GNSS一机多天线远程监测系统的研发

赵西安，樊鹏昊，樊英姿

GNSS一机多天线远程监测系统的研发

赵西安1，樊鹏昊2，樊英姿3

( 1．北京建筑大学测绘与城市空间信息学院，北京100044; 2．中兵勘察设计研究院，北京100053; 3．上海师范大学旅游学院，上海200234)

一、引言

全球导航卫星系统( global navigation satellite system，GNSS)在地壳运动、大地测量、精密工程测量、城市测量等领域得到了广泛的应用。GNSS接收机能在短时间内以毫米级的水平精度为大坝、桥梁、高层建筑、滑坡体等提供新的变形监测手段［1-2］。GNSS一机多天线技术可以让一台接收机同时连接多个监测点上安装的天线并保证信号的完整性和可靠性，解算出各个天线所在位置的坐标［3］，从而使得整个监测系统的成本得到大幅度降低，而监测精度却几乎没有受到影响［4］。

二、卫星一机多天线远程监测系统设计

1．系统组成

GNSS一机多天线远程监测系统是网络化、自动化的远程变形监测系统，采用B/S软件架构、GPS多天线技术、自动化控制技术、网络数据库和扩频通信等技术，只需电脑、智能手机上网就可以随时随地对滑坡体、大坝、桥梁、高层建筑等进行实时监测和健康分析。系统的工作原理为［5］:利用GPS多天线控制器分时段连接和控制接收不同监测点上的GPS天线数据，将传统的在监测点上安装的多接收机组成的阵列转变为多天线阵列，每个监测点上只安装GPS天线，多个天线共用一台接收机，这样极大地减少了接收机的需求数量，降低了变形监测的成本，且不会降低监测的精度和可靠性。

GNSS一机多天线远程监测系统由数据获取子系统、数据处理子系统和辅助子系统3大系统组成，如图1所示。其工作流程为在一个或两个远离监测区域的稳定点位上安装GPS接收机作为基准参考站［6］，在监测对象的每个监测点上安装的GPS天线共用一台GPS接收机。为了减少信号传输过程中的衰减，每个监测点上的天线将接收到的GPS信号经过放大器放大后传送给GPS多天线控制器，多天线控制器根据不同的观测时段选择天线，然后按顺序逐个将每个天线接收到的信号传送给GPS接收机。接收机将信号数据通过无线通信设备传送到局域网中，利用无线局域网( WLAN)技术把观测数据实时传输到数据处理中心。数据处理中心对接收到的观测数据进行编辑、整理、解算、存储等操作，获得各监测点在每个观测时期的坐标，再根据早期的观测数据计算各监测点坐标的变形量，对监测对象的变形情况进行处理、分析，对安全情况及时作出预警。

图1 系统组成

2．数据获取子系统

数据获取子系统由GPS接收机、GPS天线阵列、GPS信号放大器、GPS多天线控制器、无线通信设备等组成。

GPS多天线控制器是本系统的核心部件之一，由天线开关阵列、计算机系统和控制电路组成，分硬件和软件两部分。硬件由GPS接收机、若干个GPS天线和具有多个通道的微波开关及相应的微波开关控制电路组成。软件部分实时控制微波开关中各通道的断通，从而使各个天线接收到的信号可以互不干扰地传送给同一台GPS接收机。

3．数据处理子系统

数据处理中心是整个系统的核心模块，可以对各个监测点的监测数据进行整理、存储、分类、计算、分析和图表显示、历史数据查询、监测结果报表输出及预警等功能，生成监测点位移变化曲线图、变化速度曲线图和监测点变化趋势供监测人员直观地对监测数据进行分析，对整个监测对象进行更加科学的分析。

4．辅助子系统

该部分包括供电、综合布线等部分。把各个天线的电缆穿入PVC管中并埋设到滑坡体表面，连通GPS多天线控制器和GPS接收机，以保证整个系统在各种自然环境下能够安全、稳定、可靠地运行。

三、一机多天线远程监测数据处理

1．数据处理流程

系统数据处理流程为:服务器定期接收通过无线网络传输的各个GPS天线观测的点位数据，解算软件对数据进行解算，得到各个监测点的大地坐标并存入数据库中作为原始观测数据。把系统稳定运行后对各个监测点的首期测量坐标作为变形监测数据分析的基准坐标，以后每期的解算坐标都与基准坐标进行相减运算，即得到每期观测的点位坐标位移值，如式( 1)所示。把该位移值存储到数据库中，根据此数据绘制监测点在三维方向的位移变化曲线图。同时，根据各期的点位坐标位移值生成监测点变化趋势图，分析预测监测点在平面和竖直方向变化趋势。系统根据每期的点位位移值与上一期的点位位移值相减，如式( 2)所示，计算得到点位坐标变化的速度，生成速度曲线图，为分析点位的变化快慢情况提供直观的显示。数据处理流程如图2所示。

