华测风塔GPS自动化监测方案.doc

风塔沉降 GPS 自动化 监测预警 技 术 方 案 上海华测导航技术有限公司 2012 年 11 月 1 前言 3 2 风塔沉降 GPS 监测的总体设计 4 2 1 系统设计依据 4 2 2 系统硬件总体设计 4 3 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统概况 6 3 1 GPS 自动化监测在风塔沉降形变监测中的应用 6 3 2 GPS 自动化监测系统发展 6 3 3 自动化监测的优点 7 3 4 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统的介绍 7 3 5 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统原理和方法 8 3 6 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统组成 9 3 7 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统技术的先进性 10 4 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统方案实施 11 4 1 本监测系统设计依据 11 4 2 风塔沉降区 GPS 监测点的布置 12 4 2 1 GPS 参考站 12 4 2 2 GPS 监测站 12 4 3 风塔沉降体 GPS 观测蹲的建设 12 4 3 1 参考站的选址依据 12 4 3 2 GPS 观测墩的埋设要求 13 4 4 供电系统系统 17 4 4 1 太阳能供电系统 17 4 5 数据通讯单元 18 4 6 雷电防护 18 4 6 1 雷电的危害性 18 4 6 2 直接雷防护 18 4 7 监测设备防盗措施 19 5 系统控制解算中心 19 5 1 存储及处理系统 20 5 2 软件控制系统 20 6 控制中心解算软件 GPSENSOR 简介 22 6 1 应用背景 22 6 2 GPSensor 功能简介 24 6 2 1 GPSensor 的功能模块 24 6 2 2 GPSensor 的基本功能 24 6 2 3 数据记录 26 6 3 GPSensor 算法的特点 与 RTK 和传统静态模式比较 27 6 4 GPSensor 的软件界面介绍 30 6 4 1 数据监控窗口 30 6 4 2 接收机监控窗口 30 6 4 3 监测站变形曲线窗口 31 6 4 4 基线窗口 32 6 4 5 日志 32 6 5 GPSensor 的系统结构 33 6 5 1 系统结构 33 6 5 2 GPSensor 支持的 GPS 接收机 33 6 6 服务器和操作系统 33 6 7 系统通讯网络 35 7 产品选型 36 7 1 华测双频 X60M 接收机 36 8 1 防雷相关设备 38 8 1 1 避雷针 38 8 2 天线罩 39 GPS 观测墩设计图 41 1 前言 INTERNET 彻底改变了我们的习惯 涵盖我们生活各个角落的大量信息在人们 之间免费自由交流 无线技术将我们从纷繁的电缆 各式各样的适配器以及插座中 解放出来 计算机在体积越来越小的背后其功能却不断增强 面对这一切 年轻的 工程师和科学家无法想象究竟应怎么评价并实际应用它们 对我们安全监测工程师 而言 新技术给我们带来的最大冲击就是现场监测 尤其是自动化监测 各种传感 器安装在现场 自动采集系统按照要求的采样速率自动测读数据 传感器 数据采 集系统以及数据管理等方面的技术进展 已经扩展应用于各类安全监测预警 本文 通过 GPS 自动化监测说明自动监测的益处 如边坡监测 深基坑监测和桥梁监测 这些例子都说明了要搞监测的三个主要原因 节省投资 保障安全 确保建筑施工 安全 风能是现今世界各国都十分重视开发和利用的一种绿色能源 风电场塔筒是风 力发电的塔杆 在风力发电机组中起支撑作用 