【文章內容簡介】 ，并根據(jù)系統(tǒng)設置，實現(xiàn)圖形顯示、記錄、報 警、輸出、分析。 由 GPSensor 為核心構成的變形監(jiān)測網絡中的每個 GPS 接收機只需要輸出 GPS的原始數(shù)據(jù)和星歷，原始數(shù)據(jù)包含了 GPS 解算所有必要的偽距和載波相位數(shù)據(jù)等，星歷指 GPS 衛(wèi)星發(fā)播的廣播星歷。數(shù)據(jù)通過廣域網、局域網絡、串口、無線設備等傳到控制中心，控制中心的 GPSensor 軟件根據(jù)每臺 GPS 接收機對應的 IP 地址和端口號，獲得每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)流， GPSensor 軟件對這些原始數(shù)據(jù)進行實時差分解算，得到各個監(jiān)測站的坐標，并存入數(shù)據(jù)庫或發(fā)送給客戶端。 利用 GPSensor 軟件能進行 7 24 小時不 間斷觀測。而且，與傳統(tǒng)的 RTK 方式相比， GPSensor 具有精度更高，實時性更強的特點。 GPSensor 支持各種主流品牌的單雙頻 GPS 接收機混合監(jiān)控。 GPSensor 采用了 C/S 架構，用戶可以進行遠程監(jiān)控。 具體的， GPSensor 實時差分變形監(jiān)測軟件的工作流程可用下圖表示： 基站 A 基站 B 監(jiān)測 站 1 監(jiān)測 站 2 監(jiān)測 站 N 載波相位 差分計算 載波相位 差分計算 實時網平差 和 數(shù)據(jù)融合 圖形顯示 記錄 報警 輸出 客戶端 系統(tǒng)誤差 改正模型 遠程服務 如圖所示， GPSensor 變形監(jiān)控軟件實現(xiàn)了各個監(jiān)控站的實時差分定位，并具有圖形顯示、接收機設置、監(jiān)控站參數(shù)設置、觀測數(shù)據(jù)記錄、報警等功能。 采用 C/S 架構的 GPSensor 軟件方便用戶在辦公室、監(jiān)控中心、家中監(jiān)測系統(tǒng)的健康狀況。 GPSensor 實時差分變形監(jiān)控軟件支持英文和中文。 GPSensor 的開發(fā)工具為 VC++ 。 系統(tǒng)架構 整個軟件系統(tǒng)技術實現(xiàn)構架圖： 數(shù)據(jù)傳輸中間件 COM 用戶應用程序 G P S . 1 G P S .N G P S ens or .1 G P S ens or .2 G P S ens or軟件 接口 數(shù)據(jù)庫 GPSensor 系統(tǒng)架構 其中：數(shù)據(jù)傳輸中間件可在遠程運行，可以封裝在用戶的應用程序內，是實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)能浖庋b了數(shù)據(jù)傳輸?shù)募毠?jié)。可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)發(fā)送和反向控制和服務器事件響應 。 基本功能和指標 ： ? 可對 GPS 原始數(shù)據(jù)進行實時差分處理，數(shù)據(jù)更新率可達 1Hz、 5Hz、 10Hz、 20Hz； ? 可根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設置，對不同的監(jiān)測站的實時差分結果進行 Kalman 濾波，達到不同的動態(tài)要求和精度要求； ? 最多可同時處理多達 2 個基站和 32 個監(jiān)測站的數(shù)據(jù)； ? 輸入接口協(xié)議： RS23 CAN、 TCP/IP； ? 輸出接口協(xié)議： TCP/IP； ? 實時顯示基線的變化情況，點位的移動情況等，軟件包括如下視圖：實時數(shù)據(jù)視圖、實時網圖、趨勢圖、衛(wèi)星視圖、三維視圖、數(shù)據(jù)管理。 ? 原始數(shù)據(jù)、解算結果的自動保存功能，可根據(jù)用戶需求進行設置； ? 對監(jiān)測站、基站接收機的遠程設置功能，軟件上有各個 GPS 接收機的獨立監(jiān) 控 模塊，可以向 GPS 接收機發(fā)送用戶更改參數(shù)的命令（如采樣間隔、高度截止角等）； ? 系統(tǒng)完備性監(jiān)測功能，可對整個系統(tǒng)的健康狀況進行監(jiān)測，包括軟件和硬件，比如，一旦某個監(jiān)測站出現(xiàn)死機現(xiàn)象，軟件馬上會通過數(shù)據(jù)信號觸發(fā)的方式實現(xiàn)接收機自動重啟； ? 每個監(jiān)控站的監(jiān)控范圍可根據(jù)用戶設置，可從 10 厘米到 5 米，相應的精度可從 5 毫米到 2厘米 (具體精度還與所使用的 GPS 接收機及其天線有關 )。 ? 回放功能?；胤殴δ芊譃閮蓚€層次：原始數(shù)據(jù)層，軟件記錄原始數(shù)據(jù)后，可以任意截取其中部分數(shù)據(jù)，并根據(jù)原始數(shù)據(jù)重新解算并回放的功能；歷史狀態(tài)層，即 根據(jù)所選擇的時段，對系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)進行回放。 ? 實時的數(shù)據(jù)采集的延遲不大于 3秒。 ? 可以調整各個監(jiān)測站的位置更新率； ? 連接數(shù)據(jù)庫，記錄用戶需要保留的各項信息；記錄的內容如下： GPS 定位數(shù)據(jù) 坐標； 精度（水平和垂直）； PDOP 值； 使用衛(wèi)星顆數(shù)； 解類型。 衛(wèi)星數(shù)據(jù) 衛(wèi)星顆數(shù)； 每顆衛(wèi)星的坐標； 每顆衛(wèi)星的信噪比； 每顆衛(wèi)星的仰角； 基線解信息 基線向量； 基線誤差（中誤差和相對誤差）； 比率值； 協(xié)方差陣。 系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù) 軟件本身的工作狀態(tài)； 各個機站的工作狀態(tài)是否正常； 網絡連接狀態(tài)。 ? 第 三方軟件接口，用 COM 組件的方式實現(xiàn)，可實現(xiàn)遠程查詢、管理、報警； ? 報警功能，報警項可根據(jù)用戶要求設定，可通過短信、電子郵件等方式進行報警。 ? 權限管理：一般用戶只能瀏覽數(shù)據(jù)，系統(tǒng)管理員才可能對一些參數(shù)進行設置。 ? 數(shù)據(jù)分析功能：根據(jù)用戶要求，對監(jiān)控點進行頻域和時域分析。 ? 可靠性： 7 24 小時持續(xù)可靠工作。 GPSensor 的特點（與 RTK 比較 和傳統(tǒng)靜態(tài)監(jiān)測比較 ） 集成了 RTK 功能的 GPSensor 軟件，除了也能采用 RTK 方法之外，采用其自身與 RTK 和傳統(tǒng)靜態(tài) 不同的算法后，還具有如下一些特點。 1) 算法 相比 RTK 及傳統(tǒng)靜態(tài) 方法而言， GPSensor 的算法具有如下特點： ? GPSensor 采用采用同時刻（在 1微秒之內）的 GPS 原始觀測值進行差分解算；而 RTK 方法不需要差分改正數(shù)和流動站的觀測數(shù)據(jù)保持同步，一般的參考站接收機差分改正數(shù)廣播更新率為 1Hz，因此，一般情況下差分改正數(shù)會延遲 秒到 2秒不等，在特別情況下，流動站能允許 1分鐘之前的差分改正數(shù)參與解算； ? GPSensor 可以采用擴展的動態(tài)非線性 Kalman 濾波算法進行差分解算。 ? GPSensor 的算法對系統(tǒng)的硬件要求較高，通常在高性能計算機，而 RTK 的算法總 是有 GPS 接收機生產廠商提供，固化在 GPS 接收機內部 ；靜態(tài)解算需人工干預，一般采用雙差固定解得方式 。 