式中，( Xj0，Yj0，Zj0) ( j=1，2，3，…，n)为各监测点的初始坐标，j为监测点的点号; ( Xi，Yi，Zi) ( i = 1，2，3，…，n)为各监测点的各期观测数据，i为观测期数; ( VXi，VYi，VZi)( i=1，2，3，…，n)为监测点的变化速度。

图2 数据处理流程

2．最小二乘拟合

由于外界环境、监测设备和解算软件等的误差影响，解算出的坐标数据带有一定的误差，所绘制的坐标变化曲线不一定是平滑的，而是一条绕某一个平滑曲线或近似直线上下波动的曲线。在正常情况下，监测点位如有下沉或其他变形情况，会按照一定的趋势缓慢、近似平滑地变化，故而直接采用解算出的坐标变化数据对滑坡体进行分析在精确性和可靠性方面有一定的影响。本系统为了避免类似情况，在监测报表输出时采用了对变形数据进行最小二乘拟合直线的方法［7-8］，反映了点位变化的总体趋势，符合实际情况。如图3所示，系统绘制的1号监测点位移变化在所选时间段内在X、Y、Z 3个方向的变化曲线，可以对3个方向的数据进行最小二乘拟合直线，对变形数据进行合理分析。

图3 1号监测点位移变化曲线

对于选定时间段内的数据组( ti，Xi，Yi，Zi) ( i = 1，2，…，n)，为变形数据期数; ti为数据获取的时间，求其在X、Y、Z 3个方向的拟合直线。本文只对Z方向的数据进行分析，X、Y方向的拟合与Z方向的方法相同。最小二乘拟合直线的函数模型［8］为

对一组数据( ti，Zi)来说，由式( 3)可以得到误差方程组为

若令

式( 4)可写为

式( 5)即为Z方向数据拟合直线的误差方程式。按照最小二乘原理，认为最佳拟合于各组数据的直线应该使各组数据到该直线的偏差的平方和最小，即满足

的条件下解算出参数的估值a和c。为了解算出a和c，式( 5)的法方程式(这里视观测值为等权观测)为

进一步可得出X即为所求拟合直线的系数a和c。

求出X、Y、Z 3个方向的拟合直线的系数( aX，cX)、( aY，cY)、( aZ，cZ)后，即可按照某一个时间间隔拟合各方向的变形数据。本系统按照每天拟合一个数据的方法对所选时间段内的数据进行拟合，结合位移变化曲线图、位移变化趋势图，使监测人员能直观、准确地分析滑坡体的变形情况，对变形情况作出准确的预测和采取必要的防范措施。

3．监测预警

监测人员根据项目的要求和规范设置形变预警值YJ，系统自动计算预警，如形变量ΔZi＞YJ，则认为监测对象的形变超过预警，需要采取必要的安全措施。

四、系统开发与应用实现

本系统采用微软Visual Studio 2010作为开发平台，采用B/S架构，利用C#和JavaScript语言进行开发。获取的数据自动记录在服务器的SQL Server 2008数据库中，为管理人员提供实时、可靠有效的变形监测数据。系统可实现全天候数据采集、灵活的变形矢量图形显示、完善的系统管理功能、浏览器端监测数据报表快速下载和监测预警等功能。同时，本系统能够满足技术发展的需要，进行相应的技术扩展。

1．系统界面设计

采用B/S架构开发的系统，浏览器是客户端的主要应用软件，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了客户端电脑的载荷，减少了系统维护和升级的工作量和成本。系统监测人员可以在任何有Internet网络或GPRS的地方用计算机或智能手机实时掌握监测对象的变化情况，科学分析监测数据。

用户只需输入网址，在登录界面进行用户名和密码验证进入系统的总监测界面，查询和分析滑坡体在所选时间段内的变形情况，下载输出一段时间内的监测数据报表，进行更加精确的分析。总监测界面左侧是监测点的变形数据表格，右侧是该点在X、Y、Z方向随时间变化的位移变化曲线，数据和表格一一对应，分析更加直观(图略)。同时，可以自行设置监测对象的沉降预警值，增强了系统的可移植性。本项目定期( 2 h或更短)自动对数据进行分析，如有超过预警值的数据则及时显示预警提示，使监测人员采取防范措施。