同时吸收机组震动 要保证风力发电 机组的正常运转 就必须保证塔筒结构的安全可靠 风电场风力发电塔筒不仅受到 自身重力 风轮和机舱的重力 作用在塔身上的风载荷 还受到通过风轮作用在塔 筒顶端的气动载荷 偏转力 陀螺力和陀螺力矩等 塔筒轴心倾斜度 振动频率及 振幅都是塔筒结构健康状况的重要参数 对这些参数进行实时监测可以检测塔筒能 否正常使用 加速度传感器法 位移传感器法和全站仪自动扫描法是现今常用于结构动态变 形监测的几种方法 但传统的观测技术受其能力所限 已经不能满足大型构筑物动 态监测的需求 随着现代硬件技术 数据处理技术以及通信技术的发展 一门新兴 技术 GPS 监测技术逐渐发展起来 国内外运用 GPS 监测技术对建筑物的实时 健康监测也日渐增多 如加拿大 Loves 等于 1993 年对高 160 m 的卡尔加里塔用 GPS 进行了强风作用下的振动测量 德国 Breuer 等于 1999 年对高 155 m 的电视塔进行 了风载荷作用下的振动测量 2 风塔沉降 GPS 监测的总体设计 2 1 系统设计依据 华测 GPS 变形监测系统是一个集结构分析计算 计算机技术 通信技术 网络 技术 传感器技术等高新技术于一体的综合系统工程 本监测系统的作用是成为一 个功能强大并能真正长期用于结构损伤和状态评估 满足固体建筑物管理和运营的 需要 同时又具经济效益的结构健康安全监控系统 遵循如下设计原则 1 遵循简洁 实用 性能可靠 经济合理的指导思想 2 系统设置立足实用性原则第一 兼顾考虑科学试验和设计验证等方面因素 3 各传感器的布置 安装要合理 力求用最少的传感器和最小的数据量完成 工作 4 系统应具有可扩展性 GPS 或者 软件通过远程的端口映射 直接从监 测单元的端口获得 GPS 的原始数据流 在控制中心服务器上 GPSensor 监测软件准实 时解算出各监测点的三维坐标 本套系统采用的是光纤传输 3 6 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统组成 数据处理中心建设在控制中心 办公室有总控计算机 数据处理工作站 打印机 等硬件设备 而在总控计算机上安装华测 GPSensor 软件 2 控制中心配备一台高性能服务器 用于数据分析和图形处理 以及终端服务 结 合 GPSensor 软件和其他专业的数据处理软件 实时对数据分析和图形处理 如下图 为该系统结构拓扑图 A 3 0 0 天线 监测站 1 A 3 0 0 天线 机 柜 参考站 数据处理 控制中心 无 线 网 桥 数据处理 数据库 客户端 短信报警 避雷系统 数 据 控 制 中 心 组 网 络 交 换 机 X 6 0 M G P S 接收机 电源适配 器 串口服务 器 A 3 0 0 天线 监测站 2 0 避雷系统 机 柜 X 6 0 M G P S 接收机 串口服务 器 电源适配 器 避雷系统 A C A C 共有五个这种观测方式X 6 0 MG P S接收机串口服务 器 电源适配 器 A C 共 2 0 个监 测点 风塔沉降区系统结构拓扑图 数据传输方式采用光纤传输 能使用市电的情况全部使用市电 在不方便使用市 电的地方使用太阳能和蓄电池联合供电方式 3 7 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统 技术的先进性 1 GPS 接收机及其配套设备 要求包括从数据采集 集中传输 解算处理 显示和记录及避雷和防盗等安全保护设施的全部设备 实现将监控数据传 输到监控中心并显示 2 监测系统无人值守 有人照看 自动运行 年运行可靠率 99 以上 系统 可满足 7 24 小时长时间可靠运行 连续无故障运行时间超过 10 万小时 在没有太阳的情况下 监测系统设备可依靠备用电源连续工作 7 天以上 3 GPS 硬 件 具 有 良 好 的 物 理 性 能 和 工 作 性 能 适 合 长 时 间 连 续 工 作 GPS 接 收 机 天 线 为 大 地 测 量 型 天 线 4 本 