1、 概述

GPS卫星定位技术相比于传统的测绘方法有着显著的特点和优越性。它不受天气的干扰，点位间不需通视，容易实施长距离的精确定位。此外，GPS可以进行实时测量，具备良好的自动化和集成化性能，特别适用于动、静态的安全监测和满足较大工程区域内现代施工所需的复杂测量工作。近年来GPS以其特有的优势在形变监测和精密工程测量领域得到了广泛应用。

由于水利水电工程特有的地形及环境条件，工程区域常位于深山峡谷，GPS卫星信号的接收受到限制，造成人们对GPS定位精度的疑虑。目前，GPS技术虽在我国水利水电工程获得了一些应用，但是深层次的开发和推广尚有待进一步的努力。此外，在大坝安全监测中，受GPS定位精度和监测系统成本的影响，GPS技术应用较少，是个十分薄弱的环节。因此，将GPS推广应用到水利水电工程中，研究适合我国国情的大坝安全监测系统和滑坡等地质灾害监测防治系统，对促进我国水利水电事业的发展将有很重要的意义。

GPS一机多天线技术研究是针对GPS在工程应用中存在的问题而开展的。 在水利水电工程、地质灾害等大规模工程监测中，如果每个监测点上都安放高精度GPS接收机，尤其是当监测点很多时，会导致监测系统的成本十分昂贵。基于这个问题，我们采用GPS一机多天线技术，通过课题组自行研制开发的GPS多天线控制器，仅用一部GPS接收机互不干扰地接收到多个GPS天线传输来的信号，实现用一个天线代替一台高精度GPS接收机，这样监测系统的成本可大幅度下降。本项研究成果为GPS技术在大坝安全监测、山体滑坡监测等水利水电工程的应用创造了极为良好的条件。

2、 GPS一机多天线方法

GPS 一机多天线控制系统的设计思路如图1所示，它是将无线电通讯的微波开关技术与计算机实时控制技术有机的结合，仅用一部GPS接收机同时互不干扰的接收到8个GPS天线传输来的信号。实现这一思路的关键是开发GPS 一机多天线控制器，需要解决的技术问题是确保多天线控制器微波开关中各通道的高隔离度和最大限度地减少GPS信号衰减。

图1  GPS一机多天线方法示意图

GPS一机多天线系统中要解决的另一个关键问题是GPS天线信号的传输。由于监测的范围比较广，各监测点之间的距离可能很远，天线信号传输至控制器时将不可避免地产生GPS信号衰减过大的问题。根据我们的测定，当电缆传输距离超过30米时，信号的损失已经相当大。要解决这个问题，一方面应提高传输介质的性能，如采用低损耗电缆或者光纤传输；另一方面也可进行适当的信号增强，为此我们专门研制了相应的GPS信号低噪声放大器，取得了良好的效果。

1、 基于GPS一机多天线技术的变形监测系统

采用GPS一机多天线控制器的变形监测系统如图2所示,它包括下面几个主要部分：数据处理中心,数据传输,GPS多天线控制器,天线阵列,基准站,野外供电系统。

数据处理中心包括微机总控、数据处理、数据分析、数据管理四大部分。采用Microsoft Visual C⁺⁺或其它相关高级语言编程，具有良好的人-机界面。一旦该系统安装完毕，中心可实现一天二十四小时监测。技术人员不必亲临现场，只需在办公室打开电脑，就可以实时得到监测数据，完全实现监测数据的自动读取、存储和发送。数据处理中心的另一个功能是安全监控综合分析。通过对现场传输来的GPS数据的处理、计算与综合分析，做出预报和预测。

根据形变监测系统实际情况的不同，我们设计了四种数据传输方式：①电话线进行数据通信②无线GMS、GPRS方式进行数据通信③光纤进行数据通信④组网方式进行数据通信。这四种方式各有特点，可根据实际情况和成本灵活选择其一。

GPS多天线变形监测系统数据采集部分安装在野外，工作时供电系统不能间断。如果现场不能提供220V的电源，我们设计风力发电机和太阳能供电系统。正常工作时，风力发电机和太阳能发电机所发的电直接给一个蓄电池充电，保证变形监测系统的持续电力供应。

1、 GPS一机多天线系统在工程形变监测中的应用

⑴小浪底大坝变形监测试验

图3   GPS一机多天线监测网布局

我们在小浪底大坝主坝上选择了其中一条测线，来布置GPS多天线控制器连接方案： GPS天线安装在各监测点的观测墩上，各天线通过电缆连接多天线控制器。监测网的GPS基准站设在附近永久观测点上。监测点和基准站组成的GPS监测网如图3所示。

观测试验持续进行了两天，将传统的GPS监测方法和采用GPS一机多天线的监测方法进行了完整的对比性试验。表1和表2分别表示一个时段的基线和测点位置的解算结果。表中的解算结果表明，GPS一机多天线监测系统与常规GPS监测方法精度相当，误差在1－3 mm。

 

表1  基线解算结果比较

基线向量	GPS一机多天线监测		GPS常规监测
	基线解算结果 （米）	RMS （米）	基线解算结果 （米）	RMS （米）
0004-0047	21.579	0.000	21.575	0.001
0004-0021	37.515	0.001	37.515	0.001
0004-0003	34.558	0.002	34.558	0.003
0004-0019	143.375	0.001	143.373	0.002
0003-0019	152.693	0.002	152.692	0.002
0021-0019	120.180	0.001	120.178	0.001
0004-0049	139.102	0.001	－	－
0003-0049	126.923	0.003	－	－
0021-0049	159.147	0.002	－	－
0049-0047	122.514	0.000	－	－

