一起，保證數(shù)據(jù)庫中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，將數(shù)據(jù)與圖形顯示有機(jī)的結(jié)合起來，做到直觀、簡便。保證各個(gè)模塊既可以獨(dú)立的工作，又可以協(xié)調(diào)工作。 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣

49、列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用73(3) 數(shù)據(jù)采集 該模塊主要負(fù)責(zé)將基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)據(jù)接收到計(jì)算機(jī)上，在數(shù)據(jù)接收的過程中，不需要在GPS接收機(jī)上進(jìn)行記錄，所有數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄到計(jì)算機(jī)上，同時(shí)進(jìn)行解碼，生成Rinex文件，供后面的數(shù)據(jù)處理使用。我們將數(shù)據(jù)采集部分進(jìn)行了的集成化與系統(tǒng)化處理，做到了實(shí)時(shí)化和自動(dòng)化。數(shù)據(jù)采集時(shí)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)日期自動(dòng)創(chuàng)建文件夾（如GpsRawDataJZ0220040808），并將測量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在該目錄下。如果需要進(jìn)行手工操作，在主控制程序中點(diǎn)擊數(shù)據(jù)采集按扭即可啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集程序，程序界面如下圖所示。 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用74二、GPS自動(dòng)化監(jiān)

50、測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用75(4)基線解算 本基線解算采用我們提出的單歷元解算法解算。根據(jù)變形監(jiān)測的特點(diǎn)，我們提出了單歷元直接解算整周模糊度的理論和算法，并用C+編程實(shí)現(xiàn)。其界面如下： 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用76(5)平差計(jì)算 在基線解算完成后可以進(jìn)行平差計(jì)算，得到各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的平差坐標(biāo)和精度情況。平差計(jì)算模塊的界面如下圖所示。 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用77(6)數(shù)據(jù)庫管理 數(shù)據(jù)庫管理是本系統(tǒng)的一個(gè)核心，平差計(jì)算的處理結(jié)果將放到數(shù)據(jù)庫中，以便進(jìn)行成果報(bào)表、變形分析與預(yù)報(bào)以及變形矢量圖的繪

51、制。數(shù)據(jù)庫管理主要具有增加記錄、修改記錄、刪除記錄、查詢記錄和導(dǎo)出記錄等功能。數(shù)據(jù)庫管理的界面如下圖所示。 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用78(7)成果報(bào)表 本系統(tǒng)具有成果報(bào)表生成模塊。該模塊可根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)自動(dòng)生成變形量統(tǒng)計(jì)表。(8)變形矢量圖 變形矢量圖模塊具有顯示基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位、顯示各個(gè)監(jiān)測點(diǎn)的平面和高程方向的位移過程情況等圖形，并具有一些基本的圖形放大、縮小、平移、查詢、打印預(yù)覽和打印等功能。該模塊的界面如下圖所示。 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用79二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)

52、測中的應(yīng)用80(9)變形分析與預(yù)報(bào) 變形分析與預(yù)報(bào)模塊的界面如下圖所示。 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用81(10)GPS天線陣列接收機(jī)的監(jiān)測結(jié)果及精度 對25期一個(gè)小時(shí)和70期二個(gè)小時(shí)的觀測數(shù)據(jù)，應(yīng)用本系統(tǒng)進(jìn)行了處理，所有點(diǎn)的過程線如下圖（上圖為一個(gè)小時(shí)）。二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用82二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用83二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用84二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用85二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

53、的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用86二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用87由上圖知，各個(gè)方向的平均精度為：滿足高精度變形監(jiān)測的要求。二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用1、GPS天線陣列在大壩監(jiān)測中的應(yīng)用88（一）、東海大橋概況及變形監(jiān)測的必要性（二）、GPS用于東海大橋變形監(jiān)測的可行性分析（三）、東海大橋GPS多天線陣列變形監(jiān)測方案 （四）、結(jié)論與建議二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案89（1）東海大橋的特點(diǎn) 橋梁長 橋面寬 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 自身荷載巨大，受風(fēng)、溫度、 潮汐等自然因素的影響很大 建成后車載量大 要保證東海大橋的安全，

54、必須對其進(jìn)行變形監(jiān)測。（一）、東海大橋概況及變形監(jiān)測的必要性二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案90要求監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該具有:精度高實(shí)時(shí)全天候數(shù)據(jù)采集處理、分析自動(dòng)化,一體化（2）東海大橋?qū)ψ冃伪O(jiān)測系統(tǒng)的要求二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案91（3）傳統(tǒng)的變形監(jiān)測方法的不適應(yīng)性經(jīng)緯儀監(jiān)測水平位移和水準(zhǔn)儀監(jiān)測垂直位移的常規(guī)方法激光準(zhǔn)直儀監(jiān)測水平位移各種傳感器監(jiān)測位移 近景攝影測量的方法監(jiān)測大橋變形測量機(jī)器人監(jiān)測大橋變形 結(jié)論：各種傳統(tǒng)方法在各自的應(yīng)用領(lǐng)域中都具有各自的特點(diǎn),但都不適用于東海大橋上進(jìn)行變形監(jiān)測。 因此，必須研究新的實(shí)用系統(tǒng)。二