系 统 可 采 用 光 纤 通 讯 数 据 传 输 到 控 制 中 心 准 实 时 处 理 5 准 实 时 显 示 和 分 析 形 变 量 可 间 断 性 评 估 的 健 康 状 况 6 数 据 实 时 输 出 给 分 析 软 件 7 控 制 中 心 软 件 自 动 解 算 最 短 反 应 时 间 可 为 几 分 钟 到 几 小 时 并 实 时 进 行 网 平 差 自 动 评 估 监 测 结 果 而 且 各 参 数 完 全 由 用 户 根 据 不 同 监 测 需 求 自 行 设 置 8 设 定 日 常 信 道 报 警 系 统 Web 发 布 以 及 可 通 过 短 消 息 或 E MAIL 方 式 报 警 无 论 您 在 何 时 何 地 都 可 以 掌 握 风 塔 沉 降 体 的 动 态 9 通 过 实 时 监 测 风 塔 沉 降 点 的 空 间 位 移 确 定 风 塔 沉 降 区 的 变 形 状 况 几 何 线 形 等 10 提 供 高 质 量 的 双 频 GPS 测 量 数 据 实 时 获 得 毫 米 级 精 度 的 位 置 数 据 静 态 精 度 为 水 平 小 于 3mm 垂 直 小 于 6mm 风 塔 风 载 震 动 中 实 时 监 测 精 度 小 于 10mm 垂 直 小 于 20mm 11 自 动 生 成 报 表 形 成 报 表 的 周 期 用 户 可 自 行 设 计 比 如 一 周 一 天 等 一 些 必 要 的 输 出 信 息 用 户 也 可 以 自 动 添 加 或 删 除 同 时 根 据 需 要 可 自 动 生 成 各 点 的 周 变 化 曲 线 月 变 化 曲 线 等 4 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统方案实施 1 本 GPS 自动化监测系统实施主要包括以下几个方面 2 参考站及监测站选址 3 参考站及监测站观测墩的建设 4 设备的供电 5 设备避雷 6 数据通讯 7 控制中心的建设 4 1 本监测系统设计依据 风塔沉降 GPS 自动化监测预警系统技术设计及工程建造依据相关的国家标准和相 关行业标准进行 本设计书中所引用的部分技术规范参下表 名称 编号 批准单位 年份 全球定位系统测量规范 CH2001 国家测绘局 精密工程测量规范 GB T 15314 国家技术监督局 1994 12 22 94 全球定位系统城市测量技术规程 CJJ 73 97 中国建设部 1997 UNAVCO 基准站建立规范 国际 UNAVCO 组织 IGS 基准站建立规范 国际 IGS 委员会 混凝土结构设计规范 GBJ 10 89 建设部 4 2 风塔沉降区 GPS 监测点的布置 风塔沉降区 GPS 自动化监测预警系统的监测单元包括参考站和监测站 各站点的 具体布置方式根据以下要求 4 2 1 GPS 参考站 GPS 基准网布设应根据风塔沉降体的情况而定 点位宜分布在风塔沉降体周围 与 监测点的距离最好在 3 公里以内 地质条件良好 稳定 视野相对比较开阔且易于长期 保存的地方 而这些监测点必须定时应与就近的 GPSA B 级控制网或国家 IGS 网进行联 测 以利于分析基准网点的可靠性及变形情况 基准网点基线向量的中误差 1ppm D 当基线长度 D0 7 米 避雷针基座为 500 500 60mm 钢筋混凝土 由地网 引两根 40 4mm 热镀锌扁钢与基座连接 接地电阻小于 2 避雷针与天线的距离选择大于 3 米 是以中等强度的雷电流通过避雷针接地泄流 时所产生的感应电磁场到达天线时其强度可衰减到安全值的范围之内 预防直接雷示意图 4 7 监测设备防盗措施 因为本系统具有自动检测 自动报警的功能 所以本监测系统防盗措施主要通过 以下 3 个方面 1 观测蹲周围设置防护栅栏 如太阳能电池板供电示意图 在栅栏上贴上电力 警示标志 2 各监测点做到无人照管有人照看 3 每个机柜都配有锁和钥匙 5 系统控制解算中心 系统控制中心是整个系统的核心单元 由机房 中心网络和软件系统组成 