GPS一机多天线技术及其在边坡形变监测中的应用

2016-08-10 03:08刘得永
大科技 2016年28期
关键词:接收机天线观测

刘得永

(湖南省第一测绘院湖南衡阳421000)

GPS一机多天线技术及其在边坡形变监测中的应用

刘得永

(湖南省第一测绘院湖南衡阳421000)

GPS测量是目前最具发展潜力的一种形变监测手段。但购买接收机的费用高。基于GPS技术的优、缺点,我们提出GPS一机多天线技术。它不仅具有GPS全部的优点,而且它克服了常规GPS费用高的缺点。大量实际应用表明,只要操作得当,解算合理,一机多天线的精度完全能达到常规GPS的精度。所以GPS一机多在形变监测中的应用前景非常广阔。

全球定位系统;一机多天线;边坡形变;变形监测

1 GPS一机多天线系统的组成

整个一机多天线系统是一个复杂的、功能强大的监控管理系统,它集视频监控、GPS形变监测、远程数据传输、信息管理平台于一体。从结构上划分,它由数据采集、信息传输、信息处理这三个主要部分组成。这三部分又可分为以下六个部分:

(1)天线阵;

(2)数据传输部分;

(3)多天线控制器;

(4)基准站;

(5)数据处理中心;

(6)野外供电系统。

一机多天线变形监测系统结构示意图。

图1

2 GPS一机多天线的精度分析

2.1 影响GPS一机多天线精度的因素

影响GPS一机多天线精度主要包括GPS一机多天线与常规GPS定位相同的误差源以及GPS一机多天线的附加误差源。

与常规GPS定位相同的误差源各种误差按其来源大致可分为三种类型:

(1)与卫星有关的误差;

(2)信号传播误差;

(3)观测误差和接收设备误差。

GPS一机多天线的附加误差源包括以下两种:

(1)信号衰减误差:常规GPS的天线和接收机是连在一起的一个整体,而GPS一机多天线的天线和接收机是分开的,它们之间的距离有的多达10km。这么远的距离信号通过各种方式传过来,在传的过程中就会产生衰减。这种衰减会使信号的噪声增大,进而影响一机多天线的精度。

(2)不同时误差:常规GPS测量可以每个点放一台GPS接收机,很容易实施同时观测。我们知道现在的一机多天线的观测方式是序列性连续观测,也就是说各观测值不是同时观测的,这就可能产生误差。通常一个点的观测(要保证较高精度的情况下)就需要30min,一个多天线子系统8个天线总共就须观测4h。也就是说第一个观测值和第八个观测值可能至少相差4h左右。4h前的点位可能发生了变化,这样就可能产生误差。比如在洪峰来临时大坝受到的压力很大,几分钟之内大坝的位移就可能达到10多厘米,4h提供一次数据远不能达到变形监测的要求。由于变形监测环境的复杂性和特殊性,实时观测变得越来越重要,减少观测时间,提高观测效率是变形监测发展的一种趋势。

2.2 提高GPS一机多天线定位精度的方法

2.2.1 对常规误差的处理

(1)卫星钟差:采用二项式模拟改正。

(2)卫星星历误差:在多个测站上对同一卫星进行同步观测,然后求差。或直接采用相对定位。

(3)地球自转影响:采用模型改正。

(4)相对论效应:统计模型改正。

(5)电离层折射:利用电离层模型改正,采用双频接收机减少电离层延迟,同步观测求差。

(6)对流层折射:利用对流层模型改正,采用双频接收机减少电离层延迟,同步观测求差。

(7)多路径效应:安置天线时避开地面强反射物,采用防多路径效应天线。

(8)接收机方面的误差:采用高精度的接收机,定期对天线进行校验。

2.2.2 对附加误差的处理(1)信号衰弱误差:采用信号放大器,用高质量的传输方式。(2)不同时观测:对多天线控制器进行改造。

3 常规GPS定位与GPS一机多天线定位精度的比较

为了对GPS一机多天线的精度有一个清楚的了解,我对二组数据分别进行了解算:

数据1:采用双频Ashtech接收机对4个点进行观测所得的数据;

数据2:采用一机多天线系统对其中4点的观测所得的数据。

我分别对这两种数据进行基线解算的结果如下:

数据1解算的结果。

表1

数据2的解算结果。

表2

对比以上结果,可以看出常规GPS的精度为1~2个mm,一机多天线的精度为2~3个mm。精度均能满足变形监测的要求一机多天线与常规GPS的精度相比差不多。

4 应用总结

(1)双频接收机的测量结果与单频的相比,在观测条件较好的测点上,两种接收机的效果相当;但在观测条件较差的测点上,双频比单频的效果好。

(2)从观测时间上看,在观测时间达到45min时,观测精度基本能达到监测要求,但观测条件差时,需延长观测时间才能取得达到精度要求的数据。

(3)采用GPS监测网,GPS观测中误差在3mm左右,但外符合精度差。这需要采用滤波算法。

采用一机多天线系统,由于需要的高精度的GPS接收机的数量极大地减少,整个系统的造价随之下降,但没有影响系统的监测精度。只要处理得当,解算合理,多天线系统测量结果完全可以与常规GPS测量结果的精度相当。综合考虑监测系统的精度和成本,采用一机多天线技术的形变监测系统拥有很好的应用价值和广阔的应用前景。

[1]刘大杰,施一明,等.全球定位系统的原理与数据处理.

[2]徐绍铨,等.GPS在大坝和滑坡安全监测中应用的研究.水力发电,2003,29(1):61~64.

[3]何秀凤,华锡生.“GPS一机多天线变形监测系统”.水电自动化与大坝监测,2002,26(3):34~37.

[4]何秀凤,丁晓利.GPS一机多天线技术的研究及应用研究报告.

P256

A

1004-7344(2016)28-0206-02

2016-8-13

刘得永(1985-),男,助理工程师,本科,主要从事测绘工程工作。

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