2) 精度 GPSensor 直接應用 GPS 接收機的原始數(shù)據(jù)，參考站和流動站的觀測數(shù)據(jù)保持嚴格的同步，所以，大氣層延遲造成的公共誤差被最大程度地抵消， GPSensor還采用濾波方法消除 GPS 動態(tài)定位數(shù)據(jù)中的各種隨機誤差，是輸出的定位結果更符合真實的情況，所以 GPSensor 根據(jù)采用的 GPS 接收機和 GPS 天線的不同，可以保證毫米級的定位精度，而通常的 RTK 接收機動態(tài)定位精度為厘米級。 事例一： 在一個靜止點上，采用雙頻 GPS 接收機 和普通雙頻 天線進行 實時RTK 解算 ， 解算 結果如下圖所示： RTK 實時解算結果 可見 RTK 的定位精度平面在 2個厘米之內，高程在 4個厘米之內。 事例二： 在一個靜止點上，采用雙頻 GPS 接收機 和 普通 雙頻 天線 ，然后采用 GPSensor 軟件對其連續(xù)解算 24 個小時，具體解算結果如下圖： GPSensor 實時 Kalman 解 算結果 相對 RTK 解算結果其精度有 顯著 的 提高 。 上圖中，平面精度在 10mm左右，高程精度在 15mm 左右。如采用高精度雙頻 GPS 天線，能更進一步提高其精度。 事例三： 采用同樣的 GPS 接收機 ，在一個靜止的點上， 分 20 分鐘一個時段對其連續(xù)觀測 5 個小時的數(shù)據(jù)，用 某進口后處理軟件 對其進行處理，得到結果 如下圖所示： 平面后處理結果 高程后處理結果 相對 GPSensor 實時 Kalman 解 算 結果精度有所提高 。上圖中，平面精度在8mm 左右，高程精度在 12mm 左右。如采用高精度雙頻 GPS 天線，能更進一步提高其精度。 事例四： 采用同樣的 GPS 接收機，在一個靜止的點上， 分 10 分鐘一個時段對其連續(xù)觀測 5個小時的數(shù)據(jù)， 用 GPSensor 準動態(tài) Kalman 算法 對其進行處理，得到結果如下圖所示： Kalman 算法平面解算結果 Kalman 算法高程解算結果 相對后處理解 算 結果精度又有所提高 。上圖中，平面精度在 5mm 左右，高程精度在 8mm 左右。如采用高精度雙頻 GPS 天線，能更進一步提高其精度。 注：采用 GPSensor 軟件是完全自動解算，而靜態(tài)后處理需要人工干預。 3) 通訊 因為 GPSensor 僅要求收到 GPS 接收機的原始觀測數(shù)據(jù)，所以，原則上，應要求軟件（服務器）與 GPS 接收機之間僅要求實現(xiàn)單向通訊。而通常的 RTK 方法，要求參考站和流動站之間進行通訊，又要求流動站和數(shù)據(jù)中心之間進行通訊。 下圖是在采用串行端口 GPS 接收機進行網絡監(jiān)控的情況下， GPSensor 和 RTK方式需要建立的數(shù)據(jù)通訊鏈路示意圖： 參考站 串口 / R J45 R J 45/ 串口 流動站 串口 / R J45 數(shù)據(jù)中心 RTK 方式下的數(shù)據(jù)通訊 圖 由圖可見， RTK 方式下，差分改正數(shù)和定位結果需要進行多次傳輸，上圖中，一個監(jiān)測點的差分數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心，需要進行 3 次串口數(shù)據(jù)傳輸，兩次網絡數(shù)據(jù)傳輸。 流動站 串口 / R J45 數(shù)據(jù)中心 參考站 GPSensor 方式下的數(shù)據(jù)傳輸圖 由圖可見，在 GPSensor 方式下，流動站的原始數(shù)據(jù)僅需要一次串口數(shù)據(jù)通訊和一次網絡數(shù)據(jù)通訊，就 可以到達數(shù)據(jù)中心，參考站可以直接與數(shù)據(jù)中心服 務器相連。 