具有 数据处理 系统控制和网络管理的功能 5 1 存储及处理系统 微机应有以下性能 1 高的散热技术 更好的稳定性 MTBF 20 000 小时 并能支持高达 2GHZ 主频 的 CPU 1G 内存 Windows XP 操作系统 2 数据库平台 3 网络平台 具有固定 IP 地址 带宽至少为 2M 4 小巧简约的外形设计 节省办公空间 可以随意摆放和移动位置 5 2 软件控制系统 GPSensor 软件界面图 标准特性 Windows95 NT 32bit 结构 多线程 多任务设计 先进的 GPS 数据算法 具有 OTF 解算 卡尔曼滤波 三差解算等 图形用户界面 实时显示基准站 监测站的工作状态 具有防死机功能 一旦某个监测站出现死机现象 软件马上会通过数据信号触发的 方式实现接收机自动重启 软件上有各个 GPS 接收机的模拟串口 可以向 GPS 接收机发送用户更改参数的命令 如采样间隔 高度截止角 时段长度等 软件记录原始数据后 可以任意截取其中部分数据 可以调整各个监测站的位置更新率 可以输出多种差分后的数据格式 如 GGA 等 可以提供源代码 支持用户二次开发 6 控制中心解算软件 GPSensor 简介 6 1 应用背景 GPSensor 是由上海华测导航技术有限公司研发的基于网络利用全球卫星定位系统 GPS 进行的实时三维变形量分析系统软件 这套软件对于人工建筑变形分析 比 如大型桥梁 水坝 大型人工建筑以及油田沉陷 矿山采空区沉陷 城市地下水漏斗 沉陷 火山监测 山体风塔沉降监测等等具有非常大的现实意义 GPS 全球卫星定位系统 自八十年代中期投入民用后 已广泛地在导航 定位等 各领域应用 尤其在测量界的控制测量中起了划时代的作用 正因为是它在静态相对 定位中的高精度 高效益 全天候 不需通视等优点 使人们普遍采用其来代替常规 的三角 三边 边角等方法 并在理论 实践中取得了可喜的成果 在精密工程变形 监测中也逐步得到广泛的应用 从国内外的有关研究和应用可以看出 GPS 自动化监测系统已经在桥梁 大型建筑 地震 等行业中应用并取得较好的效益 目前 采用 GPS 技术用于桥梁等工程变形监 测的手段已经被广泛的应用于世界各地 例如 英国 Humber 桥的 GPS 监测系统 日本明石海峡大桥的 GPS 监测系统 虎门大桥 GPS 监测系统 青马大桥 汲水门大桥 和汀九大桥的 GPS 监测系统 上海曾经是中国缓变性地面沉降较为严重的城市 自 1921 年发现地面沉降至今已 有 80 余年 开展地面沉降专项勘查与研究至今已有 40 年 特别是近十余年来 采用 GIS 地理信息系统 和 GPS 全球定位系统 技术 对全市监测网络进行了全面更新 与调整 并正在建设完善全市地面沉降自动化预警预报系统工程 三峡库区地质灾害监测预警工程是国家在三峡库区实施的一项重大减灾工程 国土 资源部将实施这一工程 三峡库区地质灾害监测预警工程于 2002 年 3 月正式启动后 三峡库区地质灾害防治工作指挥部在全库区建成包括 GPS 监测网 综合立体监测网和 遥感监测系统的专业监测工程 建立各类监测网点 1447 个 配备 GPS 接收机 46 台 套 并在重庆市和湖北省的 18 个区 县的 129 处风塔沉降和库岸监测运行 完成 了包括地表位移监测 深部变形监测 风塔沉降推力监测 风塔沉降地下水监测和宏 观巡查监测在内的 18 个区 县的 125 处崩塌风塔沉降库岸综合立体监测网建设 由 GPSensor 为核心构成的变形监测网络中的每个 GPS 接收机只需要输出 GPS 的原 始数据和星历 原始数据包含了 GPS 解算所有必要的伪距和载波相位数据等 星历指 GPS 卫星发播的广播星历 数据通过广域网 局域网络 串口 无线设备等传到控制中 心 控制中心的 GPSensor 软件根据每台 GPS 接收机对应的 IP 地址和端口号 获得每 个监测点的原始实时数据流 GPSensor 软件对这些原始数据进行实时差分解算 得到 各个监测站的坐标 并存入数据库或发送给客户端 