55、、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案92（二）、GPS用于東海大橋變形監(jiān)測的可行性分析GPS具有精度高、速度快、全天候、自動(dòng)化的特點(diǎn) 現(xiàn)有GPS變形監(jiān)測的模式多樣,數(shù)據(jù)采集,處理,信息分析技術(shù)成熟,普通模式 :只用幾臺(tái)GPS接收機(jī)，人工定期逐點(diǎn)采集數(shù)據(jù) 隔河巖模式 :每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)上都安置一臺(tái)GPS接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)全天候、全自動(dòng)化監(jiān)測 RTK模式:采用GPS RTK技術(shù) ,一般難以達(dá)到3mm的監(jiān)測精度建議不用這種方式進(jìn)行變形監(jiān)測 GPS技術(shù)已被廣泛運(yùn)用于各種變形監(jiān)測中,并取得了顯著的成果二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案93GPS接收機(jī)壩面GPS

56、天線壩面工控機(jī)至總控室隔河巖大壩自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案94 GPS的普通模式精度雖然很高,但不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測,影響了其在東海大橋變形監(jiān)測中的實(shí)用性.隔河巖模式的監(jiān)測系統(tǒng)顯然是一種實(shí)用,可靠的系統(tǒng),但似乎系統(tǒng)造價(jià)過于昂貴,對于有600個(gè)左右監(jiān)測點(diǎn)的東海大橋,用隔河巖模式的造價(jià)耗資將近一個(gè)億。 能否找到一種既經(jīng)濟(jì)又能全天候,全自動(dòng)化對東海大橋進(jìn)行變形監(jiān)測的系統(tǒng)呢?-為此我們提出了GPS天線陣列接收機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的原理如下：二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案95至總控室工控機(jī)多天線陣列接收機(jī)GPS天線GPS天線

57、陣列接收機(jī)工作原理二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案96（三）、東海大橋GPS多天線陣列變形監(jiān)測方案（1）監(jiān)測站布設(shè)原則 : 鑒于東海大橋橋體長,橋面寬,以及分段結(jié)構(gòu)建造等特點(diǎn) ,在變形監(jiān)測時(shí)采用兩級(jí)布網(wǎng)、分段監(jiān)測、分段解算的原則。（2）基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè): 在大橋兩岸適當(dāng)位置布設(shè)兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的布設(shè)方法，布點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)與IGS站的布設(shè)方法相同?；鶞?zhǔn)點(diǎn)要與我國其他IGS聯(lián)測.布點(diǎn)時(shí)考慮地質(zhì)條件,交通情況,以便于維護(hù). 基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)如圖:二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案97 （3）工作基點(diǎn)的布設(shè) 在東海大橋的橋面上修建5個(gè)永久觀測墩，每個(gè)

58、觀測墩上安置天線，接收機(jī)，串口設(shè)備服務(wù)器，遠(yuǎn)程室外路由器以及切割柵狀拋物面天線作為工作基點(diǎn)。工作基點(diǎn)上的GPS接收機(jī)保持24小時(shí)連續(xù)觀測，并與兩岸的基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測. 全橋分做6段,分段情況如圖:（4）工作基點(diǎn)上儀器配置二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案98（5）監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)方案 方案一: 在大橋每一跨的中間設(shè)置GPS 天線。在主通航孔處和顆株山大橋 處由于比較跨度大,位置居中,可增加監(jiān)測點(diǎn).兩座橋需要對它們主橋塔的擺動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測，需要求解主橋塔頂端的振幅和周期。分別在兩座斜拉索橋橋塔頂端安置GPS天線，用兩臺(tái)共享器來控制橋塔頂端的天線，使它們分別與兩臺(tái)GPS接收機(jī)連接。

59、 方案二: 為了節(jié)省成本，在方案一的基礎(chǔ)上減少監(jiān)測點(diǎn)。對兩座斜拉索橋的處理方法與方案一相同?？绾５?4km橋段，每百米布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，其余6km橋段每150米布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn). 二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案99（6）系統(tǒng)建成后工作示意圖二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大橋GPS天線陣列監(jiān)測方案1007、系統(tǒng)成本比較:設(shè)備GPS天線陣列變形監(jiān)測系統(tǒng)隔河巖模式方案一方案二方案一方案二數(shù)量金額（萬元）數(shù)量金額（萬元）數(shù)量金額（萬元）數(shù)量金額（萬元）接收機(jī)72936.0039507.005156695.002983874.00天線5151030.00259518

60、.005151030.00298596.00控制器65195.0037111.600000電纜92000184.0080000160.000000通信72129.603970.20515927.00298536.40觀測墩51551.5029829.8051551.5029829.80儀器柜727.20373.7051551.5029829.80調(diào)試80.0080.0060.0060.00軟件180.00180.00180.00180.00稅費(fèi)335.20199.241079.40636.72合計(jì)3128.501859.5410074.405942.72二、GPS自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用2、東海大