 

表2  点位平差结果比较

点号	坐标 分量	GPS一机多天线监测		GPS常规监测
		点位平差结果 （米）	RMS （米）	点位平差结果 （米）	RMS （米）
47	X	4357.160	0.001	4357.157	0.001
	Y	1792.533	0.001	1792.531	0.001
21	X	4317.561	0.001	4317.559	0.001
	Y	1793.782	0.001	1793.783	0.001
4	X	4348.580	0.001	4348.579	0.001
	Y	1772.820	0.001	1772.820	0.001
49	X	4469.163	0.001	－	－
	Y	1842.151	0.002	－	－

注：“－”为未观测

⑵东江大坝变形监测试验

东江大坝安全监测网由大、小东江坝面监测点、两岸山体滑坡监测点和两个基准点构成。坝区四周山体陡峭, 整个大坝位于Ｖ型峡谷之间，坝区观测条件不理想，尤其是小东江坝区的滑坡峡谷一侧树木浓密，监测点的观测条件极不理想。针对以上情况, 我们采用图4的基线布局来测定GPS多天线系统定位精度。其中Djs 3为基准站，其余各点为监测点。而且每

个时段静态观测3小时以上，以满足所需的精度要求。

 

Djs 3

Xdj 4 3

Xdj 3 3

Xdj 1 3

图4  东江大坝试验基线布局

本试验中有部分观测点因山体、树木遮挡而出现周跳过多, 这样难以确定GPS整周模糊度。为了准确地进行点位三维坐标的解算，在现有的观测条件下，基线解算前进行了数据预处理，保证基线具有较高的精度。表3列出了基线解算结果。

 

表3    基线解算结果比较

基 线     内 容	Djs3 ~ Xdj4 (m)	Djs3 ~ Xdj3 (m)	Djs3 ~ Xdj1 (m)
由坐标推算出的理论长度	345.0879	358.3914	399.7825
实际观测解算的基线长度	345.0820	358.3930	399.78270

 

⑶浦东新区海堤防汛墙位移监测试验

大坝断面

图5     试验现场及GPS多天线系统天线组示意图

浦东海塘GPS位移监测系统一期工程选择了位于三甲港海滨浴场和向阳圩码头附近的两处进行监测。GPS基准站选在海塘大堤的张家浜控制点，在大堤断面选取3个监测点并精确丈量距离。根据海塘大坝段面的特点， GPS天线分别安装在不同的位置，如图5所示。

实验观测了3个小时，进行了4轮回试验，考虑在观测过程中卫星分布状况的变化和外界条件的干扰，最后的解算结果取平均值，这样可以保证解算结果的可靠性。图6显示了基线布局，结果如表4所示。

表4  基线已知值和解算均值的比较

基线向量	已知值（m）	解算均值(m)	差值(mm)
O - B	4.221	4.225	+4
O - A	7.884	7.885	+1
O - C	12.319	12.323	+4

 

  

 

⑷天荒坪电站GPS变形监测试验

天荒坪电站的形变监测系统包括上水库、下水库二部分。我们首先对天荒坪电站上水库进行的GPS监测网精度研究，得到了一些有益结论：①观测时间达到45分钟时，观测精度基本能达到监测的要求；②采用GPS监测网，GPS观测中误差在3毫米左右；③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，双频机比单频机的效果好。

我们在天荒坪电站的上水库大坝上进行了GPS一机多天线系统形变监测试验。取TS07作为基准点，TPZ8、PZ10、PZ11为观测点，监测点布置如图7所示。

基准点TS07

监测点TPZ8

监测点PZ10

监测点PZ11

图7   天荒坪电站GPS多天线监测基线示意图

我们利用自行开发的软件分割和组合GPS观测数据，将切割后合并的O文件以及其对应的N文件一起进行基线解算，并且在解算过程中考虑剔除GDOP不好的卫星。

 

表5列出了天荒坪GPS一机多天线监测基线解算结果。

表5  GPS多天线方法基线解算结果

基线向量	基线长（m）	中误差（m）
TS07 - TPZ8	457.818	0.003
TS07 - PZ10	357.252	0.002
TS07 - PZ11	306.797	0.002

5、 结论

根据我们在小浪底大坝、东江大坝、浦东新区海堤、天荒坪抽水蓄能电站等地进行的试验结果表明，GPS一机多天线系统达到如下技术指标：⑴开发的GPS一机多天线控制器，使得一台GPS接收机能接收并处理8个GPS天线的传来的信号，并且确保多天线控制器中微波开关各通道的高隔离度和最大限度地减少GPS信号衰减；（2）实现2-3毫米的定位精度。

采用GPS一机多天线监测系统，实现了用一个天线代替一台高精度GPS接收机，从而可以10倍、20倍地降低GPS在大规模工程形变监测中的系统成本，并确保监测的定位精度。此外，灵活的系统设计方案还十分便于系统的更新和升级。GPS一机多天线监测系统还可应用到大型建筑物（高楼、特大桥梁）的安全监测和山体滑坡、泥石流等地质灾害监测与防治。