利用 GPSensor 软件能进行 7 24 小时不间断观测 而且 与传统的 RTK 方式相比 GPSensor 具有精度更高 实时性更强的特点 GPSensor 支持各种主流品牌的单双频 GPS 接收机混合监控 GPSensor 采用了 C S 架构 用户可以进行远程监控 具体的 GPSensor 实时差分变形监测软件的工作流程可用下图表示 基 站 A 基 站 B 监 测 站 1 监 测 站 2 监 测 站 N 载 波 相 位 差 分 计 算 载 波 相 位 差 分 计 算 实 时 网 平 差 和 数 据 融 合 图 形 显 示 记 录 报 警 输 出 客 户 端 系 统 误 差 改 正 模 型 远 程 服 务 如图所示 GPSensor 变形监控软件实现了各个监控站的实时差分定位 并具有图 形显示 接收机设置 监控站参数设置 观测数据记录 报警等功能 采用 C S 架构的 GPSensor 软件方便用户在办公室 监控中心 家中监测系统的健 康状况 GPSensor 实时差分变形监控软件支持英文和中文 GPSensor 的开发工具为 VC 6 0 6 2 GPSensor 功能简介 6 2 1 GPSensor 的功能模块 这里用框图来表示 GPSensor 的主要功能模块 串 口 通 讯 TCP UD通 讯 HF V MOE Trimble Javd Topcn 电 离 层 改 正 Huace 测 站 环 境 干 扰 去 除 接 收 机 钟 差 改 正 数 据 视 图 接 收 机 视 图 测 站 变 形 曲 线 接 收 机 分 布 网 图 基 线 解 算 视 图 监 测 点 点 位 离 散图 星 历 更 新 窗 口 日 志 数 据 记 录 远 程 服 务 据 视 图 时 间 同 步 地 方 坐 标 转 换 系 统 完 备 性 监 测 报 警 远 程 服 务 数 据 导 入 导 出 原 始 数 据 后 处 理 双 差 Kalmn滤 波 解 算 三 差 l滤 波 解 算 实 时 动 态 自 由 网 平 差 Lei NAtel Nvo 远 程 设 置 大 坝 桥 梁 监 测 客 户 端 沉 降 监 测 客 户 端 滑 坡 监 测 客 户 端 6 2 2 GPSensor 的基本功能 GPSensor 实时差分变形监控软件具有下面的一些基本功能 对 GPS 原始数据进行 7 24 小时实时差分处理 进行变形监测 永不间断 根据接收机的原始数据输出率 数据更新率最高可达 20Hz 可根据系统参数设置 对不同的监测站的实时差分结果进行 Kalman 滤波 达 到不同的动态要求和精度要求 可同时处理多达多个基站和 32 个监测站的数据 根据多天运行的结果 建立近期的大气延迟 对流层 电离层 模型 提高定 位精度和可靠性 多基站支持 多基站不但提高了系统的可靠性 而且 根据多基站的观测数据 可以建立电离层模型 提高长距离监测的精度 根据多基站的处理结果 可以 实现实时网平差功能 提高点位精度和可靠性 原始数据后处理功能 输入接口协议 RS232 CAN TCP IP 输出接口 远程服务 协议 TCP IP 实时显示接收机的信号跟踪状况 如星空图 信噪比 钟差等 实时显示基线的变化情况 点位的移动情况等 原始数据 解算结果的自动保存功能 可根据用户需求进行设置 对监测站 基站接收机的远程设置功能 软件上有各个 GPS 接收机的独立监控 模块 可以向 GPS 接收机发送用户更改参数的命令 如采样间隔 高度截止角 等 系统完备性监测功能 可对整个系统的健康状况进行监测 每个监控站的监控范围可根据用户设置 可从 5 厘米到 5 米 相对的 精度可 从 2mm 到 1cm 平面 高程 4mm 到 2cm 环境参数输入功能 比如 输入监测站周围障碍物的分布情况 在数据处理时 能剔除常规方法不能自动剔出的坏数据 提高定位精度 具有防死机功能 一旦某个监测站出现死机现象 软件马上会通过数据信号触 发的方式实现接收机自动重启 可以调整各个监测站的位置更新率 支持网络分布式计算 