4) 系統(tǒng)可靠性 RTK 通常應用于測量、高精度導航等，對于 RTK 接收機而言，如 GPS 信號發(fā)生失鎖那么接收機需要重新初始化，求解整周模糊度，從而造成短時間隔內不能正常輸出厘米級定位解。 傳統(tǒng)的靜態(tài)數(shù)據(jù)處理需要人工干預解算、網平差，同時需要在每一個點上分時段長時間觀測，如果監(jiān)測點是處于移動狀態(tài)則不能解算出有效的結果。 而 GPSensor 專為變形監(jiān)測而設計，適用于橋梁、大壩、礦區(qū)、滑坡等的變形監(jiān)測，軟件能長時間持續(xù)可靠工作，諸如 RTK 經常需要重新初始化 、靜態(tài)解算需要人工干預不能監(jiān)測運動物體 、時效性差 等缺點在 GPSensor 里并不存在。 GPSensor 軟件運行在數(shù)據(jù)中心的計算機上，整個計算功能可以設計成冗余模式，增加系統(tǒng)的可靠性，而 RTK 方法不能實現(xiàn)類似的功能。 通過上面的介紹，我們可以對 GPSensor 軟件的各項性能和特點有了一個粗略的了解，其中，特別是 GPSensor 對數(shù)據(jù)通訊的要求較低；同樣的數(shù)據(jù)， GPSensor可以獲得更高的精度； GPSensor 可以實現(xiàn)比 RTK 方法 和傳統(tǒng)靜態(tài)方式 更高的可靠性。 軟件將原來在接收機內進行解算的工作移植到性能更高、速度更快、更 穩(wěn)定的計算機上來進行。系統(tǒng)中所有的 GPS 原始數(shù)據(jù)都通過網絡（有線 /無線）傳回到控制中心的計算機上，軟件對所有數(shù)據(jù)進行同步的、實時的解算。 同時，所有的 GPS 接收機設置也都通過控制中心的計算機來執(zhí)行，完全實現(xiàn)無人值守及遠程控制。 GPSensor 系統(tǒng)為科學家，工程師，災害監(jiān)測人員提供實時的、極有價值的人工建筑或自然災害預警信息。這套系統(tǒng)不用操作人員費時進行數(shù)據(jù)后處理、分析結果等工作，實時顯示變形量，大大延長了預警時間減少自然災害對生命、財產的損失。而應用 GPSensor 系統(tǒng)，可以采用無人值守的方法遠程管理幾十個監(jiān)測點。通過設定的臨界值，管理者可以通過圖形顯示得到實時的告警，為決策者提供及時準確的災害預警信息，避免重大生命、財產損失。 監(jiān)測系統(tǒng)建設要求： ? 監(jiān)測系統(tǒng)無人值守，有人照看、自動運行，年運行可靠率 99%以上； ? GPS 硬件具 有良好的物理性能和工作性能，適合長時間連續(xù)工作。 ? 實時顯示形變量。 ? 數(shù)據(jù)實時輸出給分析軟件。 監(jiān)測原理： 在 GPS amp。 GPSensor 監(jiān)測系統(tǒng)中，參考站 GPS、監(jiān)測站 GPS 及控制中心采用 GPRS無線網絡通訊方式，與 GPS 系統(tǒng)常用的數(shù)傳電臺通訊方式相比較，一方面提高了系統(tǒng)的通訊可靠性，另一方面可以做到遠程控制及管理。 變形監(jiān)測網絡中的每個 GPS接收機都同時輸出 GPS的原始數(shù)據(jù)格式 RT17， RT17包含了 GPS 解算的所有必要的載波相位數(shù)據(jù)、星歷等數(shù)據(jù)。通過 GPRS 無線網絡傳到控制中心?？刂浦行母鶕?jù)每臺 GPS 接 收機對應的 IP 地址和端口號，獲得每個監(jiān)測點的原始實時數(shù)據(jù)流 ?；蛘?，軟件通過遠程的端口映射，直接從監(jiān)測單元的端口獲得 GPS 的原始數(shù)據(jù)流。 監(jiān)測 點的布置以能全面掌握壩體的變形狀態(tài)為原則。一般可選擇最大壩高剖面、地基地形變化較大的地段布置觀測橫斷面。每個觀測橫斷面上應在不易受到人為或天然因素損壞的地點選擇幾處建立 監(jiān)測 點，此外在壩腳下游 5— 10m范圍內的地面上布置 監(jiān)測 點 。 GPS 測量不需要測量點間通視，但要求對空通視。在數(shù)