系统还设计了监测对象地理位置卫星地图显示功能。如图4所示，该界面中的卫星地图可以缩放，使监测人员宏观地了解监测对象所在地理位置和周围的地理环境，便于对监测对象和监测数据进行更加全面科学的分析。

图4 监测对象地理位置显示界面

2．系统数据库

监测数据要妥善管理，满足其观测时间长、数据量大、处理及时准确的要求，必须建立完整可靠的系统数据库，以加强对变形监测数据的管理。本系统的监测资料存储在服务器的SQL Server 2008数据库中，数据库自动进行安全备份，客户端对监测数据进行实时管理和访问，对监测的滑坡体的安全性作出可靠分析。

3．京承高速高边坡监测应用

本自动化远程监测系统结构和功能设计完成后，开始对京承高速K85+060设计里程路段的高边坡进行监测。

京承高速K85+060里程段高边坡高约12 m，坡比为1∶0．5。该路段出京方向的道路右侧边坡在雨季时有雨水从坡体渗出，形成细小的水流，对公路边坡的稳定和安全造成影响，对坡下的建筑物也形成了威胁。应用本系统对坡体进行监测，可以为分析预测坡体的变形情况提供及时准确的数据，保障道路、车辆和村庄的安全。

( 1)监测系统点位布设

本项目在坡体的明显渗流处的垂直位置选择了3个点位作为监测点，采用一机三天线技术，每个点位安装一个GPS天线，连接到一台GPS接收机上。选择开阔、干扰小的稳定点位作为参考站［9］，安装一台GPS接收机，为解算点位坐标提供差分数据。这样，本监测系统的3个监测点和1个基准参考点布设完毕，开始对滑坡体进行监测。3个监测点示意位置如图5所示。

图5 3个监测点位置示意图

( 2)变形监测数据分析与预警

系统安装调试结束后开始接收数据，根据接收到的前期数据判断系统工作的稳定性。通过分析，确定监测系统自2014年1月20日开始进入稳定期，因而把该天数据作为滑坡变形监测的起始数据。通过分析截至2014年5月7日的数据，可知3个监测点中发生最大沉降量的是3号点，下沉6 mm，平面最大位移为南偏东方向6．4 mm。1号点下沉3 mm，平面最大位移为北偏东方向3．4 mm。2号点下沉2．5 mm，平面最大位移为南偏西方向19．1 mm。分析可知3个监测点的平面和竖直方向位移均在安全变化范围内，没有超过预警值。图6为3个监测点所有观测数据所绘位移变化曲线图，图7为3个点在平面和竖直方向的位移和沉降数据进行最小二乘拟合直线后绘制的分量图。设定沉降预警值为25 mm，系统每小时自动分析监测数据，目前没有发现超过预警值的数据，说明监测点位形变在安全范围内，滑坡体安全。

图6 3个监测点观测数据位移图

图7 3个监测点水平和竖直方向位置移动拟合量

五、结论

本文通过对GNSS一机多天线远程监测系统的设计与研发，为高精度的远程监测提供了可能，推广了新技术的应用。通过分析监测数据，说明被监测的滑坡体处于安全状态，也证明了本自动化远程监

测系统在地质滑坡灾害预警中的可靠性和高精度。网络化的监测手段，使得监测人员在有网络的环境中可以使用计算机或智能手机对监测对象进行实时分析和预警，及时发现问题并采取必要措施，极大地方便了监测的实施，提高了监测的现势性，具有广泛的应用价值。

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［7］ 丁丽娟，程杞元．数值计算方法［M］．北京:北京理工大学出版社，2011．

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Developing the Remote Monitoring System Based on GNSS Multi-antenna

ZHAO Xi’an，FAN Penghao，FAN Yingzi

针对远程化自动化变形监测的特点，研究开发了卫星一机多天线( GNSS multi-antenna)远程监测系统。研究和讨论了系统的设计和开发技术，以及监测数据最小二乘拟合处理与分析方法。在京承高速高边坡监测中的应用表明，本系统用于高边坡远程监测可行，监测数据处理方法可靠，可作为高速公路、铁路、大坝等远程监测的重要技术方法。

GNSS一机多天线技术;自动化远程监测;最小二乘拟合

赵西安( 1957—)，男，博士，教授，主要研究方向为数字摄影测量技术与方法、差分干涉雷达测量技术。E-mail: bingjianloveyou @ 163．com

P258; P228

B

0494-0911( 2015) 11-0004-04

赵西安，樊鹏昊，樊英姿．GNSS一机多天线远程监测系统的研发［J］．测绘通报，2015( 11) : 4-7．

10．13474/j．cnki．11-2246．2015．0333

2014-11-15