软件实现 C S 架构 客户端可以运行在远程 提供第三方软件接口 如用 COM 组件的方式实现 可实现远程查询 管理 报 警 另外 GPSensor 软件可用于桥梁 矿区等的监测 可针对不同的工作环境对用户 图形界面进行定制 如针对桥梁监测 GPSensor 的客户端能提供如下功能 数据库功能 长期观测的数据能保存在数据库中 三维动画 整体变形示意图 历史数据分析 趋势图 报警功能 报警项可根据用户要求设定 可通过短信 电子邮件等方式进行报 警 权限管理 一般用户只能浏览数据 系统管理员才可能对一些参数进行设置 数据分析 即对监控点进行频域和时域分析 6 2 3 数据记录 连接数据库 GPSensor 能够记录用户需要保留的各项信息 根据用户的选择 记 录的内容如下 GPS 定位数据 坐标 精度 水平和垂直 PDOP 值 使用卫星颗数 解类型 卫星数据 卫星颗数 每颗卫星的坐标 每颗卫星的信噪比 每颗卫星的仰角 基线解信息 基线向量 基线误差 中误差和相对误差 比率值 协方差阵 系统状态数据 软件本身的工作状态 各个机站的工作状态是否正常 网络连接状态 6 3 GPSensor 算法的特点 与 RTK 和传统静态模式比较 集成了 RTK 功能的 GPSensor 软件 除了也能采用 RTK 方法之外 采用其自身与 RTK 或静态后处理不同的算法 1 算法 相比 RTK 方法而言 GPSensor 的算法具有如下特点 GPSensor 采用采用同时刻 在 1 微秒之内 的 GPS 原始观测值进行差分解算 而 RTK 方法不需要差分改正数和流动站的观测数据保持同步 一般的参考站接 收机差分改正数广播更新率为 1Hz 因此 一般情况下差分改正数会延迟 0 5 秒到 2 秒不等 在特别情况下 流动站能允许 1 分钟之前的差分改正数参与解 算 GPSensor 可以采用扩展的动态非线性 Kalman 滤波算法进行差分解算 GPSensor 的算法对系统的硬件要求较高 通常在高性能计算机 而 RTK 的算法 总是有 GPS 接收机生产厂商提供 固化在 GPS 接收机内部 静态解算需人工干 预 一般采用双差固定解得方式 2 精度 GPSensor 直接应用 GPS 接收机的原始数据 参考站和流动站的观测数据保持严 格的同步 所以 大气层延迟造成的公共误差被最大程度地抵消 GPSensor 还采用 滤波方法消除 GPS 动态定位数据中的各种随机误差 是输出的定位结果更符合真实 的情况 所以 GPSensor 根据采用的 GPS 接收机和 GPS 天线的不同 可以保证毫米级 的定位精度 而通常的 RTK 接收机动态定位精度为厘米级 事例一 在一个静止点上 采用双频 GPS 接收机和普通双频天线进行实时 RTK 解算 解算结果如下图所示 RTK 实时解算结果 可见 RTK 的定位精度平面在 2 个厘米之内 高程在 4 个厘米之内 事例二 在一个静止点上 采用双频 GPS 接收机和普通双频天线 然后采用 GPSensor 软件对其连续解算 24 个小时 具体解算结果如下图 GPSensor 实时 Kalman 解算结果 相对 RTK 解算结果其精度有显著的提高 上图中 平面精度在 10mm 左右 高程 精度在 15mm 左右 如采用高精度双频 GPS 天线 能更进一步提高其精度 事例三 采用同样的 GPS 接收机 在一个静止的点上 分 20 分钟一个时段对其 连续观测 5 个小时的数据 用某进口后处理软件对其进行处理 得到结果如下图所 示 平面后处理结果 高程后处理结果 相对 GPSensor 实时 Kalman 解算结果精度有所提高 上图中 平面精度在 8mm 左右 高程精度在 12mm 左右 如采用高精度双频 GPS 天线 能更进一步提高其精度 事例四 采用同样的 GPS 接收机 在一个静止的点上 分 10 分钟一个时段对其 连续观测 5 个小时的数据 用华测 GPSensor 准动态 Kalman 算法对其进行处理 得 到结果如下图所示 Kalman 算法平面解算结果 Kalman 算法高程解算结果 相对后处理解算结果精度又有所提高 上图中 平面精度在 5mm 左右 高程精 度在 8mm 左右 如采用高精度双频 GPS 天线 能更进一步提高其精度 注 采用 GPSensor 软件是完全自动解算 而静态后处理需要人工干预 6 4 GPSensor 的软件界面介绍 正常情况下 GPSensor 是在服务器端进行复杂的计算的 用户不需要去浏览这些 窗口 但在系统安装阶段或者系统出现故障时 这些窗口提供的信息能帮助我们迅速 地解决问题 6 4 1 数据监控窗口 通过接收机数据监控窗口可以观察串口和网络来的数据的格式 数据的更新率 数 据包的大小等 管理员通过这些信息可以快速地判断系统的通讯是否正常 6 4 2 接收机监控窗口 通过每秒更新一次的接收机监控窗口 管理员能知道接收机跟踪的卫星数量 接 收机的钟差 卫星的载噪比等接收机的关键信息 以确定接收机的工作状况 信号质 量等 6 4 3 监测站变形曲线窗口 下面是某悬索桥 3 4 跨的变形曲线 GPSensor 可以精确地反映桥梁的变形情况 6 4 4 基线窗口 通过基线窗口 管理员能够快速地知道软件的解算状态 6 4 5 日志 GPSensor 能够自动记录数天来的系统工作状况 供管理员进行分析处理 6 5 GPSensor 的系统结构 6 5 1 系统结构 典型的 GPSensor 监测系统由三部分组成 监测单元 数据传输和控制单元 数据 处理分析及管理单元 这三部分形成一个有机的整体 监测单元跟踪 GPS 卫星并实时 采集数据 数据通过通讯网络传输至控制中心 控制中心相关的 GPSensor 软件对数据 处理并分析 实时监测桥梁的形变 监测单元一个参考站 R1 和五个监测站 M1 M2 M4 组成 其中参考站根据实 际情况 确定其具体位置 五个监测站根据实际情况 确定其具体位置 数据传输采用先进的光纤数据传输方式 一方面提高了系统通讯可靠性 另一方面 提高了数据传输速度 控制中心配备一台高性能服务器 用于数据分析和图形处理 以及终端服务 结合 GPSensor 软件 实时对数据分析和图形处理 6 5 2 GPSensor 支持的 GPS 接收机 Trimble 接收机 NovAtel Leica 双频 GPS 接收机 Javad Topcon 双频 GPS 接收机 HuaceNav X60 X20 X300 单双频 GPS 接收机 Navcom 双频 GPS 接收机 6 6 服务器和操作系统 GPSensor 的运算量 P 可以通过下面的公式计算 2LMNH 式中 M 为基站的数量 N 为监测站的数量 H 为更新率 如系统采用了双频 GPS 接收机 则计算量将翻倍 以某个 1 个基站和 8 个监测站的系统为例 服务器采用了 如下配置 硬件平台 至强服务器 1 CPU 主频 3G 2G 内存 软件平台 正版 Windows XP 这样的配置将占服务器 CPU 的 40 的计算时间 GPSensor 要求软件在正常工作时 CPU 的平均使用率不超过 60 6 7 系统通讯网络 GPSensor 软件支持多种通讯方法 而针对本项目我们采用现在最流行的 GPRS 无线网路 的方式 但通常情况下 GPS 接收机由串口输出原始数据 再采用 GPRS 网络将数据通过无 线传输的方式传送至数据处理服务器 3 下图为控制中心网络拓扑图如下所示 上图所示为某个已经实施的风塔沉降监测的通讯网络示意图 参考站和监测站通过移动 的 GPRS 方式传送 GPS 原始数据到控制中心 数据流程是 每个监测站 包括参考站 GPS 接 收机的原始数据和星历均由串口 GPRS 模块 控制中心服务器 仅仅在启动计算时 数据 才需要反向传输 即将控制命令由控制中心服务器发送给各个 GPS 接收机 通常情况下 在 接收机设置好后 这个过程也可以省略 注 本监测系统监测区域和控制中心是可以完全分离的 监测区域就是需要进行风塔沉 降监测的风塔沉降监测点 而控制中心可以在当地 也可以在几公里到几十公里 几百公里 以外的办公室 监测人员只要在办公室打开电脑就可以看到风塔沉降的实际变形量 7 产品选型 7 1 华测双频 X60M 接收机 华测双频 X60M GPS 接收机 华测 X60M GPS 接收机采用世界最先进的 GPS 主板 浓缩国内外 GPS 行业的先 进技术 是国产 GPS 的领跑着 华测 X60M GPS 接收机采用模块化设计 GPS 接收机和无线电 电源系统内置为 一体 接收机和天线分离 具有作业距离远 抗干扰能力强 定位速度快 精 度高的特点 是国产双频 GPS 测量系统的典范 主机功耗小于 2 5W 由于功耗低产生热量小 解决了密封性与散热的矛盾 降 低了接收机的损耗 保证接收机工作的稳定性 延长了接收机使用寿命 华测 X60M 接收机设有 5 个 LED 指示灯监控整个作业过程 详细显示卫星 数 据记录 电源 无线电的工作状态 双电源设计 电池单独供电 自动切换 有效地保证在断电情况下接收机工作地连续性 X60M 接收机体积小 重量轻 所有接口采用 Lemo 头连接 保证了数据通讯的稳定性以及设备接驳的严密性 华测 X60M 双频 GPS 接收机性能指标 标准特性 坚固轻便的高性能塑材封装 TCM V2 x V3 0 输入 输出 RTCA 输入 输出 CMRII CMR 输入 输出 最高 20Hz 数据采样 20HZ NMEA 0183 输出 内置 32MB 存储器 RTK OTF on the fly 先进特性 进的 Maxwell 4 定制测量型 GPS 芯片 高精度的多重相关 L1 L2 伪距测量 无滤波 无平滑的伪距测量数据用于低噪音 低多路径 低时间相关和高动态相应 甚低噪音的 L1 L2 载波观测值在 1HZ 带宽内优于 1mm 的精度 L1 和 L2 信噪比按照 dB Hz 方式报告 经得起考验的 低仰角信号跟踪技术 支持 GSM CDPD 和 GPRS 调制方式用于 eRTK 和 VRS 技术指标 尺寸 20cm 13cm 5cm 物理指标 重量 0 8kg 接收机 含内置电台 接收机电源 10 5 28V 直流 带压电保护功能 功耗 2W 静态电气指标 电池 12 小时 两块内置电池 工作温度 30 70 存储温度 40 80 湿度 100 全密封 防冷凝 可漂浮 防水 IPX7 级标准 环境 撞击和振动 抗 2m 下落 性能指标 水平精度 2 5mm 1ppm 静态 GPSensor 后处理 垂直精度 5mm 1ppm 水平精度 5mm 0 5ppm 快速静态基线 后处理 垂直精度 10mm 1ppm 水平精度 10mm 1ppm 动态定位 RTK 垂直精度 20mm 1ppm 通信和数据存储 通道 并行 24 通道 Total Station 跟踪信号 GPS L1 L2 C A 码 L1 L2 全波位 端口 1 个 USB 端口 1 个外置电源端口 2 个内置电池端口 1 个串口 接收机内存 32MB 可扩展 通讯功能 支持 TCP IP 协议 数据输入 输出 RTCM SC104 2 20 NMEA0183 2 20 1PPS 输出 14 个 NMEA 输出 支持 BINEX 和载波平滑 显示 按键 5 个 LED 指示灯 2 个功能按键 8 8 1 防雷相关设备 8 1 1 避雷针 避雷针选用四川中光 ZGZ 200 2 1 型号避雷针 避雷针 技术参数 雷电通流容量 kA 200 电阻 1 高度 m 2 1 质量 kg 4 8 最大抗风强度 m s 40 安装尺寸 mm 70 0 26 8 2 天线罩 GPS 天线罩针对 GPS 工作频段 1575 25MHz 建议采用华测定制产品 图 8 11 华测 GPS 天线罩 1 产品特性 防酸 防盐雾 防紫外线 耐冲击 防腐 抗老化性能佳 寿命长 电绝缘性佳 透波性强 在高温 低寒等恶劣环境中使用性能更加突出 外型美观 高档 大大提高了天线的优良物理特性 2 技术参数 天线罩在全方位的相位误差为 1 透波率见下图 GPS 天线罩透波率 GPS 观测墩设计图